Ректификация

Содержание

Введение

Простейшими способами перегонки  жидких смесей являются частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и частичная конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата. Каждый из этих процессов в отдельности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но осуществляя оба эти процесса одновременно и многократно в противоточных колонах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсация называют ректификацией.

            Целью ректификации является  чёткое разделение жидких смесей  на отдельные чистые компоненты.

           Перегонка и ректификация применяются для получения различных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения.

Большинство процессов химической технологии протекает только при  определенной температуре, которая  достигается путем подвода или  отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты(нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Вещество участвующее в процессе теплообмена, отдающее тепло называют-теплоносителем.

Существуют два способа  проведения тепловых процессов:

1 путем непосредственного соприкосновения теплоносителей;

2 путем передачи тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что  не всегда допустимо. Поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении. При передаче тепла через  стенку теплоносители не смешиваются, а каждый из них движется по отдельному каналу. Поверхность стенки, разделяющая  теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

 Передача тепла от  одного тела к другому может  происходить посредством простых  процессов: теплопроводности, конвекции  и теплового излучения и сложных  процессов, состоящих из простых  процессов.

Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы называются теплообменниками.

1 Ректификация 

1.1 Теоретические  основы процесса ректификации 

         Ректификация – разделение жидких  однородных смесей на составляющие  вещества или группы составляющих  веществ в результате взаимодействия  паровой смеси и жидкой смеси.  Это массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве  случаев в противоточных колонных  аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными  используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над  жидкой смесью, отличается от состава  жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

            Во многих химических производствах  необходимо производить выделение  чистых веществ из смесей жидкостей.  Одним из наиболее распространенных  методов разделения смесей является  ректификация. Этот метод основан  на различии в температурах  кипения, а, следовательно, и  в летучести компонентов смеси.  Если летучесть компонентов различна, то состав пара над жидкостью  отличается от состава жидкой  смеси бóльшим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента – НКК. Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, который осуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будут обогащаться НКК, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом – ВКК.

В конечном итоге пары будут  представлять собой более или  менее чистый НКК, а жидкость – ВКК.

             Процесс ректификации осуществляется  преимущественно в тарельчатых  или насадочных колонных аппаратах  периодическим или непрерывным  способом. На ректификацию поступает  исходная жидкая смесь, содержание  в которой НК составляет хf. В процессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК – дистиллят и часть, обогащенную ВКК – кубовый остаток. Обозначим в долях НКК состав дистиллата – хр , а кубового остатка – хw .Исходная смесь подается в ту часть колонны, где жидкость имеет состав хf . Стекая вниз по колонне, она взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составу кубового остатка хw, т.е. является обедненным НКК. В результате массообмена происходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК – из пара в жидкость.

  В точке ввода исходной  смеси пар может иметь в  пределе состав, равновесный с  исходной смесью. Для более полного  обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошают жидкостью состава хр, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения – дистиллата. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллат с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК.

1.2 Ректификация  периодического и непрерывного  действия

По способу проведения различают непрерывную и периодическую ректификацию. В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия (Рисунок 1) имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

 Пары конденсируются  в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой,  и получаемая жидкость разделяется  в делителе 4 на дистиллят и  флегму, которая направляется на  верхнюю тарелку колонны. Следовательно,  с помощью - дефлегматора в  колонне создается нисходящий  поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с  паром, жидкость все более обогащается  ВК, конденсирующимся из пара. Когда  жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.

 На некотором расстоянии  от верха колонны к жидкости  из дефлегматора присоединяется  исходная смесь, которая поступает  на так называемую питающую  тарелку колонны. Для того чтобы  уменьшить тепловую нагрузку  кипятильника, исходную смесь обычно  предварительно нагревают в подогревателе  5 до температуры кипения жидкости  на питающей тарелке.

 Питающая тарелка как  бы делит колонну на две  части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей  до верхней тарелки) должно  быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие  из колонны, либо только часть их соответствующая  количеству возвращаемой в колонну  флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который  после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные  в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником  дистиллята.

 Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

Схема установки непрерывной  ректификации отличается от периодической  тем, что питание колонны начальной  смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

1 – ректификационная колона (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята; 7 – холодильник остатка; 8, 9 – сборники; 10 – насос.

Рисунок 1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки

1.3 Специальные методы ректификации

Для разделения смесей близко кипящих компонентов используют экстрактивную ректификацию характеризующеюся низкой относительной летучестью. Разделение таких смесей приходится проводить в колоннах с очень большим числом теоретических тарелок и высоким расходом пара из–за необходимости поддерживать большое флегмовое число.

Исходную смесь, состоящую  из компонентов А и В, подают на тарелку питания колонны 1 для экстрактивной ректификации (Рисунок 2 ). Несколько выше тарелки питания вводят разделяющий агент С. Низкокипящий компонент отбирают в виде дистиллята, а смесь высококипящего компонента В и разделяющего компонента С из нижней части колонны 1 направляют на разделение в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в виде кубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.

1 – колонна для экстрактивной  ректификации; 2 – колонна для  разделения продукта В и экстрагирующего компонента С; 3 – насосы; 4 – кипятильники; 5 – конденсаторы.

Рисунок 2 – Схема установки для экстрактивной ректификации бинарной смеси

Если же нужно провести процесс ректификации с разделяющими агентами используют азеотропную ректификацию. При азеотропной ректификации (Рисунок 3) исходную азеотропную смесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается, сверху разделяющим агентом С. Расход разделяющего агента в основном зависит от состава исходной смеси. Так, при азеотропной ректификации расход разделяющего компонента увеличивается с повышением в исходной смеси концентрации тех компонентов, которые отбираются в дистиллят. При экстрактивной ректификации, наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходной смеси концентрации компонентов, отбираемых в виде кубового остатка.

1 – колонна; 2 – конденсатор; 3 – отстойник; 4 – кипятильник 

Рисунок 3 – Схема установки для азеотропной ректификации

Наиболее сложной задачей  при использовании методов экстрактивной  и азеотропной ректификации является выбор разделяющего компонента, который  должен удовлетворять следующим  требованиям:

1)обеспечивать, возможно, большее  повышение коэффициента относительной  летучести разделяемых компонентов; 

2)достаточно легко регенерировать;

3)хорошо растворять разделяемые  компоненты для предотвращения  расслаивания жидкой фазы при  температурных условиях в колонне;

4)быть безопасным в  обращении, доступным, дешевым,  термически стабильным.

Обычно при выборе разделяющего агента основываются на справочных данных.

1.4 Виды ректификационных колон

В промышленности применяют  колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными  материалами в виде кусков определенного  размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров  для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых  тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся  по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в  дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых  водой в верхней их части. Диаметр  применяемых трубок-5—20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением  диаметра трубок. Трубчатые колонны  характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.

1.5 Выбор ректификационной колоны

В ректификационных колоннах применяются сотни различных  конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим  характеристикам и технико-экономическим  показателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современными конструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных производств.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются  следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного  действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых  или других отложений;

е) материалоемкостью

2 Теплообменные аппараты

Характеристика и назначение теплообменных аппаратов. Теплообменными аппаратами или теплообменниками называют устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителем). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо и эндо термических реакций. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами и др.

Классификация теплообменных  аппаратов. По назначению теплообменники  подразделяются на нагреватели, холодильники, конденсаторы, испарители, деаэраторы, пароперегреватели, дистиляторы.

По принципу действия и  способу передачи теплоты теплообменники можно  подразделить на рекуперативные, регенеративные, смесительные.

Смесительные теплообменники (смесители) являются  более простыми компактными аппаратами, в которых  теплота передается от горячего теплоносителя  к холодному при их смешивании, например при нагреве холодной воды горячей водой или водяным  паром или при нагреве легко  разделяющихся веществ (газ –  жидкость,вода – масло и т.п). Для увеличения поверхности контакта теплоносителей используется их разбрвзгивание, перемешивание и т.п

В рекуперативных теплообменниках  теплота от горячего теплоносителя  к холодному предается через  разделяющую поверхность, т.е в этих аппаратах осуществляется теплопередача. Наиболее широко распрстранены трубчатые поверхностные рекуператоры – кожухотрубные и секционные.

В регенеративных теплообменниках (регенераторах) горячий теплоноситель  нагревает насадку,которая имеет развитую поверхность теплообмена, а холодный теплоноситель получает от нее теплоту. По схеме движения теплоносителей различают аппараты прямоточные, противоточные, с перекрестным током. В прямоточных аппаратах оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении; в противоточных – параллельно в противоположных направлениях; в аппаратах с перекрестным током – перпендикулярно; в аппаратах с комбинированным током - прямоточно и противоточно; в аппаратах с многократным перекрестным током – комбинированное движение сочетается с перекрестным. По числу ходов теплоносителя теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.

Необходимость увеличения ходов  теплоносителя диктуется следующим.

Интенсивность теплоотдачи, а зависит от скорости движения теплоносителя (при турбулентном а=r˃0,8). Одним из способов увеличения а, а следовательно, коэффициента теплопередачи является повышение скорости  движения теплоносителя. В теплообменнике один теплоноситель подается  трубы, а другой – в межтрубное постранство.

           Расход G(м³/с) теплоносителя в трубах

                                                  G=S_с nd_вn                                (1.1)                                           

где S_с – площадь поперечного сечения одной трубы, м²;

                n – число труб;

                 v – скорость теплоносителя в трубе, м/с.

Если расход теплоносителя  постоянен (G=const), то увеличение скорости v приводит к уменьшению числа труб n в аппарате. Площадь поверхности (м²) нагрева труб

                                                      S_n=_dl n                                                   (1.2)

Из этого выражения  следует, что уменьшения количества труб n требует для сохранения той же поверхности нагрева увеличения длины труб.

При малом количестве труб в аппарате необходимую длину  целесообразнее создать в самом  аппарате, заставляя теплоноситель проходить за один проход через половину или меньшее число труб пучка.    Необходимая длина труб равна сумме последовательных ходов теплоносителя. Аппараты, в которых теплоноситель делает несколько ходов в трубах, называются многоходовыми.

 В межтрубном пространстве теплоноситель делает, как правило, один ход, увеличение скорости движения здесь достигается за счет перегородок.

Многоходовые теплообменники работают по схемам (числу ходов  в межтрубном и трубном пространствах):1-2,1-4,реже 1-3,1-6,1-8,2-2,2-4и.т.д.

 По переодичности действия теплобменники бывают непрерывного и переодического действия.

Теплообменники непрерывного действия более предпочтительны, так как лучше обеспечивают технологические процессы. По роду теплообменных поверхностей теплообменники могут быть трубчатыми или пластинчатыми, т.е. поверхность нагрева в теплообменниках может быть в виде труб или пластин разной формы. Наибольшее распространения получили трубчатые теплообменники, причем трубы могут быть прямыми, U-образными, в виде спирали, змеевика и пр.

 Оребренные трубы применяются, когда коэффицент теплоотдачи одного из теплоносителей, например газа, во много раз меньше коэффицента теплоотдачи другого теплоносителя.

Далее теплообменные аппараты подробно будут рассмотрены по принципу действия и способу передачи теплоты.

      Рекуперативные  теплообменники (рекуператоры). В различных  отраслях производства, в том  числе и химической, наибольшее распространение получили рекуперативные теплообменные аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному предается через глухую стенку. Таким образом, в этих аппаратах взаимодействие теплоносителей объединено во времени, но происходит в разных пространствах.

   Рекуперативные теплообменники подразделяются на кожухотрубные, секционные(труба  в трубе), погружные, и оросительные.

   Кожухотрубные теплообменники  являются одними из более распространённых  рекуператоров. Они компактны, неметаллоёмкие, в них достигаются достаточно высокие значения коэффициентов теплообмена.

   Однако они имеют ряд недостатков: сложность очистки поверхности нагрева, небольшие скорости теплоносителей в межтрубном пространстве.

   Кожухотрубный  теплообменник (Рисунок 5), состоящий из пучка труб расположенных внутри кожуха 2. Концы пучка закреплены в трубных решетках 3 путем развальцовки, сварки и пайки сальников. К кожуху с помощью фланцевого соединения присоединены две крышки 4. Кожух и трубки образуют два пространства для движения теплоносителей: трубное и межтрубное. Ввод и вывод теплоносителей в аппарате производится через штуцера 5.

   Схема движения  теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике может быть прямоточной, противоточной, комбинированной. По прямоточной и противоточной схемам движения теплоносителей работают одноходовые аппараты. По комбинированной схеме движения теплоносителей работают многоходовые теплообменники, интенсивность переноса теплоты повышается с увеличением скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменниках и степени их турбулентности.