Википедия

Ректификация: различия между версиями

Интерактивная навигация по истории
[непроверенная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Нет описания правки
Отклонены последние 4 изменения (Шевкунов Станислав Николаевич)
Строка 1:
{{другие значения}}
[[Файл:Тобольск-Нефтехим.jpg|thumb|300px|Ректификационные колонны разделения углеводородных фракций на [[Тобольск-Нефтехим]]]]▼
'''Ректификация''' (от {{lang-lat|rectus — прямой и facio — делаю}}) — это процесс разделения бинарных или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью. Ректификацию можно проводить периодически или непрерывно. Ректификацию проводят в башенных колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками или насадкой) — [[ректификационная колонна|ректификационных колоннах]].
 
== Применение ==▼
==Описание процесса==
▲[[Файл:Тобольск-Нефтехим.jpg|thumb|300px|Ректификационные колонны разделения углеводородных фракций на [[Тобольск-Нефтехим]]]]
Задача ректификации - разделение поступающей исходной смеси на два или более компонентов. Каждый компонент, содержащийся в исходной смеси, имеет свою температуру кипения и обладает соответствующей летучестью. Компонент с высокой температурой кипения именуется как кубовый продукт, компонент с низкой температурой кипения и соответственно с более высокой летучестью именуется – дистиллят.
Процесс ректификации осуществляется в колонных аппаратах., которые представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты высотой от 20 до 100 метров и диаметром от 0,5 до 5 метров. В каждом таком аппарате в горизонтальной плоскости параллельно друг-другу смонтированы ректификационные тарелки. Расстояние между тарелками 300 – 600 мм. Общее количество тарелок может достигать 100 шт. и более. Каждый тип тарелок имеет свой коэффициент полезного действия (КПД) 50 – 60%. Понятие теоретических тарелок, используемое при проектировании, подразумевает тарелки со 100 % КПД. Таким образом, если в документации заявлено количество теоретических тарелок 10 шт. по факту их количество составляет 16 – 20 шт.
[[File:Рис.2 Принципиальная схема работы ректификационной тарелки.jpg|thumb|Рис. 1 Принципиальная схема работы ректификационной тарелки]]
Для весьма приблизительного понимания процесс ректификации в колонне можно описать следующим образом:
* Если мы имеем жидкую смесь компонентов с различными температурами кипения, например, компонент № 1 – 60<sup>о</sup>С, компонент №2 - 100<sup>о</sup>С, то при нагревании этой смеси до 80оС компонент №1 испарится, а остаток смеси практически полностью будет представлен компонентом №2. Так работает нижняя (кубовая часть) колонны. Куб колонны представляет собой резервуар из которого часть продукта забирается насосом, прокачивается через подогреватель и возвращается обратно в куб колонны, таким образом, поддерживается постоянная температура.
* Если мы имеем разогретую газообразную смесь компонентов с различными температурами, такими же как и в первом случае, то при охлаждении этой смеси до 80оС, более высококипящий компонент смеси сконденсируется, а газовая фаза практически полностью будет представлена низкокипящим компонентом. Так работает верхняя (укрепляющая) часть колонны. В укрепляющей части охлаждение газовой смеси осуществляется потоком сконденсированного и охлажденного дистиллята.
 
В итоге из кубовой части колонны в виде жидкости отводится чистый высококипящий компонент №2 , а из укрепляющей в виде газа чистый низкокипящий компонент №1.
Такое понимание процесса позволяет понять его суть, но не объясняет каким образом достигается высокая чистота компонентов (четкость разделения).
Четкость разделения полностью зависит от типа и количества ректификационных тарелок, находящихся между кубовой и укрепляющей частями ректификационной колонны. На рис. 1 представлен механизм работы тарелки.
[[File:Принципиальная технологическая схема ректификационной установки.jpg|thumb|300px|left|Рис. 2 Принципиальная технологическая схема ректификационной установки]]
На каждой тарелке имеется уровень жидкости, регулируемый высотой переливных планок. Орошение, подаваемое в верхнюю часть колонны, создает постоянный жидкостной поток с верха вниз колонны, жидкость при этом переливается с каждой верхней тарелки на нижнюю через переливные карманы. Газовая (паровая) фаза поднимается вверх по колонне через клапанные или насадочные устройства другого типа. Клапан устроен таким образом, что пар, поднимаясь, на тарелку барботирует через уровень жидкости. При этом из него извлекаются высококипящие компоненты, а сам пар из жидкости уносит собой низкокипящий компонент.
 
Такой процесс осуществляется на каждой тарелке, но при различных температурах:
- на верхних тарелках, приближенных к укрепляющей части колонны, самые низкие температуры;
- на нижних, приближенных к кубовой части колонны температуры самые высокие.
По мере изменения температуры по высоте колонны изменяется и состав жидкой и паровой фаз на каждой тарелке. В нижней части – это практически чистый кубовый продукт, в верхней – дистиллят. На средней тарелке соотношение кубового продукта и дистиллята 1 : 1. Учитывая то, что в сырье соотношение компонентов может различаться, подача сырья осуществляется на тарелку со схожим составом. Например, если в сырье 80% высококипящего компонента, то подаваться оно будет на тарелки, расположенные ниже середины колонны.
 
Принципиальная технологическая схема ректификационной установки представлена на Рис. 2.
Сырье подается в ректификационную колонну поз.1, в которой происходит его разделение на кубовый продукт и дистиллят. Часть кубового продукта с низа колонны насосом поз.5 подается в подогреватель поз.6, где подогревается и возвращается в колонну. Таким образом, в колонне поддерживается постоянная температура. Балансовое количество кубового продукта отводится на склад. Паровая фаза из куба колонны поднимается вверх, барботируя через уровень жидкости на тарелках, выходит с верха колонны, охлаждается в дефлегматоре (холодильник) поз. 2, конденсируется и собирается в емкости (рефлюксная) поз. 3. Из емкости часть дистиллята насосом поз.4 направляется для формирования потока орошения в ректификационную колонну (флегма), другая (балансовая) часть отводится на склад.
В процессе ректификации в одной колонне возможно разделение исходной смеси более чем на два компонента, для этого кроме кубового продукта и дистиллята из колонны отводятся промежуточные продукты непосредственно с ректификационных тарелок. Этот способ наиболее часто используется при фракционировании нефти и газовых конденсатов.
 
==Классификация==
===Атмосферная ректификация===
Атмосферное давление в ректификационной колонне или некоторое превышение давлении над атмосферным принимаются в том случае, когда пары дистиллята при данном давлении могут быть сконденсированы при помощи недорогого и доступного хладагента, например воды или воздуха, а разделяемая смесь устойчива к термическому воздействию. Некоторое превышение давления (приблизительно на 13—40кПа. т. е. 100—300 мм рт. ст.) необходимо в верху колонны для преодоления потерь напора при движении пара через трубопроводы и аппараты, расположенные после ректификационной колонны. Внизу колонны давление возрастает на величину, соответствующую гидравлическому сопротивлению тарелок. Для атмосферных колонн ориентировочно принимается такое давление, при котором пары дистиллята будут иметь температуру на 15—20<sup>о</sup>С выше температуры охлаждающего агента на выходе из дефлегматора.
 
===Вакуумная ректификация===
Ректификация связана с термическим воздействием на разделяемые смеси. Степень термического воздействия характеризуется двумя факторами: температурой и временем этого воздействия. Термическое воздействие приводит к нежелательным побочным процессам, таким как разложение, конденсация и поликонденсация, смолообразование и др. Для снижения температуры ректификацию осуществляют под пониженным давлением. Кроме того, ректификацию под вакуумом применяют для разделения азеотропов, увеличения относительной летучести компонентов заданной смеси, снижения скорости коррозии, уменьшения температуры греющего пара и в ряде других случаев.
Следует отметить, что глубокий вакуум (менее 130 Па) применяется лишь в процессе молекулярной дистилляции, т. е. при использовании метода разделения, основанного на увеличении длины свободного пробега молекул с уменьшением остаточного давления.
Возможность снижения давления в ректификационной колонне обычно ограничивается усложняющимися условиями конденсации образующихся паров. Практически предельной областью температур этих паров, допускающих применение в системах конденсации воды в качестве хладагента, является 45—50<sup>о</sup>С Использование специальных хладагентов (рассол, хладон и др.) требует дополнительных энергетических затрат и ухудшает технико-экономические показатели процесса.
Понижение давления в колонне сопровождается увеличением объема паровых потоков, что приводит к возрастанию диаметра колонны и повышению ее стоимости. Тем не менее решающим фактором, определяющим остаточное давление (и, следовательно, температуру), остается термостабильность перерабатываемых веществ.
 
===Ректификация под давлением===
Процессы ректификации под давлением осуществляются для разделения смесей, которые при атмосферном давлении газообразны. С повышением давления составы равновесных паровой и жидкой фаз сближаются, а температурный интервал равновесного существования данной парожидкостной системы сдвигается в область более высоких температур. Уменьшение разности концентраций компонентов в равновесных фазах приводит к увеличению числа контактных ступеней, обеспечивающих заданное разделение. С повышением давления в колонне возможно такое возрастание температуры в кипятильнике, при котором насыщенный водяной пар применить нельзя. В этом случае используются высокотемпературные органические теплоносители. Выбор давлений в ректификационных колоннах должен проводиться на основе указанных выше особенностей с учетом обеспечения легкости эксплуатации установки и высокого экономического эффекта.
В некоторых случаях ректификация под давлением применяется для разделения азеотропных систем. В этом случае выбор давления в колонне определяется характером влияния давления на азеотропную концентрацию.
 
===Четкая ректификация===
На практике часто возникает необходимость разделения смесей веществ с близкими температурами кипения. В этом случае применяется метод четкой ректификации. Характерным для него является использование колонн с большим числом контактных устройств и достаточно высокой кратностью орошения. Так, колонны для выделения этилена имеют более 100 тарелок при кратности орошения 70, а для выделения пропилена 120 -150 тарелок при кратности орошения 12 - 25. Для некоторых процессов, например выделения этилбензола из смеси ксилолов, необходимое число теоретических тарелок равно 150 - 250, что невозможно реализовать в одной колонне. В этом случае используют несколько колонн, работающих как одна. Технологическая схема промышленной установки выделения этилбензола предусматривает применение трех колонн одинаковой конструкции, оборудованных 130 клапанными тарелками и работающих как одна ректификационная колонна. На установке извлекается до 90% (масс.) этилбензола от потенциала, чистота товарного продукта - не менее 99,6 % (масс).
 
===Азеотропная ректификация===
Во многих случаях продукты нефтехимического синтеза образуют азеотропные смеси. Количество охарактеризованных в настоящее время азеотропов изме¬ряется многими тысячами, причем это число непрерывно возрастает. Наличие азеотропов практически исключает возможность четкого разделения соответствующих смесей с помощью обычной ректификации. Эффективным методом разделения азеотропных смесей является азеотропная ректификация. В этом случае разделение достигается путем добавления к исходной смеси специального вещества — так называемого разделяющего агента, образующего с одним из компонентов азеотроп с более низкой температурой кипения, чем азеотропы исходной смеси. Помимо обычных технико-экономических требований к растворителям разделяющий агент должен легко регенерироваться из нового, специально создаваемого азеотропа. Наиболее распространенный способ регенерации разделяющего агента — расслаивание нового азеотропа (разделяющий агент и отгоняемый с ним компонент должны обладать минимальной взаимной растворимостью).
 
===Экстрактивная ректификация===
В некоторых технологических процессах образуются смеси близких по химической природе компонентов, хотя и относящихся к различным классам, но характеризующихся весьма узким диапазоном температур кипения. Типичными примерами таких смесей являются продукты каталитического дегидрирования н-бутана в дивинил или изопентана в изопрен.
В данном случае сколько-нибудь четкое разделение методом обычной ректификации практически невозможно, тем более, что в смесях углево¬дородов С<sub>6</sub> образуются и некоторые азеотропы, например н-пентан—изопрен. Для разделения подобных смесей пользуются методом экстрактивной ректификации. Сущность этого приема, как и метода азеотропной ректификации, заключается в воздействии на относительную летучесть компонентов исходной смеси с помощью специально подобранных разделяющих агентов, по-разному взаимодействующих с соединениями различных классов (в данном случае с алканами, алкенами и алкадиенами). Однако в отличие от азеотропной ректификации, когда содержание разделяющего агента в колонне определяется составом его азеотропа с выделяемым компонентом, в процессе экстрактивной ректификации создается большой избыток разделяющего агента (70 - 80% мол.) по всей высоте колонны. Это достигается путем подачи разделяющего агента в верхнюю часть колонны и вывода его из куба. Чем выше содержание разделя¬ющего агента в жидкости, тем больше возрастает относительная летучесть исходной смеси по сравнению с соответствующей величиной в отсутствие разделяющего агента. Максимальное значение достигается в том случае, когда с одним компонентом заданной смеси разделяющий агент образует полностью расслаивающуюся, а с другим идеальную систему. Следует отметить, что если для азеотропной ректификации образование азеотропа с выделяемым компонентом — необходимое условие, то для экстрактивной ректификации азеотропизм является скорее нежелательной помехой. С учетом этого обстоятельства, а также с целью упрощения стадии рекуперации разделяющего агента из кубового продукта колонны экстрактивной ректификации в качестве разделяющих агентов обычно применяют малолетучие жидкости. Эффективность разделяющего агента определяется различием во взаимодействии его молекул с разделяемыми компонентами, которое, как правило, имеет весьма сложный характер (водородные связи, взаимодействие диполей, индукционный и дисперсный эффекты и т. д.).
 
===Солевая ректификация===
Изменение относительной летучести компонентов в смеси может быть достигнуто введением в смесь солей минеральных или органических кислот либо их растворов. При ректификации в присутствии солей (солевой ректификации) можно достигнуть того же эффекта, что и при экстрактивной - разделять смеси, компоненты которых имеют очень близкие температуры кипения, а также образуют азеотропы.
Установка для солевой ректификации отличается от обычной тем, что флегма, поступающая из дефлегматора, разделяется на два потока: один направляется на верхнюю тарелку колонны, а второй поступает в аппарат с мешалкой для растворения соли. Раствор подается на третью или четвертую тарелку, считая от верха колонны, и выводится с кубовой жидкостью. Соль может быть регенерирована.
К солевой ректификации применимы методы расчета обычной ректификации.
Солевая ректификация используется для обезвоживания этилового, пропилового и изопропилового спиртов, концентрирования водно-формальдегидных растворов низкой концентрации, концентрирования соляной, азотной, уксусной кислот. В некоторых случаях в качестве разделяющих агентов применяются растворы щелочей.
 
 
▲==Применение==
Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения [[ректификат|ректификованного этилового спирта]], с отделением [[сивушные масла|сивушных масел]] и альдегидных фракций, для выделения [[бензин]]ов, [[керосин]]ов и других фракций из [[нефть|нефти]], а также получения компонентов [[воздух]]а ([[кислород]]а, [[азот]]а, [[инертный газ|инертных газов]]).
 
Строка 67 ⟶ 12 :
 
==Литература==
*Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. - М.: Наука, 1981. - 320 с.
 
*Огородникова С.К. Справочник нефтехимика. - Л.: Химия, 1978. - с.272
[[Категория:Методы разделения]]
*Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1967. - 657с.
 
*Танатов М.А., Ахметшина М.Н. Технологические расчеты установок переработки нефти. - М.:Химия, 1987. - 43с.
[[en:Rectification#Chemistry]]
*Загидулин С.Х., Ложкин И.Г. Основное технологическое оборудование нефтеперерабатывающих заводов. - Пермь.:Издательство ПГУ, 2001.- 7с.
Источник — https://ru.wikipedia.org/wiki/Ректификация