А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 11

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

3.7 Ректифікація, фізична сутність і принцип процесу

Використання процесів багаторазової дистиляції є енергетично неви­гідним і не дозволяє розділити навіть бінарні розчини на практично чисті індивідуальні компоненти. Більш сучасним у багатьох відношеннях (у технологічному, апаратурному, енергетичному та ін.) є метод багато­разової дистиляції в одному апараті, що одержав назву ректифікації.

Ректифікація, як метод розділення складних розчинів на майже чис­ті індивідуальні компоненти, базується на процесах часткового випару рідких сумішей різного складу та часткової або повної конденсації пари. Ці процеси багаторазово повторюються на контактних пристроях шляхом протитечійного і багаторазового контактування парової і рідкої фаз нерівноважного складу. У результаті таких багаторазово повторю­ваних процесів, що відбуваються в колонних апаратах - ректифікацій­них колонах, висхідна парова фаза по висоті колони поступово збагачу­ється низькокиплячим компонентом і з верхньої частини колони відво-яться майже чиста пара НКК. З іншого боку, рідка фаза, що стікає по колоні зверху вниз, збагачується висококиплячим компонентом і знизу ректифікаційної колони виводиться практично чистий ВКК.

Таким чином, фізична сутність процесу ректифікації базується на багаторазовій протитечійній взаємодії парової і рідкої фаз нерівноваж-них концентрацій, у результаті якої на контактних пристроях відбува­ються процеси конденсації і випаровування фаз, а також термодифузій-ний масообмін речовинами між взаємодіючими фазами.

Процеси випаровування рідини, що чергуються і багаторазово по­вторюються, та конденсації отриманої пари проходять на спеціальних контактних пристроях, розміщених у вертикальному колонному апара­ті, що називається ректифікаційною колоною.

Схематичний устрій ректифікаційної колони безперервної дії для розділення бінарної суміші показано на рис. 3.5.

Ректифікаційна колона являє собою вертикальний циліндричний апарат, що закритий зверху кришкою і знизу днищем. По висоті колони на певній відстані одна від другої встановлені масообмінні контактні

пристрої - тарілки, або колона запов­нена насадкою.

Колона безперервної дії звичайно складається із двох частин: верхньої -зміцнювальної (концентраційної) 1 і нижньої - вичерпної (відгінної) 2.

Рис. 3.5 - Схема роботи ректифікаційної колони для розділення бінарної суміші:

1  - верхня (концентраційна) частина колони; 2 - нижня (відгінна) частина колони; 3 - конденсатор-дефлегматор; 4 - кип'ятильник-випарник

Початкова суміш надходить до колони звичайно підігрітою до тем­ператури кипіння та подається на та­рілку живлення, розташовану в сере­дній частині між нижньою і верхньою колоною. Пара, що утворюється при кипінні, піднімається вгору по ко­лоні та контактує з рідиною, що стікає зверху вниз. Під час руху пари із середньої частини колони у верхню частину відбувається процес поступового збагачення парової фази низькокиплячим компонентом. Висококонцентрована парова фаза виводиться із колони в конденса­тор - дефлегматор 3, отриманий в результаті конденсації конденсат частково виводиться як готовий продукт - дистилят, а частково пода­ється на верхню тарілку колони у вигляді флегми.

Подача флегми на верхню тарілку колони забезпечує в колоні ста­лість складу фаз, що взаємодіють на контактних елементах верхньої колони. При перетіканні флегми з тарілки на тарілку зверху вниз відбу­вається збідніння рідини низькокиплячим компонентом і збагачення висококиплячим компонентом.

На тарілці живлення досягаються концентрації речовини у фазах, що дорівнюють концентраціям початкової суміші.

У нижній кубовій частині колони відбувається процес вилучення (відгону) низькокиплячого компонента в парову фазу з початкової су­міші. Цей процес проходить за рахунок тепломасообміну між потоками стікаючої рідини і пари, що утворюється у нижній частині колони при випаровуванні рідини та піднімається вгору. Випаровування частини кубової рідини (ВКК) відбувається у виносному кип'ятильнику - випар­нику 4 у результаті подачі в нього гарячого теплоносія. Пари ВКК, що утворилися, подаються під нижню тарілку відгінної частини колони, контактують з рідиною, що стікає зверху, при цьому рідина кипить на тарілці та створює висхідний потік пари ВКК відповідної концентрації при температурі кипіння рідини на тарілці.

Отже, ректифікаційна колона являє собою тепломасообміний апарат, у якому по висоті колони знизу вгору на тарілках знижується температура кипіння рідини від максимальної в кубовій частині до мінімальної на верхній тарілці концентраційної колони. Унизу колони температура практично дорівнює температурі кипіння ВКК при відпо­відному тиску в колоні, на верхній тарілці колони температура практично дорівнює температурі кипіння НКК. На кожній тарілці колони встановлюється відповідна концентрація компонентів у рідині та відповідна температура кипіння рідини. Параметри роботи колони залежать від властивостей розділюваної суміші, тиску в колоні, типу контактних пристроїв і режиму роботи тарілки в певних гідро­динамічних умовах.

Принцип ректифікації. Схема протитечійної взаємодії потоків пари і рідини на тарілках ректифікаційної колони показана на рис. 3.6.

Якщо в кубову частину колони підвести тепло в кількості (), то рі­дина з концентрацією X] закипить і виділить парову фазу в кількості Єп складу У], збагачену НКК. Парова суміш поступає на контактний при­стрій - тарілку і барботує через шар рідини, що перебуває на тарілці. При взаємодії пари з рідиною відбувається часткова або повна конден­сація пари, при цьому концентрація НКК у рідині підвищується до ве­личини Х2 (при повній конденсації). Одночасно при конденсації пари виділяється теплота конденсації, під дією якої рідина закипає і виділяє нову парову фазу, збагачену НКК. Рідина, що кипить, при цьому збага­чується ВКК і по переливному пристрою перетікає вниз. Потік пари, що виділилася, з концентрацією У2 надходить на вище розміщену тарі­лку і процес конденсації пари - кипіння рідини повторюється.

Після багаторазового повторення процесу по висоті колони з верх­ньої тарілки виводиться пара з концентрацією НКК, що дорівнює Уд. Пара надходить у холодильник-конденсатор, де конденсується, утво­рюючи дистилят. Одночасно з нижньої частини колони відводиться ку­бовий залишок Є„, що представляє собою практично чистий ВКК.

Таким чином, контактні пристрої - тарілки ректифікаційної колони можна розглядати як свого роду тепломасообміні елементи конденса­торів - випарників, у яких одночасно протікають теплообмінні процеси (конденсації парової фази і випаровування рідини), та відбуваються ма­сообміні процеси між взаємодіючими паровою і рідкою фазами.

На рис. 3.6 б показаний хід процесів фазового переходу (випарову­вання і конденсації) на тарілках ректифікаційної колони в координатах діаграми температура - концентрація - X-У) при певному тиску.

Нижня крива Ть-1-2-3-4-5-6-Та відбиває зміну температур кипіння бінарного розчину на тарілках залежно від концентрації розчину.

Верхня крива ВСВЕЕИА відбиває температури конденсації та кон­центрацію компонентів у паровій фазі, що має рівноважний склад з киплячою рідиною. Горизонтальні лінії між кривими відображують процеси фазового переходу, що протікають на тарілках залежно від те­мператури і концентрації речовин у фазах.

Розглянемо роботу однієї з тарілок ректифікаційної колони (напри­клад, другої тарілки знизу). На цю тарілку знизу надходить парова фаза складу у] з температурою Т2 (т. 2 на рис. 3.6 б). При контакті пари з рі­диною на тарілці відбувається її часткова (процес 2 - с) або повна (про­цес 2 - П) конденсація, при цьому залежно від степеня кондесації пари на тарілці утворюється конденсат складу х3 = у2 (при частковій конден­сації) або уП (при повній конденсації пари). Процес конденсації супро­воджується виділенням тепла, тому рідина нагрівається та починається процес її випаровування. Відповідно до інтенсивності процесів тепло-масообміну на тарілці змінюється (звичайно знижується знизу уверх) температура кипіння рідини. На реальній тарілці положення т. с визна­чає співвідношення між робочими концентраціями речовини у фазах, при цьому за правилом важеля відрізок 2 - с визначає частку НКК, що перейшов у парову фазу, а відрізок с - В визначає частку НКК, що залишилась у паровій фазі. Процеси конденсації і випаровування на тарілках, що знаходяться вище, проходять за подібною схемою.

Положення точок (Ь, с, і, ...) на лініях кипіння - конденсації не є фі­ксованим і визначається швидкістю руху потоків (пари і рідини), швид­кістю випаровування (конденсації), температурою і концентрацією компонентів у фазах, а також конструкцією тарілки.

На реальних тарілках практично ніколи не досягаються значення рівноважних концентрацій НКК у фазах. На теоретичній тарілці конце­нтрація НКК у паровій фазі досягла б величини рівноважної концент­рації, що визначається положенням кривої конденсації БСВЕЕИЛ.

Звичайно, описана схема роботи ректифікаційної колони є певною мірою умовною, тому що температури на сусідніх тарілках відрізня­ються незначною величиною, а частки конденсованої та випарованої фази на тарілках залежать як від властивостей компонентів суміші, ма­сової витрати потоків і тиску в колоні, так і від конструкції та ефектив­ності роботи контактних пристроїв.

3.8 Принципова схема ректифікаційної установки

Принципова схема ректифікаційної установки безперервної дії для розділення бінарної суміші показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7- Схема ректифікаційної установки безперервної дії:

Потоки: А - вихідна суміш; Б - гріюча пара; В - вода; Г - конденсат гріючої пари; Д - дистилят; К - кубовий залишок;

1, 8, 13 - ємності-сховища; 2, 9, 14 - відцентрові насоси; 3 - підігрівач; 4, 5 - верх­ня і нижня частини ректифікаційної колони; 6 - кип'ятильник; 7 - холодильник; 10 - конденсатор; 11 - конденсатор-холодильник; 12 - концентратовимірник

Вихідна суміш із ємності-сховища 1 насосом 2 подається в підігрів­ник 3, де підігрівається насиченою водяною парою до температури кипіння, підігріта суміш подається в середню частину ректифікаційної колони на тарілку живлення.

Ректифікаційна колона безперервної дії складається із двох частин верхньої (концентраційної) частини 4 і нижньої (вичерпної) частини 5.

У нижній частині колони з рідини вилучається НКК при взаємодії на тарілках пари, що піднімається по колоні знизу уверх, зі стікаючою зве­рху рідиною. Пара в нижній частині колони утворюється за рахунок випаровування частини кубового залишку в теплообміннику-випар-нику 6, що обігрівається насиченою водяною порою. Кубовий залишок виводиться з нижньої частини колони, і після охолодження в холодиль­нику 7 надходить у ємність-сховище 8, звідки відцентровим насосом 9 відкачується на подальшу переробку.

У верхній частині колони відбувається підвищення концентрації парової фази НКК за рахунок взаємодії пари, що піднімається по коло­ні, зі стікаючою флегмою, що подається на верхню тарілку колони. Висококонцентрована пара НКК з колони надходить у конденсатор 10, де частково конденсуються, конденсат у вигляді флегми повертається в колону. Частина пари, що складається переважно із чистого НКК, по­ступає в конденсатор-холодильник 11, де повністю конденсується, при цьому отримують цільовий продукт - дистилят. Концентрацію дистиля­ту контролюють концентратовимірником 12, дистилят відводять у єм-ність-сховище 13 і насосом 14 відкачують на подальшу переробку.

Ректифікаційні установки звичайно є вельми енерговитратними, тому при проектуванні установок велику увагу приділяють утилізації тепла і автоматизації виробництва. Зокрема, існують установки, у яких теплота конденсації пари дистиляту використовується для підігрівання вихідної суміші.

3.9 Технологічний розрахунок ректифікаційної колони

В основу технологічних розрахунків ректифікаційної установки покладені рівняння матеріальних і теплових балансів. На базі рівнянь матеріальних балансів визначають масові витрати цільових продуктів залежно від загальної продуктивності колони, концентрації вихідної суміші і одержуваних продуктів.

На рис. 3.8 подана схема взаємодії матеріальних потоків у простій ректифікаційній колоні.

При розрахунку ректифікаційних колон приймають наступні допу­щення, що незначно змінюють умови протікання процесу, але значною мірою спрощують розрахунок:

1) вихідна (поділювана) суміш подається в колону на тарілку жив­лення підігрітою до температури кипіння, що виключає різкі зміни температур і концентрацій речовин у паровій і рідкій фазах;

2) концентрація НКК у парі, що виводиться з верху колони в дефле­гматор, і концентрація НКК у флегмі, що надходить з дефлегматора у колону, рівні між собою, тобто Уд = Хд ;

3) концентрація НКК у парі, що надходить у колону з кип'ятильника, дорівнює концентрації НКК у кубовій рідині, тобто У„ = Х„ ;

4) поділювана суміш підкоряється правилу Трутона, відповідно з яким відношення мольної теплоти випаровування (конденсації) речо­вини до її абсолютної температури кипіння для всіх речовин суміші є

rr

величиною сталою, тобто   — = — —

r

см

~ const.

ТТ Т

Звідси випливає, що мольна витрата пари, що піднімається (у кіло-молях) по висоті колоні у будь-якому її перетині, є величиною сталою. 3.9.1 Матеріальний баланс колони, вихід продуктів

Для простої ректифікаційної колони запишемо рівняння матеріаль­них балансів щодо маси взаємодіючих потоків

Gf = Gd + Gw, (3.26)

та щодо масових витрат компонентів поділюваної бінарної суміші

gukk = GfXf = GdXd + GwXw , (3.27)

GeKK = Gf (1 - xf ) = Gd (1 - xd ) + Gw (1 - xw ), (3.28)

відновідно, кг/с або кмоль/с; Gu

де Ор Осі, 0„ - масова (або мольна) витрата вихідної суміші, дистиляту і кубової рідини

'вкк - масова (мольна) витрата низькокиплячого (НКК) і висококиплячого (ВКК) компонентів у вихідній суміші відповідно, кг/с або кмоль/с; X/, хй х„ - концентрація НКК у вихідній сумі­ші, у дистиляті і у кубовому залишку відпові­дно, масові (або мольні) частки.

L,xd

Gd,*d

Gd — Gf (Xf щодо кубового залишку

Рис. 3.8 - Схема руху матеріальних потоків у простій ректифікаційній колоні для розділення бінарної суміші:

1 - верхня (концентраційна) частина ко­лони; 2 - нижня (відгонна) частина колони; 3 - конденсатор - дефлегматор; 4 - кип'я­тильник - випарник

Розв'язавши рівняння (3.26) і (3.27) спільно, отримали вихід продуктів розділення відносно маси вихідної бі­нарної суміші, а саме:

- щодо дистиляту

-х„)1(хё - х„), (3.29)

Gw Gf (Xd - Xf )/(Xd - Xw ).

(3.30)

При сталому режимі роботи ректифікаційної колони матеріальний баланс взаємодіючих потоків на окремій тарілці, виділеній у верхній частині колони, запишемо в наступному вигляді:

щодо потоків Gn+1 + Ln-1 - Gn + Ln, (3.31)

щодо низькокиплячого компонента

АМ - Gn+1 сІу - Ln -1 (-Зх), (3.32)

де АМп - масова витрата переданої речовини на тарілці, кг/з; Оп+і, Оп - масові витрати парової фази, що надходить на тарілку та відходить з тарілки відповідно; Ln+1, Ln - ма­сові витрати рідкої фази, що надходить на тарілку та виходить з тарілки відповідно; Зу, Зх - зміни концентрацій низькокиплячого компонента в паровій і рідкій фазі на та­рілці відповідно.

Масова витрата НКК, яким обмінялися парова і рідка фази в межах верхньої частини колони, відповідно дорівнює

АМв - Gp (у, - уї) - L (х, - хї), (3.33)

де уЗ - концентрація низькокиплячого компонента в паровій фазі на вході в колону і виході з неї відповідно; хз, - концентрація НКК у флегмі, що поступає в колону звер­ху, та у вихідній суміші на вході в середню частину колони відповідно.

Залежність (3.33) називають рівнянням матеріального балансу верх­ньої (концентраційної) частини ректифікаційної колони відносно НКК.

Звичайно вважають, що відведена з верхньої частини колони пара подається в дефлегматор і в ньому повністю конденсуються, а отрима­ний конденсат поділяється на два потоки: один з них виводиться як готовий продукт-дистилят, а інший - флегма повертається на верхню тарілку колони для її зрошення.

3.9.2 Робочі лінії процесу ректифікації

Для верхньої частини колони запишемо рівняння матеріального ба­лансу, що зв'язує між собою масові витрати потоків пари і рідини,

Gp - Gd + L , (3.34)

де Ор , - масова витрата пари, що піднімається по колоні, та продукту-дистиляту відповідно, кмоль/с (або кг/с); L - масова витрата флегми, що повертається в колону.

Записавши рівняння матеріального балансу НКК для концентрацій­ної частини колони від перетину 1 - 1 до верху, отримали

^ + L)(у, - ух) - L(х, - х1), (3.35)

де уь х1 - поточні концентрації НКК у паровій і рідкій фазі відповідно, мол.(мас.) част­ки; уЗ, хЗ - концентрації НКК у паровій фазі, що виходить з колони, та в дистиляті від­повідно, звичайно в розрахунках припускають уЗ = хЗ.

В технологічних розрахунках більш зручно представляти масові витрати потоків, що взаємодіють в колоні, відносно кількості дистиля­ту, що отримують як цільовий компонент, тобто витрати всіх потоків відносять до кількості отримуваного дистиляту.

В цьому разі відношення витрат флегми до дистиляту отримало назву флегмового числа ректифікаційної колони, тобто

Я = L Юз . (3.36)

Флегмове число показує, яка маса флегми повертається в колону на зрошення відносно одиниці маси дистиляту, що отримують в колоні. Подібним чином одержані також такі числа:

- число живлення колони Г = Є// Єа ;

- кубове число колони Ш = Є„ / Єа ; (3.37)

- парове число Р = Єр / Єа = (Ь + Є^) / Єа = Я + 1 . Число живлення показує масу вихідної суміші, що витрачається

для одержання одиниці маси дистиляту, кубове число показує відно­шення маси кубової рідини до одиниці маси одержуваного дистиляту, парове число показує масу пари, що рухається у колоні, віднесену до одиниці маси отримуваного дистиляту.

Рівняння матеріального балансу колони через числа має вигляд

Г = 1 + Ш. (3.37')

Отже, розділивши обидві частини рівняння (3.35) на витрату дисти­ляту і замінивши відношення Ь/Єа флегмовим числом, одержали рів­няння матеріального балансу верхньої (концентраційної) частини коло­ни в розрахунку на один кмоль (кг) одержуваного дистиляту:

(1 + Я)(у, - ух) = Я(х, - хх). (3.38)

З огляду на припущення уа = ха та після відповідної заміни, розв'язавши рівняння (3.38) відносно поточної концентрації НКК у па­ровій фазі, для верхньої частини колони одержали

Я х,

У =-х1 + *—. (3.39)

Залежність (3.39) називають рівнянням робочої лінії верхньої части­ни ректифікаційної колони. Це рівняння встановлює взаємозв'язок між поточними концентраціями НКК у паровій і рідкій фазі відповідно на різних тарілках по висоті колони. Як видно, це рівняння прямої лінії з кутовим коефіцієнтом нахилу, що дорівнює відношенню тв = Я/(Я + 1) та яка відтинає на осі ординат відрізок величиною Ьв = ха /(Я + 1).

Подібним чином, склали рівняння матеріального балансу нижньої (відгінної) частини колони від перетину 2 - 2 до низу колони, при цьо­му одержали

Єр(У2 - Ук) = (Є/ + Ь)(Х2 - хк), (3.40)

де Є/ - масова витрата вихідної суміші, що надходить у колону; Єр- масова витрата пари, що піднімається у нижній частині колони; у2, х2 - поточні концентрації НКК у паровій і рідкій фазі відповідно; уш х„ - рівноважні концентрації НКК у паровій і рід­кій фазі в кубовій частині колони, звичайно в розрахунках припускають у„= х„ .

Як відзначалося вище, одним з основних припущень, застосовува­них при розрахунку ректифікаційних колон, є допущення про сталість витрати мольної маси пари, що піднімається по колоні у будь-якому її перетині, і отже Єр= (Єа + Ь). З урахуванням припущення, обґрунто­ваного за допомогою рівнянь теплового балансу для окремої тарілки нижньої колони, рівняння (3.40) переписали в такому вигляді

(Є, + Ь)(у2 - ук) = (Є/ + Ь)(Х2 - хк) . (3.41)

Рівняння матеріального балансу можна представити в розрахунку на одиницю маси одержуваного дистиляту.

Так, замінивши масові витрати потоків через відповідні числа, рів­няння (3.41) можна представити у такому вигляді

(1 + Я)(у2 - ук) = (Г + Я)(Х2 - хк), (3.42)

де (1+Я) - витрата пари, що піднімається по колоні, в розрахунку на один кмоль дис­тиляту, що відводиться; (Г+Я) - витрата стікаючої рідини у відгінній частині колони в розрахунку на один кмоль одержуваного дистиляту; у2, х2 - поточні концентрації НКК у паровій і рідкій фазі відповідно; уда х,,, - концентрація НКК у парі та у кубовій рідині відповідно.

Згідно з припущенням приймають у„= х№ та після відповідної замі­ни, розв'язавши рівняння (3.42) щодо поточної концентрації НКК у паровій фазі по висоті нижньої (відгінної) частини колони, одержали

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв