Расчёт ректификационной колонны для разделения бинарной смеси метиловый спирт - вода

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давление стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

 

В процессе ректификации контролируются расходы, давления, температуры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных приборов (КИП).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.  8. Установка ректификационная.  Технологическая схема с КИП и А.

 

 

 

 

 

 

1.4. Устройство, принцип  работы основного аппарата

 

В промышленности применяют  тарельчатые, насадочные, пленочные  трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущественное использование  тарельчатых колонн в процессах  перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

При выборе ректификационной колонны для проектируемого разделения следует иметь в виду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дороже соответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимость насадочных колонн возрастает значительно быстрее. Приблизительно можно считать, что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметра, а колпачковой - диаметру в первой степени. Следовательно, за пределами некоторого граничного значения диаметра использование тарельчатых колонн должно быть более экономичным.

Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не более 0,8 м. При дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность колонны резко снижается.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазного контакта,

что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой.

 Помимо этого выбор  типа контактного устройства  определяется и такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.

Ректификационная колонна - аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых  имеют различную температуру  кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные  колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел  и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами – кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в  пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны (см. рис. 9.). Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих  колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3–1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

 

Рис. 9. Варианты установки дефлегматоров: а – на колонне; б – ниже верха колонны; 1 – дефлегматоры; 2 – колонны; 3 – насос.

 

Дефлегматор, предназначенный  для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

В случае частичной конденсации  паров в дефлегматоре его располагают  непосредственно над колонной, чтобы  обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор наверх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации  паров в дефлегматоре его устанавливают  выше колонны, непосредственно на колонне  или ниже верха колонны для  того, чтобы уменьшить общую высоту установки.

В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом.

Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке  ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

 

1.4.1. Барботажные колонны

 

Барботажные колонны  применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно высокое гидравлическое сопротивление – в условиях ректификации не имеет такого существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

1.4.2. Насадочные колонны

 

В этих колоннах (см. рис. 10) используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления  вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне  не требуется отводить тепло, как  в абсорберах. Поэтому трудность  отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем  недостатком насадочных колонн в  условиях процесса ректификации.

Однако и при ректификации следует  считаться с тем, что равномерное  распределение жидкости по насадке  в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8–1 м.

В насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь, возможно, большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;

2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь, возможно, большее значение свободного объема или сечения насадки;

3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу;

4) иметь малую плотность;

5) равномерно распределять орошающую жидкость;

6) быть стойкой к агрессивным средам;

7) обладать высокой механической прочностью;

8) иметь невысокую стоимость.

 

Рис. 10. Насадочная ректификационная колонна с кипятильником: 1 – корпус; 2 – насадка; 3 – опорная решетка; 4 – перераспределитель флегмы; 5 – патрубок для слива кубового остатка; 6 – кипятильник; 7 – ороситель.

 

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли  всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных  по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса ректификации.

 

1.4.3. Пленочные аппараты

 

Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала.

К числу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны  с регулярной насадкой в виде пакетов  вертикальных трубок диаметром 6–20 мм (многотрубчатые колонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной из перфорированных металлических листов или металлической сетки. Одна из распространенных конструкций роторно–пленочных колонн показана на рис. 11.

Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из–за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые колонны с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких колоннах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В колоннах с плавающей  насадкой возможно создание более высоких  скоростей, чем в колоннах с неподвижной  насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3–5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.

 

Рис.11. Схема роторно–пленочной ректификационной колонны:

1 – колонна; 2 – рубашка для  обогрева; 3 – ротор; 4 – роторный испаритель; 5 – конденсатор–дефлегматор; 6 – штуцер для ввода исходной смеси; 7 – штуцер для ввода флегмы; 8 – штуцер для ввода пара; 9 – штуцер для вывода остатка.

 

 

 

1.4.4. Центробежные ректификаторы

 

Для интенсификации массообмена  и повышения эффективности разделения были предложены аппараты, работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Центробежный пленочный  ректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается с большой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты, ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит на поверхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает и турбулизацией потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность  устройства, центробежные ректификационные аппараты могут быть успешно применены  при разделении смесей, требующем очень большого числа тарелок.

 

1.4.5. Тарельчатые колонны