Системы автоматизации ректификационной колонны

1)Информационно-литературный  обзор

1.1. Физико-химические основы ректификации

        Простейшими способами перегонки жидких смесей являются: 1) частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и 2) частичная конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата (простая конденсация). Каждый из этих процессов в отдельности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но, осуществляя оба эти процесса одновременно и многократно в противоточных колоннах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые, составляющие смесь компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсаций называют ректификацией.[1]

Процесс ректификации осуществляется в противоточных аппаратах-колоннах: пары перегоняемой жидкости протекают снизу вверх, а навстречу парам сверху вниз протекает жидкость, подаваемая в верхний элемент колонны. Между жидкой и паровой фазами возникает массообмен, вследствие которого пары по мере их продвижения по колонне обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость—менее летучим компонентом. В конечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой более или менее чистый легколетучий компонент, конденсация которого дает готовый продукт—д истиллят, а из нижней части колонны вытекает сравнительно чистый менее летучий компонент, так называемый кубовый остаток, который, так же как и дистиллят, может быть конечным продуктом перегонки.

 

Жидкость, поступающую на орошение колонны, называют ф л е г м о й; ее получают путем конденсации паров, поднимающихся из верхней части колонны, в специальных конденсаторах—д е ф л е г м а т о р ах. Для образования паров нижний элемент колонны снабжают греющими приспособлениями в виде змеевиков или трубчаток, в которые и подводят необходимое количество тепла, в большинстве случаев с греющим водяным паром.

Степень разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а последнее определяется количеством орошаемой жидкости—флегмы и конструктивным оформлением аппарата.

Наиболее наглядно процесс ректификации можно проследить на схеме тарельчатой колонны (рис.1). Колонна состоит из ряда горизонтально расположенных перегородок-тарелок, имеющих большое число отверстий и переливные трубки, верхние концы которых выступают на 30—50 мм выше тарелки, а нижние—находятся в жидкости на нижележащей тарелке, что обеспечивает поддержание на тарелках определенного постоянного уровня жидкости. На нижнюю тарелку поступает пар из куба колонны, а сверху подается флегма

                                         

 

Рис.1.1.Схема ректификационной тарельчатой колоны:

1,2,3,4,5,6 - тарелки колонны

 

        На тарелке 1 жидкость содержит х1 легколетучего  компонента. Из этой жидкости выделяется пар, содержание легколетучего компонента в котором в пределе соответствует равновесному составу у1, причем у1>x1. Этот пар проходит в отверстия тарелки 2 и, соприкасаясь на ней с жидкостью, имеющей более низкую температуру по сравнению с температурой жидкости на тарелке 1, частично конденсируется, вследствие чего содержание х2 в жидкости на тарелке 2 будет больше х1.  Из этой жидкости образуется пар, состав которого в пределе будет равен равновесному составу у2 жидкости, причем у2>х2. Проходя в отверстия тарелки 3, этот пар частично конденсируется и на тарелке 3 жидкость содержит компонент х3>х2 и т. д.

       На каждой тарелке проходит массообмен между жидкой и паровой фазами, в результате чего часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую. При многократном повторении процессов испарения и конденсации или, иначе говоря, при соответствующем числе тарелок можно получить в конечном итоге вверху колоннны пар чистого легколетучего компонента, а внизу колонны — остаток жидкости в виде чистого менее летучего компонента.

        Теоретически каждая тарелка колонны представляет собой ступень изменения концентрации; состав пара при выходе с тарелки равен равновесному составу жидкости при входе ее на тарелку и, следовательно, теоретически число тарелок равно числу ступеней изменения концентрации для каждого данного случая перегонки. Практически пар на тарелке равновесного состояния не достигает, и поэтому число реальных тарелок всегда будет больше теоретического числа ступеней изменения концентрации.

         Ректификацию проводят как под атмосферным давлением, так и при давлениях выше и ниже атмосферного. Давления выше атмосферного применяют в тех случаях, когда разделяемая смесь при атмосферном давлении находится в газообразном состоянии; ректификацию при пониженных давлениях (под вакуумом) проводят для разделения высококипящих смесей.

        Уравнение материального баланса:

 

 (1.1)

где - производительность колонны по исходной смеси,    производительность колоны по дистилляту и кубовому остатку кг/с; , , - соответственно содержания легколетучего компонента (бензола) в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке в массовых долях.

Приблизительно рабочее флегмовое число можно оценить по  формуле:

, (1.2)

где – минимальное флегмовое число.

 (1.3)

где и – мольные доли низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; – мольная доля низкокипящего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью .

Задаются 5-6 значениями коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,05 до 5. Рассчитывают для каждого фиксированного значения флегмовое число R. Для каждого R, на y-x диаграмме строят рабочие линии (прямые) для верхней и нижней частей колонны. Затем графически определяют число теоретических тарелок для каждого варианта рабочих линий. Определяют значение функционала для каждого случая. Полученные точки соединяются плавной линией. По графику определяют, при каком достигается минимальное значение функционала .

Уравнения рабочих линий показывают какая мольная доля низкокипящего компонента находится в парообразной и жидкой фазе, взаимодействующих между собой, в различных точках колонны. Уравнения рабочих линий являются следствием уравнений материального баланса:

 (1.4)

 (1.5)

где – относительный мольный расход питания:

 (1.6)

Как видно, уравнений (1.4)-(1.5) при постоянных и являются уравнениями прямых в осях диаграммы. Линия для верхней части колонны проходит через точку , расположенную на пересечении диагонали и перпендикуляра восстановленного из точки на оси . Аналогично, рабочая линия для нижней части колонны проходит через точку , расположенную на пересечении диагонали и перпендикуляра восстановленного из точки на оси . Кроме того, продолжение линии для верхней части колонны отсекает на оси отрезок размером .

Таким образом, для построения рабочих линий необходимо рассчитать длину отрезка . Построить рабочую линию для верхней части колонны (через точки и ). Получить точу пересечения рабочей линии верхней части и перпендикуляра . Построить рабочую линию нижней части колонны (через точки  и ).

Для определения числа теоретических тарелок между рабочей линией и равновесной вписывается ломаная кривая, а затем подсчитывается число ступеней с учетом неполных ступеней.

Учитывая, что описанных построений по диаграммам необходимо выполнить 5÷6 штук, необходимо изготовить несколько диаграмм, для обеспечения надлежащего качества построений и возможности проверки. Допускается на одной диаграмме выполнить до 2-3-х построений.

Рис1.2

 

B процессе ректификации тепло расходуется на подогрев начальной смеси до ее температуры кипения и на кипячение смеси в кубе колонны.

Определяя расход тепла на парообразование в кубе колонны, необходимо учесть наличие флегмы GxGp кгс, причем в случае периодической ректификации следует брать среднее значение флегмового числа и среднее значение температуры паров, поднимающихся с верхней тарелки колонны.

Уравнение теплового баланса ректификационной колоны:

                          Qf+Qкип=Qw+Qд+Qпд+Qп                                                       (1.7)

 Qf– еплосодержание смести в кубе колонны после ее подогрева до температуры кипения;

Qw – теплосодержание остатка в кубе;

Qд – тепло, отдаваемое флегмой охложающей воде в дефлегматоре;

Qпд – тепло, уносимое парами дистиллята;

Qп– потери тепла в окружающую среду;

1.2.Схемы ректификации

Для ректификации используються следующие схемы:

а)Периодическая ректификация. В периодически действующей ректификационной установке (рис. 3) перегоняемую смесь загружают в куб 1, нагревают глухим паром до температуры кипения и затем непрерывно поддерживают состояние кипения. Образующийся в кубе пар поступает в колонну 2 (так называемую укрепляющую колонну), где происходит процесс ректификации.

                  

Рис. 3. Схема периодически действующей ректификационной установки: 1—куб; 2—колонна; 3—дефлегматор; 4—холодильник-конден- сатор; 5—сборник дистиллята.

Поднимающийся с верхней тарелки пар направляется в дефлегматор 3, где часть его конденсируется и в виде жидкости—флегмы стекает обратно на верхнюю тарелку для орошения колонны. Несконденсировавшиеся пары из дефлегматора поступают в холодильник 4, где они полностью конденсируются, и полученный жидкий дистиллят охлаждается до заданной температуры. Из холодильника дистиллят поступает через контрольный фонарь в сборник 5. По ареометру, который находится в фонаре, контролируют конденсацию дистиллята по удельному весу. Наблюдая через фонарь за протеканием дистиллята, регулируют скорость перегонки.

Если при перегонке нужно отобрать несколько фракций с различной температурой кипения, то устанавливают несколько сборников дистиллята (по числу фракций) и по мере протекания перегонки собирают фракции в отдельные сборники.

Ректификацию в периодически действующей колонне ведут до тех пор, пока не получат в кубе жидкость заданного состава, после чего обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборники, а в куб загружают новую порцию начальной смеси, которую снова перегоняют до получения дистиллята заданного состава.

б)Непрерывная ректификация. Для непрерывного протекания процесса ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большей концентрацией труднолетучего (высококипящего) компонента, чем в смеси.

Поэтому в установках для непрерывной ректификации (рис. 3) колонны выполняют из двух частей: нижней 1 (и с ч е р п ы в а ю щ е й) и верхней 3 (укрепляющей). В исчерпывающей части колонны происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, а в верхней—обогащение поднимающихся вверх паров легколетучим компонентом.

Начальная жидкая смесь непрерывно поступает из напорного резервуара 4 на верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны (так называемую п и тате л ь- н у ю тарелку). Проходя до колонны через подогреватель 2, смесь подогревается обычно до температуры кипения на питательной тарелке. На питательной тарелке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая по тарелкам, взаимодействует с поднимающимся навстречу паром, более богатым труднолетучим (высококипя- щим) компонентом; При этом из жидкости удаляется легколетучий (низкокипящий) компонент.

 

 

                                           

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1—исчерпывающая часть колонны; 2—подогреватель «сходной смеси; 3—укрепляющая часть колонны; 4— напорный резервуар; 5—дефлегматор; 6—холодильник- кондеисатор; 7—сборник дистиллята; 8—сборник кубового остатка; 9— контрольный смотровой фонарь.

Таким образом, в исчерпывающей части колонны происходит процесс ректификации (исчерпывания) жидкости. В нижний элемент колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из труднолетучего компонента. Часть ее, так называемый кубовый остаток, непрерывно отводится, а остальная часть испаряется за счет тепла глухого греющего пара, подводимого в нижний элемент колонны (кипятильник).

Пар поднимается по всей колонне снизу вверх, обогащается легколетучим компонентом и поступает в дефлегматор 5. Здесь часть пара конденсируется и возвращается в колонну, где стекает в виде флегмы сверху вниз. Другая часть пара поступает в холодильник-конденсатор 6, где происходят его конденсация и охлаждение полученного дистиллята; дистиллят направляется в сборник 7. Греющий пар подводится в змеевик, установленный в кубе колонны; из куба непрерывно стекает в сборник 8 остаток от перегонки, т. е. почти чистый менее летучий компонент.

 

Так как исходная смесь поступает на ректификацию непрерывно, то при установившемся состоянии состав жидкости и пара на каждом участке колонны остается неизменным. В некоторых случаях в дефлегматоре производится конденсация всех паров, поднимающихеячиз колонны. Полученный конденсат делится на две части: одна часть поступает в виде флегмы обратно в колонну, другая же направляется в холодильник, где охлаждается до заданной температуры дистиллята.

Для сокращения расхода пара иногда используют теплоту конденсации в дефлегматоре и теплоту отходящей жидкости из колонны для нагрева начальной смеси, поступающей в колонну, до температуры ее кипения. Однако ввиду сложности регулирования процесса целесообразно использовать теплоту конденсации для других целей, а не непосредственно на работу колонны.

 

Рис.5. Схема установки для ректификации трехкомпонентных смесей.

При непрерывной ректификации смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно сложнее, так как требуется колонна с дефлегматором для каждого добавочного компонента, и эта колонна также должна состоять из двух частей - исчерпывающей и укрепляющей.

При непрерывной ректификации смеси, состоящей из трех компонентов, каждый из которых надо выделить в более или менее чистом виде, возможны два варианта установки, показанные на рис. 5. В обоих случаях сначала в одной колонне отделяют один компонент от двух остальных, а затем в другой колонне разделяют эти два компонента друг от друга.