Влаштування та дія ректифікаційних колон, їх типи - Промисловість, виробництво
6.2 Влаштування та дія ректифікаційних колон, їх типи
Ректифікація простих та складних сумішей здійснюється в колонах періодичної чи безперервної дії. Колони періодичної дії застосовують на установках малої продуктивності за необхідності відбору великої кількості фракцій та високої чіткості поділу.
Класична схема встановлення
Сировина надходить у перегінний куб на висоту близько 2/3 його діаметра, де відбувається підігрів глухою парою. У перший період роботи установки ректифікації відбирають найбільш леткий компонент суміші, наприклад бензольну головку, потім, підвищуючи температуру перегонки, компоненти з більш високою температурою кипіння (бензол, толуол і т.д.). Найбільш висококиплячі компоненти суміші залишаються в кубі, утворюючи кубовий залишок. Після закінчення процесу ректифікації цей залишок охолоджують та відкачують. Куб знову заповнюється сировиною та ректифікацію відновлюють. Періодичністю процесу обумовлені більші витрати тепла і менша продуктивність установки.
Установка безперервної дії позбавлена багатьох вказаних недоліків. Принципова схема установки.
Сировина через теплообмінник надходить у підігрівач і далі різні рівні ректифікаційної колони . Нижні фракції розігрівають у кип'ятильнику і скидають назад у колону ректифікації. При цьому найважча частина виводиться з кип'ятильника вниз колони і разом з рідким осадом на подальшу переробку важких фракцій. А легкі фракції зверху до конденсатора-холодильника, і далі з акумулятора частково назад у колону для зрошення, а частково — у подальшу переробку легких фракцій. Залежно від кількості одержуваних продуктів розрізняють прості та складніректифікаційні колони. У перших при ректифікації одержують два продукти, наприклад бензин і напівмазут. Другі призначені для отримання трьох та більше продуктів. Вони являють собою послідовно з'єднані прості колони, кожна з яких поділяє суміш, що надходить в неї, на два компоненти. У кожній простій колоні є відгінна та концентраційна секції. Відгінна, або отпарная, секція розташована нижче за введення сировини. Тарілка, на яку подається сировина для розподілу, називається тарілкою харчування. Цільовим продуктом відгінної секції є рідкий залишок. Концентраційна або зміцнююча секція розташована над тарілкою харчування. Цільовим продуктом цієї секції є пари ректифікату. Для нормальної роботи колони ректифікації обов'язкові подача зрошення наверх концентраційної секції колони і введення тепла (через кип'ятильник) або гострої водяної пари в отгонную секцію. Залежно від внутрішнього пристрою, що забезпечує контакт між висхідними парами і низхідною рідиною (флегмою), колони ректифікації діляться на насадкові, тарілчасті, роторні та ін. Залежно від тиску вони діляться на колони ректифікації високого тиску, атмосферні і вакуумні. Перші застосовують у процесах стабілізації нафти та бензину, газофракціонування на установках крекінгу та гідрогенізації. Атмосферні та вакуумні колони ректифікації в основному застосовують при перегонці нафти, залишкових нафтопродуктів і дистиляторів. Для рівномірного розподілу парів і рідини в насадкових колонах як насадку застосовують кулі, призми, піраміди, циліндри з різних матеріалів (зазвичай з пресованого вугільного пилу) із зовнішнім діаметром від 6 до 70 мм і відношенням площі поверхні до об'єму від 500. Насадку поміщають насипом на спеціальні тарілки з отворамидля проходження пари та стікання флегми. Метою застосування насадки є підвищення площі зіткнення флегми та пари для взаємного збагачення. Для правильної роботи насадкової колони дуже важливим є рівномірний розподіл стікаючої флегми і пари по всьому поперечному перерізу колони. Цьому сприяє однорідність тіла насадки, максимально можлива швидкість висхідного потоку парів, рівномірно розподілені шари насадки та строга вертикальність колони. Насправді досягнуте спочатку рівномірний розподіл пар і флегми порушується, т. до. пар прагне відтіснити рідина до стін колони і переміщатися через центр насадки. У зв'язку з цим насадка розбивається на кілька шарів, а тарілки, на яких розміщується насадка, мають спеціальну конструкцію, що дозволяє знову рівномірно перерозподіляти потоки після кожного шару насадки. Ефективність використання насадочних колон дуже висока але є і незручності: насадку періодично доводиться вилучати з колони з метою очищення від смолистих частинок з часом покривають насадку і погіршують її змочуваність, до того ж застосування насадкових колон висуває дуже жорстку вимогу витримки певного тиску пари і кількості . У разі падіння тиску пари в колоні відбувається прискорення стікання флегми та різке зменшення площі зіткнення пари та рідини. У разі перевищення тиску пари уповільнюється стікання флегми, що призводить до її скупчення у верхніх шарах насадки та замикання парів у нижній частині колони («захлину» колони). Це призводить до більшого підвищення тиску пари в нижній частині колони, і, в критичний момент, прорив пари крізь флегму у верхню частину колони. Наслідком «захлинування» колони також є різке зменшення площі дотикупара та рідини. У тарілчастих колонах підвищення площі зіткнення потоків пари і флегми застосовують замість насадки велика кількість тарілок спеціальної конструкції. Флегма стікає з тарілки на тарілку по трубах, причому перегородки підтримують постійний рівень шару рідини на тарілці. Цей рівень дозволяє постійно тримати краї ковпаків зануреними у флегму. Перегородки пропускають для стоку на наступну тарілку лише надлишок флегми, що надходить. Принципом дії тарілчастої колони є взаємне збагачення парів та флегми за рахунок проходження під тиском парів знизу вгору крізь шар флегми на кожній тарілці. За рахунок того, що пара проходить флегму у вигляді дрібних бульбашок площа дотику пари та рідини дуже висока. Конструкції тарілок різноманітні. Застосовують сітчасті, ґратчасті, каскадні, клапанні, інжекційні та комбіновані тарілки. Конструкцію тарілок вибирають виходячи з конкретних технологічних вимог (ступінь чіткості поділу фракцій, вимога до інтенсивності роботи, необхідність зміни внутрішньої конструкції колони, частота профілактичних та ремонтних робіт та ін.). переробку з попереднім відділенням найважчих фракцій нафти) застосовують роторні колони з високою продуктивністю. Тарілки такої колони являють собою конічні щитки з кутом нахилу 40°, з чергуванням тарілок закріплених до стінок колони і тарілок закріплених до центрального валу, що обертається. Таким чином тарілки, що обертаються, чергуються з нерухомими. Обертання тарілок походить від приводу зі швидкістю 240 об/хв. Флегма спускається зверху по нерухомій тарілці і біля центру переливається на нижчу тарілку, що обертається. Підвпливом відцентрової сили флегма переміщається по тарілці, що обертається, вгору до її периферії і у вигляді суцільної кільцевої плівки переходить на стінки корпусу колони і далі - на нижчу тарілку. Далі процес повторюється. Пари рухаються крізь флегму протитечією. До того ж велика кількість флегми постійно перебуває у зваженому стані, що призводить до високої випаровування самої флегми. Відстань між тарілками всього 8 – 10 мм, що дозволяє будувати дуже компактну колону із високим (понад 85%) ККД. У колону вводиться підігріта сировина, необхідна температура якої підтримується нагрівачем. Вказана конструкція дуже зручна у використанні, практично не вимагає ремонту та профілактичних робіт, довговічна і не настільки чутлива до змін температур та тиску вихідних компонентів.