3.3.1.2 Технологический расчет массообменных процессов

Технологический расчет массообменных процессов рассмотрим на примере ректификации – наиболее распространенном методе разделения гомогенных смесей, компоненты которых различаются температурами кипения. При бинарной ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную легколетучим или низкокипящим компонентом (НКК), отбираемый с верха колонны, и кубовый остаток - смесь, обогащенную труднолетучим или высококипящим компонентом (ВКК), отбираемым с куба. Многокомпонентную смесь в ректификационной колонне можно разделить либо на две узкие фракции, содержащие НК компоненты и ВК компоненты, либо в чистом виде выделить только один компонент – или НКК, или ВКК.

При ректификации степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

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 ректификации объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

При выборе ректификационной колонны для проектируемого процесса разделения следует иметь ввиду, 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.

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.

Некоторые типы тарелок и области их применения указаны в таблице 3.10, в таблице XI приложения приведена сравнительная характеристика тарелок.

Таблица 3.10 – Типы тарелок и области их применения

Типы	Диаметры	Область применения
Ситчатые	От 400 до 4000 мм	Для процессов, протекающих при любом давлении и стабильных режимах. Диапа­зон устойчивой работы тарелок — 2
Ситчато-клапанные		Для процессов, протекающих преимущественно под вакуумом и атмосферном давление. Диапазон устойчивой работы тарелок — 3—3,5
Клапанные; колпачковые		Для процессов, протекающих, преимущественно при атмосферном и повышенном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок —3,5
Жалюзийно-клапанные	От 1000 до 4000 мм	Для процессов, протекающих преимущественно при атмосферном и повышенном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок — 4,5
Колпачковые	От 400 до 4000 мм	Для процессов, протекающих при любом давлении и нестабильных режимах. Диапазон устойчивой работы тарелок — 4,5
П р и м е ч а н и е. Диапазон устойчивой работы —отношение максимально допусти­мого значения фактора паровой нагрузки к минимально допустимому. Область устойчивой работы тарелок определяется по ОСТ 26-01-125 — 31

Техническая характеристика тарелок колонных аппаратов приведена в нормативных документах. Так, основные размеры колпачковых тарелок указаны в ОСТ 26-01-66 — 81, ситчатых, ситчато-клапанных и клапанных тарелок — в ОСТ 26-01-108 —79, решетчатых тарелок — в ОСТ 26-02-2055 —и т.д.

Пример условного обозначения колпачковой тарелки колон­ного аппарата диаметром 400 мм, высотой сливного патрубка 280 мм, с колпачками исполнения 1, высотой прорези колпачка 20 мм, расстоянием h_д = = 15 мм, из стали 08X13:

Тарелка 400-280-1-20-15-08X13 ОСТ 26-01-66-81.

То же с колпачками исполнения 2, величиной зазора К = 5 мм, из стали ВСт3сп:

Тарелка 400-280-2-20-15-5-ВСтЗсп ОСТ 26-01-66—81.

Пример условного обозначения колпачковой тарелки колон­ного аппарата диаметром 1600 мм, высотой сливного листа 535 мм, с колпачками исполнения 1, высотой прорези колпачка 20 мм, расстоянием h_д = 25 мм из стали 12Х18Н10Т:

Тарелка 1600-535-1-20-25-12Х18Н10Т ОСТ 26-01-66—81.

Пример условного обозначения решетчатой тарелки диа­метром 3000 мм с шагом щелей 10 мм, изготовленной из стали 08X13 и уплотняющей прокладкой из асбестовой ткани:

Тарелка ТР3000-10-08Х13-А ОСТ 26-02-2055-79.

Пример условного обозначения ситчатой тарелки (тип 1), исполнения 1 (неразборной), диаметром 400 мм, длиной слив­ного патрубка 282 мм, высотой сливного порога 30 мм, диаметр отверстия 5 мм, из стали 08X13:

Тарелка 1-1-400-282-30-5-12-08X13 ОСТ 26-01-108—79.

Пример условного обозначения клапанной тарелки (тип 3), исполнения 3, диаметром 3600 мм, длиной сливного порога 740 мм, высотой сливного порога 25 мм, из стали 08Х22Н6Т:

Тарелка 3-3-3600-740-25-08Х22Н6Т ОСТ 26-01-108—79.

Ректификационная установка включает ректификационную колонну, теплообменные аппараты, емкости, насосы.

Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси изображена на рисунке 1.5.

Рисунок 3.6 – Схема ректификационной установки

Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 2 на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны.

Стекая вниз по колонне, жидкость, взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент.

Пар, обогащенный НК, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматор 3. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает в распределительный стакан 4, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистиллят) поступает в холодильник дистиллята 5 и далее в промежуточную емкость 7.

Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток — продукт, обогащенный ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 9.

Подогреватель исходной смеси, и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭЦ.

Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального ис­пользования теплоты.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами яв­ляются

- состав жидкости в верхней и нижней частях колонны;

- расход и температура исходной смеси;

- давление в верхней части колонны;

- температура и уровень жидкости в кубе.

Стабилизация состава жидкости в верхней части колонны осуществляет­ся путем изменения расхода флегмы, в нижней части колонны — расходом греющего пара.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавли­ваются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до тем­пературы кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой, чем температура кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

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).