1Литературный обзор
1.1Сущность экстрактивной ректификации
Экстрактивная ректификация (ЭР) – один из методов разделения азеотропных смесей и смесей компонентов с малой относительной летучестью, основанный на применении специально подобранного вещества – экстрактивного агента (ЭА), который увеличивает относительную летучесть компонентов исходной (базовой) смеси и, тем самым, способствует их разделению [2]. Рисунок 1 иллюстрирует типичный процесс экстрактивной ректификации.
1 – колонна экстрактивной ректификации; 2 – отгонная колонна; 3 – насос
Рисунок 1 - Типичная схема экстрактивной ректификации
Поток исходной смеси входит в среднюю часть колонны экстрактивной ректификации 1, в то время как разделяющий компонент вводится в колонну рядом с конденсатором. Компонент с более высокой летучестью, в присутствии растворителя (не обязательно компонент с более низкой температурой кипения) выходит верхним потоком, как относительно чистый дистиллят. Другой компонент смешивается с растворителем (экстрагируется) и выходит из колонны через нижний поток. Растворитель затем отделяют во втором блоке (отгонной колонне 2) от остальных компонентов, как правило, путем ректификации (или испарения), и возвращают в колонну ЭР [3].
Главными преимуществами экстрактивной ректификации являются [3]:
полная, автономная работа;
большая степень свободы в проектировании, что дает большую гибкость в реализации;
легкая управляемость и работоспособность;
продукты получают свободными от растворителя;
количество растворителя требуется обычно меньше, чем азеотропообразователя при азеотропной ректификации;
не весь растворитель должен испариться (растворитель получают в виде кубового продукта);
существенно меньшее энергопотребление, чем в азеотропной ректификации.
Недостатки рассматриваемого метода ректификации:
сравнительно низкая степень извлечения низкокипящих целевых компонентов, несмотря на наименьшие коэффициенты активности в растворителе;
низкая степень чистоты высококипящих целевых компонентов, остающихся в кубовом остатке (необходимость использовать более узкокипящие фракции по сравнению с экстракцией);
процесс основан на равновесии жидкость – пар, причем желательно, чтобы на всех тарелках колонны существовала лишь одна жидкая фаза;
использование менее селективных растворителей по сравнению с экстрагентами;
не пригодна для термически чувствительных материалов.
1.1.1Колонна экстрактивной ректификации
Колонна ЭР отличается от колонны «обычной» ректификации наличием дополнительной тарелки питания для ввода экстрагента (рисунок 2).
Рисунок 2 – Секции ректификационных колонн: а - "обычная" ректификация, б - экстрактивная ректификация (обозначения см. в тексте)
В обычной колонне отгонная, или исчерпывающая секция 2 расположена ниже ввода сырья. Тарелка, на которую подается сырье I, называется тарелкой питания. Целевым продуктом отгонной секции является жидкий (кубовый) остаток III. Укрепляющая секция 1, часто называемая секцией питания, расположена над тарелкой питания. Целевым продуктом являются пары ректификата II.
В колонне ЭР сырье I вводится в секцию питания колонны, а растворитель (экстрагент) IV на несколько тарелок ниже верха колонны. Над точкой ввода экстрагента расположена секция извлечения растворителя 3, а остальная часть колонны – экстрактивная секция 4. Экстрактивная секция в свою очередь разделяется на поглотительную секцию 5 и отгонную 6. В поглотительной секции 5 высококипящий компонент абсорбируется из паровой фазы, а в отгонной – низкокипящий компонент II отгоняется из смеси растворителя и высококипящего компонента [4]. С низу колонны отбирается смесь высококипящего компонента и экстрагента V.
Принципиально колонна ЭР конструктивно может не отличаться от колонны «обычной» ректификации кроме наличия в ней дополнительной тарелки питания, как это описано выше. Однако эффективность работы колонны ЭР увеличивается при внесении некоторых конструктивных изменений, обусловленных существенно большим, чем в обычной колонне, потоке жидкой фазы.
Так, колонна ЭР (рисунок 3), предложенная в [5] работает следующим образом. Пар в колонну 1 движется снизу вверх, а жидкость (флегма) движется сверху вниз. Растворитель вводится на тарелку 2 по коллекторам 6 в месте слива жидкости из сливных устройств. На тарелке 2 происходит смешение растворителя с флегмой с пенообразованием вследствие действия поверхностно-активных примесей в растворителе и дополнительное испарение флегмы за счет теплоты смешения растворителя с жидкостью, взаимодействие поднимающихся паров и жидкой смеси и массообмен между ними.
Рисунок 3 – Строение колонны экстрактивной ректификации (обозначения см. в тексте) [5]
Таким образом, интенсивное пенообразование происходит на тарелке, на которую подается растворитель, а для обеспечения слива большого объема жидкости (парожидкостной эмульсии) с малой плотностью с этой тарелки сечение сливных устройств увеличено в 5 - 6 раз по сравнению с вышележащими нормализованными тарелками, и расстояние до нижней глухой тарелки также увеличено в 3 раза. Расстояние между глухой тарелкой 4 и нижележащей обычной тарелкой 2 выполняется обычным, как и между вышележащими нормализованными тарелками, так как с глухой тарелки 4 будет стекать ответленная жидкость без пены.
Утроенное расстояние между тарелкой 2, на которую подается растворитель, и нижележащей глухой тарелкой 4 позволяет использовать для экстрактивной ректификации обычные с нормализованными тарелками ректификационные колонны, удалив при этом на уровне ниже ввода растворителя в колонну две нормализованные тарелки и установив одну глухую тарелку, при этом будет совпадать чередование периферийных и центральных сливов двух- и многопоточных тарелок и диаметральное расположение однопоточных тарелок [5].
Также известна колонна ЭР, в которой растворитель вводится в сливные карманы колонны. Сливной карман – это зона, в которую сливают жидкость с тарелки, снабженный переливной перегородкой, обеспечивающей определенную высоту слоя жидкости на тарелке, сепарационной частью, где происходит отделение пара от жидкости, и переливными трубами, по которым жидкость сливают на следующую тарелку [6].
Множество работ [6,7] посвящено колонне ЭР с разделительной перегородкой. Оптимальная экономическая конструкция колонны, с разделяющей перегородкой была основана на минимизации общей суммы расходов, которые включает в себя энергию и капитальные затраты. Тем не менее, наиболее распространенным положение в промышленном осуществлении колонны с разделительной перегородкой.
Колонна должна быть рассчитана на максимальную нагрузку пара в каждой из секций. Для того чтобы рассчитать стоимость колонны, предварительно рассчитывается диаметр каждой из трех секций экстрактивной колонны на основе скорости паров. Обычно общее число тарелок в колонне с разделительной перегородкой [7] колеблется в пределах от 51 до 57.
Технология колонны с разделительной перегородкой хорошо зарекомендовала себя для реконструкции установок, увеличения производительности, повышения качества и выхода продукции. Перевооружение существующего оборудования может быть проведено в течение лишь одной недели, т. е. в ходе кратковременной остановки при низких потерях продукции [8].
Использование колонны с разделительной перегородкой и ее термодинамические преимущества, которые обеспечивают уменьшение инвестиций на макс. 20 %, снижение энергозатрат на макс. 35 %, уменьшение требуемой площади на макс. 40% [9].