Режимы работы колонны.

В ректификационной колонне можно выделить:

1. Режим минимального орошения

2. Режим рабочего орошения

3. Режим полного (максимального) орошения

1 При режиме минимального орошения на орошение колонны подается минимальное количество флегмы, которая образуется за счет минимального отвода тепла. Этот режим характерен минимальным флегмовым числом, которое можно определить по выражению:

у_с и х_с – координаты F^*m

C

x_w

B_min

А_min

х₁

у₁

D(y_д; y_д)

W(x_w;x_w)

ОПК

F

F*

Если концентрационная секция колонны работает в режиме орошения, то и отгонная секция будет работать в этом же режиме, который характеризуется минимальным паровым орошением, т. е. подается минимальное количество пара, минимальным подводом тепла и минимальным паровым числом, которое определяется:

ОПК – область предельных концентраций.

При минимальном орошении вблизи зоны питания образуется ОПК, т. е. области, в которых изменение концентрации при переходе от одной тарелки к другой не наблюдается.

N_TT→∞

Т. к. N_TT→∞, то в этом режиме реальная колонна не работает, т. е. для действия колонны флегмовое и паровое число должны превышать их минимальное значение (2). Это превышение характеризуется кратностью орошения:

3 При этом режиме работы колонны флегмовые и паровые числа будут максимальными.

П→∞

R→∞

Колонна работает «сама на себя».

W(x_w;x_w)

D(y_д; y_д)

y₁

x_w

x₁

x_w

1. Режим полного орошения позволяет определить наибольшую четкость разделения.

2. Зная N_min, можно определить число теоретических тарелок при рабочем режиме (по графику Джилли - Ленда).

Уравнение Фенске – Андервуда.

α – средний коэффициент относительной летучести

Расчет геометрических размеров колонны.

Этот расчет включает:

1. определение диаметра колонны (D_к)

2. высоты колонны (Н)

3. диаметра штуцеров (d)

1. D_к определяют по наибольшему нагруженному по парам сечению (из уравнения расхода).

G^конц=g+D – материальный баланс

R=g/D; G^конц=D(R+1), кг/ч

G^отг=ПW; кг/ч

Дальнейший расчет ведется по большему из полученных значений

, м;

V_c, м³/с – объемный секундный расход пара наибольшего нагруж. сечения

ω – линейная скорость, м/с

G_доп – допустимая массовая скорость, кг/м²с

, м³/с

М – мольная масса парового потока

П₀; Т₀ – нормальные условия

Т; П – температура и давление в рассчитываемом сечении

Скорость определяется по уравнению Саудерса – Брауна:

, м/с

, кг/(м²с)

с – коэффициент, величина которого зависит от расстояния между тарелками (Δh) и коэффициента поверхностного натяжения (σ)

с=f(Δh; σ)

«с» определяем графически

С, м/с

σ₁ σ₂

Δh, м

Полученное значение D_к сравнивается с нормальным рядом и принимается ближайшими значениями.

Нормальный ряд D_к: до 4000 мм отличается на 200 мм и принимается четное;

от 4000 до 6000 мм отличается на 500 мм;

после 6000 мм отличается на 1000 мм.

2 .

h₁

h_k

h₂

h₃

Δ h

h₁ – расстояние от верхней точки колонны до тарелки

h_k – высота конц. секции

h₂ – высота зоны питания

h_от – высота отгонной секции

h₃ – расстояние от последней колонны до нижней точки колонны

Число реальных тарелок:

η – зависит от конструкции тарелок и гидравлического режима

Δh – расстояние между тарелками.

При D_к<0,8 м; Δh, мм

0,8≤ D_к ≤6 250…300 м

D_к≥6 450… 600 м

600…700 м

, м

3 . 2

3

1

5

4

1 – ввод сырья

2 – вывод парового потока

3 – ввод флегмы

4 – вывод кубовой жидкости

5 – ввод парового орошения

V_c – объемный секундный расход, проходящий через рассчитанный штуцер, м³/с

ω – линейная скорость потока. Принимается в зависимости от агрегатного состояния потока, м/с

пар давление

ω

жидкость способ подачи

вязкость

АЗЕОТРОПНАЯ И ЭКСТРАКТИВНАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

1. Применение разделяющего агента для ректификации близкокипящих компонентов

Легкость разделения компонентов при ректификации зависит от величины коэффициента относительной летучести , чем больше разница в температурах кипения компонентов, тем α больше.

Для компонентов с близкими температурами кипения величина а незна­чительно отличается от 1 и процесс разделения компонентов ректификацией затрудняется: для обеспечения заданной чёткости ректификации требуется большее число тарелок и большее флегмовое число.

При разделении близкокипящих смесей даже при большом числе тарелок и большом флегмовом числе трудно достигнуть высокой чёткости разделения.

Для компонентов с одинаковой температурой кипения и для нераздельно кипящих (азеотропных) смесей α=1, поэтому их нельзя разделить обычной ректификацией. Влияние величины коэффициента α на необходимое число теоретических тарелок при 6.6. флегмовом числе характеризуется графиком, изображённом на рисунке.

Чёткость разделения компонентов оценивают величиной фракционирующего фактора Е

Кривые на графике показывают, что необходимое число тарелок при данной чёткости разделения резко уменьшается при > α=1,03…1,2. Так, при Е=10 изменение а в этих пределах приводит к уменьшению числа тарелок от 120 до 13. При дальнейшем увеличении число тарелок сокращается в меньшей степени.

Чем выше чёткость разделения, тем выше значения фракционирующего фактора и тем более эффективно оказывает влияние увеличения коэффициента относительной летучести на число тарелок.

Величина коэффициента относительной летучести может быть увеличена путём изменения давления в ректификационной колонне.

Понижение давления при ректификации будет повышать эффективность этого процесса для тех систем, для которых уменьшение давления сопровождается увеличением и наоборот.

Для некоторых смесей величина α может быть увеличина путём добавления к этой смеси третьего компонента, называемого разделяющим агентом и обладающего различной растворимостью по отношению к разделяемым компонентам.

Из-за различной растворимости разделяемых компонентов в третьем они , по разному отклоняются от законов идеальных растворов и ведут себя поэтому как компоненты в большей степени отличающиеся по летучести, чем это было в отсутствии третьего компонента.

На рисунке 2 представлены кривые давления насыщенных паров бензола (t_K = 80,4⁰С) и циклогексана (t_K = 80,74⁰С) в чистом виде и в смеси их с 80% анилина, который является для них разделяющим агентом. В отсутствии анилина давление насыщенных паров бензола и ЦГ весьма близки между собой и поэтому разделение этих компонентов ректификацией в обычных условиях практически невозможно. В присутствии анилина давление паров их существенно различаются, причём ЦГ (менее растворимый в анилине) имеет значительно большее давление насыщенных паров, чем бензол, который хорошо растворяется в анилине.

Значит, в присутствии анилина смесь бензола и ЦГ разделить сравнительно легче ректификацией, ЦГ в этих условиях будет как НКК, а бензол как ВКК.

Для смесей, отклоняющихся от законов идеальных растворов, величина α

где и - коэффициенты активности разделяемых компонентов, характеризующие степень отклонения их от законов идеальных растворов.

При наличии разделяющего агента подлежащие ректификации компоненты из-за различной их растворимости по разному отклоняются от законов идеальных растворов и коэффициенты активности и у них различны поэтому даже при имеем α>1.

Таким образом, для того, чтобы обеспечить разделение близкокипящих компонентов, необходимо подобрать такой разделяющий агент, в присутствии которого величины и существенно различаются. Этот эффект может быть обеспечен при условии, если разделяемые компоненты отличаются по своей химической структуре, чем и обуславливается их различная растворимость и степень отклонения от законов идеальных растворов.

Ректификация в присутствии разделяющего агента применяется при разделении близкокипящих смесей ароматических, парафиновых и нафтеновых углеводородов, имеющих близкие температуры кипения, парафиновых и непредельных углеводородов. (выделение изо- и н-бутана из смеси с бутенами и бутадиеном) и т.п.

При существенном различии и более летучим может оказаться вещество, имеющее более высокую температуру кипения. Высокое значение α может быть достигнуто и при , если и .

В зависимости от летучести разделяющего агента по отношению к лету­чести разделяемых компонентов процесс подразделяется на азеотропную и экстрактивную ректификацию. При азеотропной ректификации летучесть разделяющего агента сравнительно велика, поэтому в ректификационной колонне основная его масса отбирается в паровой фазе сверху колонны вместе с ректификатом.

При экстрактивной ректификации разделяющий агент отличается сравнительно низкой летучестью и отбирается с низа колонны вместе с остатком в жидкой фазе.

Применение азеотропной и экстрактивной ректификации в промышленности предопределяется главным образом экономикой процесса. Эксплуатационные затраты на ректификацию с разделяющим агентом в значительной степени зависят от относительного количества разделяющего агента, подаваемого в ректификационную колонну.

С увеличением удельного расхода разделяющего агента растут энерго затраты на нагрев, а при азеотропной ректификации - на испарение агента в виде расхода воды на охлаждение и т.д. Расход разделяющего агента зависит главным образом от состава сырья.

При азеотропной ректификации расход разделяющего агента возрастает при увеличении концентрации в сырье тех компонентов, которые отбираются в качестве ректификата с верха колонны. Так, при разделении смеси парафиновых и ароматических углеводородов расход разделяющего агента при азеотропной ректификации возрастает при увеличении концентрации в сырье парафиновых углеводородов.

При экстрактивной ректификации, наоборот, расход разделяющего агента увеличивается при увеличении в сырье концентрации компонентов, отбираемых с низа колонны, т.е. при увеличении концентрации ароматических углеводородов.

В связи с этим азеотропная ректификация применяется при сравнительно небольшой концентрации в сырьё компонентов отбираемых в виде остатка с низа колонны.

Кроме того, в случае азеотропной ректификации тепло расходуется на нагрев и испарение разделяющего агента; при экстрактивной ректификации тепло расходуется только на нагрев третьего компонента.

При выборе типа разделяющего агента надо учесть, что при экстрактивной ректификации температура в колонне выше, чем при азеотропной ректификации.

ТРЕБОВАНИЯ К РАЗДЕЛЯЕШЕМУ АГЕНТУ

Разделяющий агент при азеотропной и экстрактивной ректификации должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Обеспечивать возможно большее повышение коэффициента а для разделяемых компонентов;

2. Сравнительно легко отделяться от компонентов исходной разделяемой смеси ректификацией, экстракцией или любым другим способом;

3. Хорошо растворять разделяемые компоненты, так как при температурном режиме ректификационной колонны образование двух жидких фаз на тарелках колонны может привести к ухудшению процесса разделения;

4. Быть термически стабильным, не реагировать с компонентами смеси, не вызывать коррозии аппаратуры, не быть токсичным и иметь не высокую стоимость.

При разделении парафиновых и ароматических углеводородов в случае азеотропной ректификации в качестве разделяющего агента применяется метиловый и этиловый спирт.

При экстрактивной ректификации в качестве разделяющего агента применяется фенол, фурфурол и др.

Влияние концентрации разделяющего агента и температуры системы на величину α

рис.3

Величины коэффициентов у и а зависят от свойств компонентов, входящих в состав системы, концентрации разделяющего агента и температуры, а => и давления системы. С увеличением концентрации разделяющего агента в жидкой фазе у и а растут. В качестве примера на рисунке 3 даны кривые равновесия для системы толуол - метилциклогексан при различных концентрациях фенола

1. без фенола;

2. 25% фенола;

3. 50% фенола; 4. 75% фенола.

Составы жидкой и паровой фаз даны для смеси толуола и парафинового углеводорода без учёта концентрации разделяющего агента.

Из графика наглядно видно, что с увеличением концентрации фенола в жидкой фазе выпуклость кривой равновесия фаз увеличивается, т.е. растёт величина коэффициента α.

Изменение температуры на величину коэффициентов γ и α влияет по разному.

В большинстве случаев понижение температуры приводит к увеличению γ. По этой причине, а также в следствие различия в характере изменения давления насыщенных паров разделяемых компонентов и ; величина а с уменьшением температуры растёт.

Для некоторых систем (метилгиклогексан-гептан) величина γ и α с уменьшением температуры понижается.

Смеси, у которых α уменьшается с понижением температуры подчиняются той же закономерности в присутствии разделяющего агента.

Изменение температуры системы соответственно обуславливает изменение давления, поэтому изменение температурного режима в ректификационной колонне с разделяющим агентом влияет на величину α в том же направлении, что и изменение давления.

Несмотря на широкое распространение процессов азеотропной и экстрактивной ректификации, до настоящего времени нет достаточно надёжных методов расчёта колонны для этих процессов.

Трудность выполнения подобных расчётов объясняется тем, что вещества участвующие в процессе ректификации, существенно отклоняются от законов идеальных растворов.

Существующие методы расчёты коэффициента у сложны и требуют экспериментального определения ряда величин, входящих в состав расчётных уравнений. По этой причине для расчёта азеотропной и экстрактивной ректификации обычно используют опытные данные.