Здесь уи.с,р – состав пара, который находится в равновесии с жидкостью состава хи.с.

При графоаналитическом расчете процесса ректификации проводят прямую линию через точки c и d' до пересечения с осью ординат в точке е. Измеряют полученный отрезок 0e = b0 и находят

При R = ∞ для разгонки смеси требуется ректификационная колонна

минимальной высоты, но при этом нет отбора готового продукта – дистил-

лята и имеет место большой расход тепла. Оптимальное значение флегмового числа, при котором общие затраты минимальны, определяют из тех- нико-экономических расчетов. Обычно принимают

1,2Rmin ≤ R ≤ 2,5Rmin .

6.3.5. Основные типы ректификационных колонн

Ректификационные колонны, представляющие собой вертикальные цилиндрические аппараты, бывают насадочные и тарельчатые (барботаж-

ные), которые не отличаются по устройству от абсорберов аналогичных типов. Высота ректификационных колонн составляет 10–100 м и более, диаметр 0,5–6 м и более.

В н а с а д о ч н ы х р е к т и ф и к а ц и о н н ы х к о л о н н а х

(рис. 6.28) в качестве насадки обычно применяются кольца Рашига размером 25х25х3 мм (диаметр–высота–толщина) из керамики, которые

укладываются навалом на опорные решетки.

Достоинства и недостатки насадочных колонн были рассмотрены в п. 6.2.3. (стр. 197). При проведении процессов ректификации имеют значе-

ние: низкое гидравлическое сопротивление слоя насадки (этот фактор име-

ет значение при проведении ректификации в вакууме); возможность быстрого опорожнения от жидкости при остановке, а также неравномерное распределение жидкой фазы по сечению колонны в слое насадки, что тре-

213

214

няемых жидкостей, производительности колонны по пару, четкости ректификации, конструкции устройств, обеспечивающих массотеплообмен (насадка или барботажные тарелки).

Диаметр колонны определяют из уравнения расхода для потока паровой фазы:

где W – расход проходящего по колонне пара, м3/с; W = Gp (R+1) /ρп ; ρп – плотность пара при рабочих условиях; ω – скорость пара в свободном сечении колонны.

Для тарельчатых (барботажных) колонн оптимальную скорость пара рассчитывают по формуле

где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, рабочего давления, нагрузки колонны по жидкости; значения коэффициента С изменяются от 0,02 (для колпачковых тарелок с капсульными колпачками при расстоянии между тарелками 150 мм) до 0,1 (для ситчатых тарелок при расстоянии между ними 700 мм); ρж – плотность жидкости.

Так как скорость пара в колоннах небольшая (в тарельчатых она обычно не превышает 0,5 м/с, а в насадочных – 1,5 м/с), то диаметр колонн

лимитируется расходом пара: чем больше массовая производительность колонны по пару, тем больше ее диаметр.

Высота ректификационных колонн зависит от многих факторов и, в первую очередь, от чистоты дистиллята (четкости ректификации) и разности температур кипения разделяемых компонентов. Чем выше чистота по-

лучаемого дистиллята и меньше разность температур кипения чистых

компонентов, тем больше будет высота колонны.

Из приведенной на рис. 6.30 расчетной схемы определения высоты колонны видно, что

где hв – высота колонны над ее укрепляющей частью; обычно принимают hв в пределах 0,5–1 м; hэ – высота эвапорационного объема, принимаемая из конструктивных соображений; hэ в метрах примерно равна удвоенной

215

вающей части (nти) колонны.

В данном случае можно принять: nту = 3 и nти = 2.

Для насадочных колонн значения величин hу и hи находят из выраже-

ний:

Для барботажных колонн значения величин hу и hи определяют по фактическому числу тарелок с использованием коэффициента полезного

действия (КПД) тарелки η :

Величина η учитывает реальные условия массообмена на тарелках:

она зависит от конструкции тарелок, размера, гидродинамических факто-

ров, физико-химических свойств пара и жидкости и определяется опытным

путем (обычно КПД тарелки находится в пределах 0,3–0,8).

Высоты укрепляющей и исчерпывающей частей барботажной колонны определяют по формулам:

216

где rф – теплота испарения

флегмы, Дж/моль; величину rф определяют из выражения

где rнк и rвк – теплоты испарения НК и ВК, Дж/моль.

Ректификацию двухкомпонентных смесей производят на простой рек-

тификационной колонне, которая является основной частью достаточно

сложной установки, состоящей из различных по назначению и принципу действия аппаратов. Схема непрерывно действующей р е к т и ф и к а ц и- о н н о й у с т а н о в к и с горячим орошением показана на рисунке 6.32.

Исходная смесь забирается из сборника 1 насосом 2, предварительно

нагревается в подогревателе 3 и направляется в кипятильник 4. Кипящая

смесь с постоянным расходом поступает в эвапоратор ректификационной колонны 5, где она разделяется на паровую и жидкую фазы. С верхней час-

ти колонны пары отводятся в дефлегматор 6, где частично конденсируются. Образующаяся в дефлегматоре 5 горячая флегма отделяется от пара в сепараторе 7 и направляется на орошение верхней части колонны. В кон- денсаторе-холодильнике 8 пары полностью конденсируются, образующий-

ся конденсат охлаждается и поступает в сборник дистиллята 10.

Для непрерывной генерации пара в нижней части колонны имеется

кипятильник 9. Отсюда же отводится кубовой остаток, который предварительно охлаждается в теплообменнике 3, отдавая свое тепло холодной ис-

217

ходной смеси, затем окончательно охлаждается до необходимой температуры в холодильнике 12 и поступает в сборник остатка 11.

Рис. 6.32. Схема ректификационной установки непрерывного действия:

1, 10, 11–сборники соответственно исходной смеси, дистиллята и остатка; 2–насос; 3–подогреватель; 4–кипятильник; 5–ректификационная колонна; 6–дефлегматор; 7–сепаратор; 8–конденсатор-холодильник; 9–кипятильник; 12–холодильник

218

может быть горячим (рис. 6.25) и холодным (рис. 6.32 и 6.34). Горячее орошение экономичнее холодного, но более сложного устройства. В каче- стве дефлегматоров применя-

действующих или непрерывно действующих колоннах небольшой производительности по пару при температуре кипения остатка до 150 ºC и при

отсутствии в нем загрязняющих теплообменные поверхности примесей

используются встроенные в кубовую часть колонны кипятильники змеевикового или трубчатого типа (поз. 9 на рис. 6.32), обогреваемые водяным

219

При больших поверхностях теплообмена или наличии в кубовом остатке загрязняющих поверхности теплообмена примесей применяются выносные кипятильники с естественной или принудительной циркуляцией остатка (рис. 6.36.а). Обычно устанавливают два и более кипятильников, которые периодически останавливают для очистки теплообменных поверхностей от отложений.

Остаток

2

4

Рис. 6.36. Схемы устройств для обогрева низа колонн: а – с выносными кипятильниками; б – с трубчатой печью;

1–ректификационная колонна; 2–выносной кипятильник; 3–насос; 4–трубчатая печь

При высокой температуре кипения остатка вместо кожухотрубных кипятильников применяются трубчатые печи (рис. 6.36.б). Их широко используют в высокопроизводительных ректификационных установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслей промышленности для нагрева до кипения (150–350 °C и выше) нефти, продуктов ее пере-

гонки или других жидкостей.

При переработке коррозионно-активных и загрязненных механиче-

скими примесями жидкостей корпуса ректификационных колонн собирают

из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на прокладках.

Цельносварные колонны применяются на производствах, связанных с пе-

регонкой и ректификацией сжиженных горючих газов, легковоспламе-

няющихся и горючих жидкостей. Для монтажа и демонтажа тарелок на

корпусах цельносварных колонн имеются люки и лазы. В качестве мате-

риалов для изготовления ректификационных колонн применяются стали

различных классов, чугуны, титановые сплавы, медь и другие материалы.

220