1.2.3. Ректификация

Однократным испарением взаимно раство­римых жидкостей и последующей конденсацией паров получают две фракции: легкую, в которой содержится больше низкокипящих фракций, и тяжелую, в которой содержится меньше низкокипящих фракций, чем в исходном сырье. Следовательно, при перегонке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой—высококипящими компонентами. Однако достичь требуемого раз­деления компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие в заданных температурных интервалах, с помощью пере­гонки нельзя. Поэтому после однократного испарения нефтяные пары подвергаются ректификации.

Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного, многократного контактирования паров и жидкости.

Контактирование паров и жидкости осуществляется в верти­кальных цилиндрических аппаратах—ректификационных колон­нах, снабженных специальными устройст­вами — ректификационными тарелками или насадкой, — позволяющими создать тесный контакт между паром, поднимаю­щимся вверх по колонне, и жидкостью, стекающей вниз (рис. 1.1).

В среднюю часть колонны в виде пара, жид­кости или парожидкостной смеси подает­ся сырье, которое необходимо разделить на две части—высококипящую и низко­кипящую.

Зона,куда подается сырье, но­сит название эвапорационной или питательной, так как а ней происходит эвапорация — однократ­ное испарение нагретой в печи или теп­лообменнике смеси на паровую и жидкую фазы. В некоторых случаях эвапорационная зона отделена от колонны, и эвапорация производится в самостоятельном аппарате. У большинства колонн, в частности на установках первичной перегонки, однократ­ное испарение и ректификация совмещаются.

Принцип работы промышленной ректификационной колонны аналогичен лабораторной. В работающей ректифика­ционной колонне через каждую тарелку проходят четыре потока:

1) жидкость—флегма, стекающая с вышележащей тарелки;

2) пары, поступающие с нижележащей тарелки;

3) жидкость-флегма, уходящая на нижележащую тарелку;

4) пары, поднимаю­щиеся на вышележащую тарелку.

Пары и жидкость, поступающие на тарелку, не находятся в со­стоянии равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому состоянию. Жидкий поток с вышележащей тарелки посту­пает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испа­ряется некоторое количество низкокипящего компонента, в резуль­тате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадает в зону более низкой температуры и часть высококипящего продукта из этого потока конденсируется, переходя в жидкость. Концентрация высококипящего компонента в парах таким образом понижается, а низкокипящего - повышается. Фрак­ционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно меняется. Часть ректификационной колонны, расположенная выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а расположенная ниже ввода — отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации.

С верха концентрационной части паровой фазой выводится целевой продукт необходимой чистоты — ректификат, а с низа — жидкость, все еще в достаточной степени обогащенная низкокипя­щим компонентом. В отгонной части из этой жидкости окончатель­но отпаривается низкокипящий компонент. С низа этой части колонны в виде жидкости выводится второй целевой компонент — остаток.

Для нормальной работы ректификационной колонны необхо­димо, чтобы с верха колонны на нижележащие тарелки непре­рывно стекала жидкость (флегма). Поэтому часть готового про­дукта (ректификата) после конденсации возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде орошения. С другой сто­роны, для нормальной работы колонны необходимо, чтобы с низа колонны вверх непрерывно подымались пары. Для создания в ко­лонне парового потока, часть уходящего из колонны остатка подогревается, испаряется и возвращается обратно в колонну.

На рис.1.1 изображена наиболее типичная конструкция ректи­фикационной колонны. Массо- и теплообмен происходит на тарелке, которая называется контактной ступенью.

Если после контакта пар и жидкость достигли на тарелке состояние равновесия, то их температуры будут равны и такая тарелкабудет называться теоретической. Коэффициент полезного действия ее равен 100%. На практике же коэффициент полезного действия приближенно равен 40÷70%.

Это говорит о том, что не удалось пока создать таких контактных устройств, которые обеспечили бы достижение полного состояния равновесия пара и жидкости.

Рис.1.1. Ректификационная колонна: 1 – сырьё, 2 – дистиллят, 3 – остаток, 4- концентрационная часть, 5 – питательная секция, 6 – отгонная часть.

Все колонны, применяемые в нефте- и газопереработке делятся на простые и сложные. Простые колонны делят сырье на два продукта – дистиллят и остаток. Сложные колонны делят сырье больше чем на два продукта. Сложными колонны называют:

1) если дополнительные продукты отбираются непосредственно с тарелок основной колонны (из соответствующих сливных карманов).

Рис.1.2. Сложная ректификационная колонна: 1- нефть; 2 – бензин; 3 – керосин; 4 – дизельное топливо; 5 – мазут.

1. Если дополнительные фракции отбирают из боковых отпарных колонн, называемыестриппинг-секции или просто стриппинги (рис.1.3).

Количество стриппингов может доходить до четырех в одной сложной колонне. Дистиллятами называются и верхний, и боковые продукты. Остатком называется только продукт, отбираемый из куба колонны.

Можно использовать несколько простыхвместо одной сложной колонны.

Качество получаемых фракций - четкость погоноразделения нефти зависит от:

1. Температуры.

2. Давления.

3. Числа тарелок.

4. Соотношения величины потоков пара и жидкости по высоте колонны.

Рис.1.3. Сложная ректификационная колонна с отпарными секциями (стриппингами): 1- нефть; 2 – бензин; 3 – керосин; 4 – дизельное топливо; 5 – мазут.

Количество стриппингов может доходить до четырех в одной сложной колонне. Причём, дистиллятами называются и верхний и боковые продукты. Остатком называется только продукт, отбираемый из куба колонны.

Вместо одной сложной колонны можно использовать несколько простых.

Качество получаемых фракций (четкость разделения нефти) зависит от:

5. Температуры.

6. Давления.

7. Числа тарелок.

8. Соотношения величины потоков пара и жидкости по высоте колонны.

Чем больше число тарелок в колонне, тем выше степень разделения нефти и выше качество полученных фракций. Но чем больше тарелок, тем выше колонна и больше её металлоёмкость и выше стоимость.

Высокие колонны трудно устанавливать и эксплуатировать, поэтому число тарелок в колоннах нельзя принимать бесконечно большим.