3.1. Общие положения
Ректификация – массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.
Технологическая схема с КИПиА ректификационной установки приведена на рис. 3.1.
Основным элементом установки является ректификационная колонна. Среди различных типов ректификационных колонн в промышленности (в особенности, в нефтепереработке) преимущественное использование имеют тарельчатые колонны. Из ассортимента стандартизованных тарелок наиболее широко применяются колпачковые ситчатые, решетчатые, клапанные. Описание устройства и работы тарелок приведены в [1,6,9,14,15,16].
Колпачковые (консульные) тарелки получили распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности; они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.
Тарелки, собираемые из S- образных элементов, устанавливаются преимущественно в колонных больших диаметров. Их производительность на 20-30% выше, чем у капсульных.
Рис.3.1. Технологическая схема с КИП и А ректификационной установки: 1 - теплообменник; 2 - колонна ректификационная; 3 - дефлегматор; 4 - распределительный стакан; 5 - холодильник дистиллята; 6 - теплообменник; 7 - сборник дистиллята; 8 - насос центробежный; 9 - сборник кубового остатка; 10 - насос центробежный; 11 - кипятильник; 12 - насос центробежный; 13 - сборник исходной смеси. Обозначено: 1.6 – вода оборотная; 1.8 – конденсат; 1.0 – вода сточная; 2.2 – пар насыщенный; 2.9 – пар из колонны; 3.1 – воздух атмосферный; 7.9.1 – исходная смесь; 7.9.2 – дистиллят, флегма; 7.9.3 – кубовый остаток
Клапанные тарелки по сравнению с колпачковыми имеют более высокую эффективность и на 20-40% большую производительность; они применяются для обработки жидкостей, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.
Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, низкое гидравлическое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.
Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность, в 1,5-2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих скоростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках колонны по жидкости.
Технические характеристики стандартных колпачковых тарелок приведены в [2] (табл.8.6 на стр.228), [16] (табл.4.1 на стр.310), ситчатых тарелок – в [2] (табл. 8.7 на стр.229), [16](табл.4.2 на стр.311), клапанных тарелок – в [2] (табл.8.6 на стр. 230), [16] (табл.4.3. на стр.312). Данные по решетчатым тарелкам приведены в [2] (стр. 233-234). Схемы и описание конструкций тарелок даны в [15] (стр.256-262).
Целью расчета ректификационной установки является определение геометрических размеров основного аппарата – ректификационной колонны и теплообменников, используемых в качестве кипятильника, дефлегматора и подогревателя исходной смеси, а также определение режимных параметров процесса, материальных потоков и затрат энергии на процесс. На основании расчета и действующих нормативных материалов должно быть выбрано стандартное оборудование.
Расчет установки включает в себя технологический, гидравлический, кинетический, тепловой и механический расчеты.
Технологический расчет проводится с целью определения технологического режима, обеспечивающего заданное разделение смеси.
В ходе гидравлического расчета определяются скорости фаз в колонне, диаметр колонны, расстояние между тарелками для тарельчатых аппаратов, а при необходимости – величина общего гидравлического сопротивления колонны и диапазон допустимого изменения нагрузок.
Кинетический расчет проводится для определения высоты рабочей зоны аппарата и числа реальных тарелок в тарельчатых колоннах. В результате гидравлического и кинетического расчетов находятся основные геометрические размеры колонны – ее диаметр и высота.
Целью теплового расчета является выбор теплообменных аппаратов; дефлегматора кипятильника, подогревателя исходной смеси и теплообменников для охлаждения продуктов разделения. Кроме того, в ходе теплового расчета находятся расходы греющих и охлаждающих теплоносителей для соответствующих теплообменников.
Механический расчет включает в себя определение толщины обечайки, днища и крышки колонны, размеров опор колонны.
Перед выполнением проекта необходимо ознакомиться с основными свойствами разделяемой смеси и ее компонентов. Физико-химические и термодинамические свойства индивидуальных веществ и смесей, требуемые по ходу расчета, определяются в зависимости от температуры, давления и концентрации по справочникам [4, 15,17,18, 20÷27] , что является далеко не полным перечнем справочной литературы по данному вопросу. При необходимости указанные величины получают расчетным путем. Некоторые свойства смесей (плотность, теплоемкость) рассчитывают по правилу аддитивности.