Схемы ректификационных установок

Ректификационные установки, помимо основного аппарата -ректификационной колонны, - включают ряд вспомогательных аппаратов, обеспечивающих испарение жидкости в кубе колонны, конденсацию паров, отходящих сверху колонны и т.п. Конструкции, взаимное расположение, размеры отдельных элементов ректификационной установки зависят от назначения и принципа её действия [1].

Установки для разделения разделения бинарных смесей

Установки для ректификации могу быть как периодического, так и непрерывного действия.

2.1.1. Установки периодического действия

Применяются в промышленности органического синтеза редко. Они сохранились в малотоннажных производствах и для выделения ценных продуктов из отходов, при регенерации органических веществ.

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами. По первому способу при ректификации поддерживают постоянный состав дистиллята, количество флегмы, поступающей в колонну, по мере уменьшения содержания легколетучего компонента в кубе постепенно увеличивается. При этом способе необходимо одновременного регулировать подачу флегмы в колонну, теплоносителя в испаритель и хладоагента в дефлегматор.

По второму способу в процессе поддерживают постоянное флегмовое число ; при этом состав получаемого дистиллята меняется во времени. Этот способ находит большее применение в производстве. Фракционирование (отбор n-го числа фракций) отбираемого дистиллята позволяет получать продукты практически любого состава.

Установка (рис. 17) состоит из куба 1, снабжённого нагревательным элементом, колонны 2, дефлегматора 3 и холодильника 4. Разделяемую смесь единовременно загружают в куб, нагревают до температуры кипения и поддерживают в этом состоянии до конца процесса. Пары из куба поступают в колонну. Для орошения в верхнюю часть подают флегму. Из колонны отбирают сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

После этого куб разгружают и заливают в него новую порцию разделяемой смеси. Дистиллят, идентичный по составу флегме, охлаждается в холодильнике и выводится в качестве продукта. Ректификацию продолжают до тех пор, пока в кубе не будет получен остаток заданного состава.

остаток

Рис 17..Ректификационная установка периодического действия:

1 - куб;2 - колонна; 3 - дефлегматор;4 - холодильник

Периодическая ректификация имеет ряд достоинств: простота конструкции, дешевизна изготовления и возможность применять аппараты на предприятиях небольшой мощности, где один и тот же аппарат может быть использован для ректификации разных жидких смесей.

Недостатки периодической ректификации: непостоянство

получаемого продукта по составу и количеству из за нестабильности условий процесса во времени, так как составы разделяемой смеси в кубе, и в колонне, все время изменяются, трудность управления процессом, низкий коэффициент использования аппаратуры, значительные затраты труда (загрузка, выгрузка), потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба.

Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

2.1.2. Установки для непрерывной ректификации

Непрерывная ректификация имеет следующие преимущества перед периодической: стабильность условий работы, что облегчает установление требуемого режима и автоматизацию процесса; отсутствие простоев между операциями, что приводит к повышению производительности оборудования; меньшие тепловые расходы.

В крупнотоннажных производствах органического синтеза используют установки для непрерывной ректификации, имеющие различное оформление в зависимости от задач разделения и характера разделяемой смеси, а также из чисто конструктивных соображений. Наиболее распространенная установка, предназначенная для получения дистиллята и кубового продукта заданного состава представлена на рис. 19

Основным аппаратом установки является ректификационная колонна непрерывного действия 1. Колонна состоит из двух частей -укрепляющей а и исчерпывающей б. В укрепляющей части колонны происходит обогащение поднимающихся вверх паров легколетучим компонентом, в исчерпывающей - удаление этого компонента из стекающей жидкости и, следовательно, обогащение последней трудно летучим компонентом.

Непрерывная подача разделяемой смеси на питающую тарелку, расположенную на границе укрепляющей и исчерпывающей частей колонны, позволяет получать сверху легкокипящий дистиллят заданного состава, а снизу - тяжелокипящий кубовый продукт.

2

Ректификационная установка непрерывного действия

Рис. 18. Ректификационная установка непрерывного действия:

1 - колонна; а - укрепляющая часть; б - исчерпывающая часть;2 - дефлегматор; 3 - кипятилъник;4 - холодильник.

Установка включает дефлегматор 2, кипятильник 3 и холодильник 4, предназначенный для охлаждения верхнего продукта. Вместо выносного кипятильника, может быть применен обогрев с помощью змеевика, установленного в кубе колонны или подачей в кубовую часть теплоносителя (чаще всего острого водяного пара). Выносные кипятильники имеют два преимущества по сравнению со змеевиками: большую поверхность теплообмена и возможность чистки без остановки установки ( кипятильник отключают от колонны и вместо него включают резервный). В случае ректификации веществ, способных к полимеризации и осмолению образующиеся в процессе ректификации твердые вещества собираются в кубовой части колонны и лишь частично выводятся с кубовым продуктом. Часть же их отлагается на теплопередающих поверхностях, выводя нагревательные элементы из строя. В этих случаях обязательно применение выносных кипятильников.

Дефлегматор располагают таким образом, чтобы флегма в колонну поступала самотеком. В этом случае флегма поступает из дефлегматора на верхнюю тарелку колонны при температуре отходящих паров. Однако при верхнем расположении дефлегматора и большой высоте колонны для его обслуживания и размещения необходима специальная площадка. Для подачи хладоагента на большую высоту необходима установка дополнительных насосов, что делает установку сложной и дорогой. В этих случаях применят установки с холодным орошением (рис. 19).

Вместо дефлегматора устанавливается конденсатор 2, в котором конденсируются все пары, поступающие с верха колонны 1; конденсат же охлаждается до температуры хранения в холодильнике 3.

Конденсат подается сборнике 4, откуда часть его выводится в качестве продукта- дистиллята, остальная часть насосом 5 подастся на верх колонны в качестве флегмы. В этом случае конденсатор и холодильник могут быть расположены на любой высоте.

Ректификационная установка с холодным орошением

Рис. 19. Ректификационная установка с холодным орошением: 1 - колонна^ - конденсатор;3 - холодильник; 4 - сборник;5 -насос; 6 - кипятильник.

Флегма, подаваемая на верхнюю тарелку колонны, имеет температуру более низкую, чем пары, отвечающие ей по составу, поэтому верхняя тарелка служит парциальным конденсатором и не должна учитываться при расчете высоты аппарата. Использование холодного орошения связано с затратой энергии на перекачку флегмы, что особенно существенно при больших флегмовых числах. Эти расходы возмещаются упрощением строительной конструкции и сокращением расхода энергии для подачи хладоагента. Применение холодного орошения допускает более простое и точное регулирование процесса ректификации. В колоннах с малой разностью температур между верхней и кубовой частями, например в колоннах концентрирования этиленовой, пропиленовой и других фракций, для уменьшения энергетических затрат применяется схема так называемого «теплового насоса» (рис. 20) [1].

Принцип действия теплового насоса состоит в следующем. Из куба колонны выводится часть жидкости и дросселируется в дефлегматор, причем происходит ее испарение, и пары используются в качестве охлаждающего агента в дефлегматоре, затем они вновь сжимаются компрессором до давления в колонне и возвращаются в куб.

Схема теплового насоса

Рис.20. Схема теплового насоса: 1 - колонна;

  • 2 - дефлегматор; 3 - дроссельное устройство; 4 - сепаратор;
  • 5 - компрессор; 6 - маслоотделитель

Ректификационные колонны непрерывного действия состоят из укрепляющей и исчерпывающей частей. В зависимости от состава разделяемой смеси и задач разделения, агрегатного состояния исходной смеси соотношение между этими частями может быть различными. Укрепляющая и исчерпывающая части могут быть разными как по высоте, так и по сечению. В некоторых случаях колонна может состоять только из укрепляющей или только из исчерпывающей части.

На рис.21 представлены варианты колонн с укрепляющими и исчерпывающими частями различных диаметров [1].

Первый вариант (рис. 21а) - колонна, укрепляющая часть которой имеет меньший диаметр, чем исчерпывающая. Эти колонны используют, когда количество отбираемого дистиллята намного меньше по сравнению с количеством кубового продукта, а молекулярный вес последнего меньше молекулярного веса дистиллята. В этом случае потоки паров и жидкостей в укрепляющей и исчерпывающей колонны будут существенно отличаться: в верхней части они будут меньше, чем в нижней. При небольших различия в нагрузках по пару и по жидкости колонну целесообразно делать одного диаметра.

з а

Рис.21. Ректификационные колонны с частями переменного диаметра: а - укрепляющая часть меньшего диаметра, чем исчерпывающая; б -укрепляющая часть большего диаметра, чем исчерпывающая

Ректификации слабых водных растворов уксусного альдегида или этилового спирта осуществляется в колонне с диаметром укрепляющей части меньшим, чем исчерпывающей части.

На рис.21 б представлен вариант ректификационной колонны, укрепляющая часть которой имеет больший диаметр, чем исчерпывающая. Данная конструкция применяется при подаче питания в паровой фазе и не больших значениях флегмового числа. Примером такой колонны может служить колонна для отгонки слабого этилового спирта из гидролизата в производстве спирта из этилена сернокислотным методом.

При использовании насадочных колонн скорость и диаметр колонны зависит от нагрузки по жидкости.

В некоторых случаях на практике применяют неполные колонны, состоящими только из одной части - укрепляющей или исчерпывающей (рис. 22).

В укрепляющей колонне (рис.22а) питание - смесь, подлежащая разделению, подается непосредственно в куб обычно в виде паров.

кипятильник

Схемы ректификационных неполных колонн

Рис. 22. Схемы ректификационных неполных колонн: а - только укрепляющая колонна;

б - только исчерпывающая колонна

Таким образом, кубовая жидкость (в идеальном случае) имеет состав, равновесный с составом паров питания, дистиллят же получается, как и в полных колоннах, в виде легколетучего компонента заданной степени чистоты. Такие колонны предпочтительно применять при ректификации смесей, содержащих относительно небольшое количество труднолетучего компонента, и при значительной разнице в летучестях разделяемых веществ. В данном случае получается основная масса легколетучего компонента в виде дистиллята, а кубовая жидкость, содержащая значительный процент этого компонента, но относительно небольшой от исходного количества, может быть подвергнута дополнительной ректификации.. Такие колонны применяются в ряде производств органического синтеза для заключительной очистки продуктов: для ректификации стирола от примесей полимеров, для отделения уксусной кислоты от катализатора и высококипящих веществ в производстве этой кислоты окислением уксусного альдегида, для очистки уксусного ангидрида от полимеров кетена в производстве его из кетена, и т.д.

В исчерпывающих колоннах (рис.226) смесь для разделения подается в виде жидкости на самую верхнюю тарелку. Пары, равновесные с этой жидкостью, отводятся с верха колонны как дистиллят и поступают непосредственно в конденсатор. Дефлегматора колонна не имеет. Поэтому дистиллят не может быть получен с меньшим содержанием труднолетучего компонента, чем это обусловлено равновесием разделяемой пары компонентов. Зато кубовая жидкость представляет собой тяжелокипящий компонент требуемой степени чистоты. [1].

Исчерпывающие колонны используются при разделении смесей, содержащих небольшие концентрации легколетучего компонента, их используют для получения кубового продукта, свободного от примесей легколетучего компонента или для полного извлечения последнего из кубовой жидкости. В этом случае дистиллят получается со значительным содержанием труднолетучего компонента. Примером практического применения исчерпывающих колонн в производствах органического синтеза можно привести дистилляцию гидроперекиси изопропилбензола, для максимального извлечения изопропилбензола из высококипящей гидроперекиси; отгонку этилового спирта из его разбавленных растворов, при которой ставится задача полного извлечения спирта из кубовой воды.

Исчерпывающие и укрепляющие колонны могут применяться в одной установке и соединяться последовательно, образом одну 30

полную колонну. Это применяется, когда полная колонна получается слишком высокой, с большим числом тарелок. Такая разбивка ее на две отдельные колонны - исчерпывающую и укрепляющую -позволяет снизить гидравлическое сопротивление, что особенно важно при ректификации под вакуумом и получить преимущества как в чисто конструктивном отношении. Примером такой колонны может служить ректификация стирола. Ввиду близости летучестей этилбензола и стирола для их разделения, требуется колонна с очень большим числом тарелок. При большом количестве тарелок возрастает гидравлическое сопротивление колонны, что не позволяет создать вакуум, необходимый для обеспечения температуры, предотвращающей полимеризацию стирола. При установке 2 колонн ( исчерпывающей и укрепляющей) достигается желаемый вакуум в колоннах и предотвращается полимеризация стирола в процессе ректификации

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >