Дистилляционные установки

Процессы, происходящие в дистилляционных и ректификационных установках, наиболее ясно можно представить себе и понять при рассмотрении их на t-x-диаграммах.

Дистилляция может производиться в установках непрерывного и периодического действия.

На рис.2-21 представлена схема двухступенчатой дистилляционной установки непрерывного действия

.

Рис.2-21. Схема двухступенчатой дистилляционной установки с дефлегмацией и

сепарацией паров во второй ступени и ее процесс на t-x – диаграмме.

Бинарная взаимно растворимая смесь поступает в подогреватель 1 с параметрами, соответствующими точке А, и подогревается до состояния кипения, соответствующего точке В. В дистилляционном аппарате 2 получаются пары смеси, соответствующие точке С (см. t-x-диаграмму). Далее пары с концентрацией х₂ поступают в конденсатор 3. Конденсация паров бинарной смеси протекает при х₂ = const, но с понижением температуры ее от t₁ до t₂. Далее перегнанный дистиллят поступает во вторую ступень – дистилляционный аппарат 4, где получаются еще более концентрированные пары (х₃  х₂); из аппарата второй ступени 4 пары поступают в дефлегматор 5. В дефлегматоре происходит частичная конденсация паров (линия EF) и получается влажный пар, соответствующий точке F. Он является смесью сухого пара с концентрацией, соответствующей точке З, и жидкости с концентрацией, соответствующей точке Ж. Доля пара в смеси соответствует отрезку FЖ, а доля жидкости – отрезку FЗ. Затем влажный пар поступает в сепаратор 6, в котором от него отделяется жидкость. Жидкость с концентрацией х₄  х₃ поступает в дистилляционный бак 8, а пары с концентрацией х₅  х₃ направляются в конденсатор 7, где превращаются в дистиллят, и из него поступает в бак готового продукта 9. Необходимо отметить, что при дефлегмации и последующей сепарации смеси паров достигается более высокая концентрация, но получается меньшее количество продукта, чем при простой конденсации.

Если дистилляция происходит в установке периодического действия, то содержание летучего компонента в дистилляционном кубе 2 (рис.4-4) постепенно уменьшается, причем, как в кипящей жидкой смеси, так и в получаемых из нее парах, дальнейшая перегонка идет при переменной, все увеличивающейся температуре. Содержание легкокипящего компонента в жидкости в начале кипения и в последующие моменты времени определяется на кривой кипения точками В, В, В и т.д.; соответственное содержание этого компонента в парах определяется точками С, С, С и т.д. на линии конденсации. Все время уменьшаясь, в некоторый момент содержание летучего компонента в парах становится равным его первоначальному содержанию в кипящей жидкости, а затем еще меньше (точка С); тогда дальнейшая перегонка смеси становится экономически нецелесообразной.

Перегонка путем многократной дистилляции применяется преимущественно в лабораторных перегонных аппаратах. Если полученные пары (точка С на рис.2-21) сконденсировать, то получится жидкая смесь с содержанием легкокипящего компонента х₂ (точка D). После вторичной перегонки полученной жидкой смеси равновесное содержание легкокипящего компонента в парах соответствует точке Е. Каждая последующая перегонка увеличивает содержание легкокипящего компонента в конденсате паров, и если жидкая смесь не имеет азеотропической точки, то методом последовательной дистилляции можно получить летучий компонент в почти чистом виде. Метод последовательной дистилляции промышленного значения не имеет вследствие сложности установки, состоящей из большого количества аппаратов.

Рис.2-22. Дистилляционная установка.

1 – перегонный куб; 2 – конденсатор; 3 – бак для дистиллята; 4 – термометр;

5 – кран для спуска кубового остатка; 6 – топка.

Простую – однократную – дистилляцию в промышленных условиях применяют в тех случаях, когда не требуется полное разделение смеси на компоненты или когда точки кипения отдельных компонентов настолько далеки друг от друга, что содержание легколетучего компонента в парах очень велико по сравнению с содержанием его в жидкости. Кроме того, простая дистилляция применяется для отделения от жидкой смеси нелетучих примесей, а также для предварительного глубокого разделения сложных жидких смесей, например нефти или каменноугольной смолы.

На рис.2-22 показана промышленная установка небольшой производительности для простой дистилляции. Она предназначена для перегонки смесей с высокой температурой кипения, вследствие чего перегонный куб 1 обогревается топочными газами. При низких температурах кипения куб снабжается паровым змеевиком.

В установках периодического действия по мере дистилляции и удаления летучего компонента температура перегоняемой смеси и ее паров повышается. Дистилляцию обычно ведут до определенной заданной температуры перегоняемой жидкости. Остаток смеси выпускают через кран 5 и вновь заполняют куб первоначальной смесью. В тепловом отношении такие установки неэкономичны.

Ректификационные установки

Процессы в ректификационных установках и изображение их в диаграммах.

Практическое осуществление многократной дистилляции и дефлегмации (частичной конденсации путем поверхностного охлаждения) в конструктивном оформлении весьма сложно (см. рис.2-21). Поэтому на практике применяют принцип многократной частичной конденсации и сепарации путем ректификации, т.е. многократного тепло- и массообмена без ограничительной стенки.

На рис.2-23 показаны схемы и процессы тепло- и массообмена на t-x-диаграмме в упрощенной ректификационной колонне с тремя тарелками, которые имеют по одному колпачку (в действующих колоннах иногда устанавливают более 30 колпачков на тарелке). Иногда вместо тарелок колонна имеет сита или заполняется насадкой из колец Рашига.

Рис.2-23. Принципиальная схема ректификационной колонны и процесс

ректификации на t-x-диаграмме.

I – перегонный куб; II – колонна с тарелками; III – дефлегматор; IV сепаратор;

V – конденсатор; VI – сборный бак для легкокипящего компонента.

Рассмотрим по рис.3-6 совместно принцип работы ректификационной установки и происходящие в ней процессы тепло- и массообмена. В перегонном кубе 1 за счет подвода тепла происходит испарение бинарной смеси. Пары смеси поднимаются в ректификационной колонне, а навстречу им из дефлегматора III стекает некоторая часть дистиллята, которая носит название флегмы. Пары на выходе из ректификационной колонны II с параметрами точки 8 на t-x-диаграмме поступают в дефлегматор III, в котором они частично конденсируются за счет отдачи тепла подаваемой в него воде (процесс идет по линии 8-С₁). Парожидкостная эмульсия с параметрами, соответствующими точке С₁, поступает в сепаратор IV; в нем происходит отделение пара с параметрами точки 10 от жидкости (флегмы), параметры которой определяются точкой 9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор V, где он полностью конденсируется до состояния точки 11 и в виде готового продукта (ректификата) поступает в сборный бак VI.

Процесс тепло - и массообмена на верхней тарелке протекает в следующем порядке: жидкость (флегма), получающаяся в сепараторе IV, с параметрами точки 9 вступает в контакт с парами состояния точки 6, поступающими с предшествующей по ходу пара нижней тарелки; при этом происходит частичная конденсация паров до состояния С₂ и последующая их сепарация, в результате которой образуется пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуется флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т.д. Надежное контактирование флегмы с парами осуществляется благодаря наличию на тарелках колпачков с прорезями в виде зубцов на нижней кромке, через которые проходят пузырьки пара при движении их с нижней тарелки на верхнюю.

Таким образом, ректификация представляет собой процессы тепло- и массообмена при непосредственном смешении жидкой смеси (флегмы) с парами при их многократной частичной конденсации и сепарации. В процессе ректификации флегма, опускаясь и вступая в тепло- и массообмен с парами, поднимающимися по колонне, испаряется за счет тепла конденсации паров и при этом обедняется легкокипящим компонентом, но обогащается высококипящим компонентом за счет частичной конденсации паров; пары же, наоборот, поднимаясь, обогащаются легкокипящим компонентом за счет испарения его из флегмы и обедняются высококипящим компонентом. В результате такого массообмена возможна глубокая разгонка бинарных и многокомпонентных смесей.

Количество флегмы в килограммах, приходящееся на 1 кГ пара в любом рассматриваемом сечении колонны, называется флегмовым числом.

Классификация и схемы ректификационных установок. Ректификационные установки разделяются на действующие периодически и непрерывно. В периодически действующих установках в перегонный куб заливают смесь с некоторой средней концентрацией летучего компонента. После отгонки части летучего компонента жидкость, содержащую в основном тяжелый компонент, сливают из куба и заполняют последний вновь первоначальной смесью.

На рис.2-24,а представлена схема ректификационной установки периодического действия; принцип действия ее был рассмотрен на рис.2-23. Недостатком такой установки является большой расход тепла, вызванный необходимостью периодического прогрева аппаратов и потерями тепла с удаляемой из перегонного куба нагретой смесью после ее разгонки. Кроме того, в процессе перегонки жидкая смесь в кубе беднеет летучим компонентом и для обогащения паров необходимо увеличивать количество флегмы, вследствие чего увеличиваются расходы тепла и охлаждающей воды на дефлегматор. Необходимо отметить и большие трудности автоматизации таких установок. Поэтому ректификационные установки периодического действия применяются только при малых масштабах производства, а также в тех случаях, когда требуется почти полное разделение компонентов (например, при разделении смеси бензол-толуол). На рис.2-25 показан внешний вид установки для периодической ректификации.

В непрерывно действующую ректификационную установку смесь, подлежащая разгонке, подается без перерыва. Наиболее простыми являются установки для разгонки бинарных смесей. Схема такой установки показана на рис.2-24,б. В этой установке ректификационная колонна делится на две части: нижнюю, так называемую исчерпывающую, колонну, в которой во многих случаях летучий компонент отгоняется почти полностью в верхнюю часть колонны, а кубовый остаток с нелетучим компонентом сливается, и верхнюю – укрепляющую – колонну

. а) б)

Рис.2-24. Схемы ректификационных установок.

а – для периодической ректификации; б – для непрерывной ректификации;

1 – перегонный куб; 2 – колонна с тарелками; 3 – дефлегматор; 4 – сепаратор; 5 – конденсатор; 6 – паровой змеевик; 7 – контрольный фонарь; 8 – сборный бак для легкокипящего компонента; 9 и 10 – укрепляющая и исчерпывающая части колонны; 11- сборник кубового остатка; 12 и 13 – теплообменники; 14 – расходный бак.

Устройство и принцип работы установки такие же, как и в установках периодического действия, с той лишь разницей, что в этой установке из дефлегматора в ректификационную колонну возвращается постоянное количество флегмы и непрерывно отбирается постоянное количество готового продукта с определенным процентным содержанием летучего компонента. Правая часть схемы ничем не отличается от рассмотренной схемы периодически действующей установки. В левой части показано, что смесь для разгонки поступает в колонну самотеком из бачка 14, который установлен выше, чем исчерпывающая часть колонны. Перед разгонкой эта смесь подогревается до необходимой температуры последовательно в двух теплообменниках: 12 и 13.

На рис.2-26 изображена принципиальная схема разгонки тройной смеси. В первой ступени схемы в остатке получается смесь с большим содержанием высококипящего компонента С, а часть дистиллята с более летучими компонентами А и В поступает во вторую ступень. Во второй ступени в остатке получается компонент В, а самый летучий из трех – компонент А – поступает в конденсатор второй ступени.

В зависимости от температуры кипения подвергающихся разделению жидких смесей ректификационные установки могут работать: а) при атмосферном давлении – для жидких смесей с температурами кипения при атмосферном давлении от 30 до 200^оС (этиловый спирт, бензол и др.); б) при вакууме – для жидких смесей с температурами кипения при давлении 1ат. (абс.) выше 200^оС (нитротолуолы, нитрохлорбензолы, некоторые продукты перегонки нефти и др.); в) под давлением – для жидких смесей с температурами кипения при давлении 1 ат. (абс.) ниже 30^оС (некоторые углеводороды, альдегиды и т.п.).

Рис.2-25. Внешний вид установки для периодической ректификации.

Рис.2-26. Схема разгонки тройной смеси.

Применение вакуума дает возможность использовать для перегонки высококипящих смесей греющий пар с относительно низкими параметрами, что имеет большое практическое значение.

В табл.2 показана зависимость температур кипения некоторых смесей от давления. Данные таблицы показывают, что если, например, перегонку паранитротолуола вести при атмосферном давлении с температурным перепадом 20^оС, то необходимо применять греющий пар с давлением 35 ат.(абс.). При вакууме можно осуществить перегонку греющим паром с давлением 5-6 ат. (абс.).

Зависимость температур кипения некоторых смесей от давления Таблица 2.

В большинстве практических случаев нагрев и испарение смеси в ректификационных установках проводят «глухим» водяным паром, т.е. паром, поступающим в змеевик. Обогрев «острым» паром (поступающим непосредственно в жидкость) ведется только в установках для перегонки высококипящих компонентов в смеси с водяным паром. Применение топочных газов для целей обогрева не нашло широкого распространения, так как при этом неудается обеспечить точное регулирование процесса, необходимое для работы ректификационных установок. Другие высокотемпературные теплоносители, а также электрический обогрев, допускающие точную регулировку процесса, не нашли применения вследствие сравнительно высокой стоимости необходимого для этого оборудования и большой сложности эксплуатации его.

Основным недостатком существующих ректификационных колонн с тарелками или насадкой является громоздкость их. Высота ректификационных колонн, например, в нефтяной промышленности достигает 30 м, диаметр 5 м и количество туннельных тарелок 50.

Отечественные ректификационные колонны, схемы которых представлены на рис.2-27, в зависимости от их внутреннего устройства для распределения стекающей флегмы и восходящих паров разделяются на колпачковые (с капсульными – рис.2-27,а и туннельными – рис.2-27,б колпачками, ситчатые (рис.2-27,в) и насадочные (рис.2-27,г).

.

Рис.2-27. Типы ректификационных колонн.

а – с капсульными колпачками и радиальным переливом; б – с туннельными желобчатыми колпачками и диаметральным переливом; в – с ситчатыми тарелками;

г – с насадками из колец Рашига; 1 – тарелка с капсульными колпачками; 2 – тарелка с туннельными колпачками; 3 – ситчатая тарелка; 4 – насадка; 5 – сливные трубки;

6 – тарелка для равномерного орошения насадки; 7 – люк; 8 – подогреватель.

Колонна представляет собой вертикальный цилиндр, изготовленный из стали, чугуна или керамики и состоящий из нескольких царг, соединенных герметично при помощи разъемных фланцев.

Рис.2-28. Колпачковые тарелки ректификационных колонн.

а – с капсульными круглыми колпачками; б – с туннельными колпачками (две проекции);

1 – колпачок; 2 – крепление колпачка; 3 – сливная труба; 4 – диск тарелки.

Капсульные колпачки или колпачки с круглым сечением в большинстве случаев применяются в колоннах небольших диаметров при диаметрально противоположном расположении приточных и сливных трубок (рис.2-28,а) так, что жидкость течет в плоскости тарелки в одном направлении, а по высоте, колонны – зигзагообразно. Восходящий поток пара встречает на одной и той же тарелке жидкость (флегму), состав которой изменяется в направлении движения ее от приточной трубы к сливной. При большом числе колпачков условия тепло- и массообмена в пределах одной и той же тарелки различны, причем они более благоприятны в месте притока флегмы, чем вблизи сливной трубы. Поэтому в некоторых случаях применяют радиальный слив флегмы, как это показано на рис.2-27,а. В такой конструкции флегма с верхней тарелки стекает по центральной трубе, а со следующей (нижней) – по периферийным трубам, а затем – снова по центральной и т.д. Такой перелив флегмы может применяться и для тарелок с другими типами колпачков.

В колоннах больших диаметров на тарелки в большинстве случаев устанавливают прямоугольные или туннельные колпачки (рис.2-28,б), число которых для одинаковых условий тепло- и массообмена требуется меньшее; например, при диаметре колонны 3 м на одной тарелке должно быть размещено 284-288 капсульных или 20 туннельных колпачков.

Наряду с колпачковыми тарелками в промышленности применяются ректификационные колонны с ситчатыми (решетчатыми и дырчатыми) тарелками

(рис.2-29), на которых слой жидкости (флегмы) удерживается давлением восходящего потока пара, прорывающегося через отверстия в ситах и барботирующего через слой жидкости. Жидкость, как и в колпачковых тарелках, перетекает с тарелки на тарелку по переточным трубам; предельный уровень жидкости на тарелке регулируется высотой сливной трубки. В колоннах с тарелками такой конструкции сливные устройства перестают работать при уменьшении количества поднимающегося по колонне пара, когда скоростной напор становится недостаточным для поддержания соответствующей высоты слоя жидкости на тарелке. В этом случае жидкость стекает на нижележащую тарелку через те же отверстия, через которые проходит пар, и работа тарелки происходит по принципу работы ситчатых тарелок провального типа: в них паровая и жидкая фазы контактируют при противоточном движении струй без достаточного барботажа, что может ухудшать тепло- и массообмен.

Рис.2-29. Ситчатые тарелки ректификационных колонн.

а – решетчатая тарелка; б – дырчатая тарелка;

1 – тарелки; 2 – сливные трубы; 3 – опорное полукольцо.

Нормальная работа ситчатых тарелок возможна только при сохранении чистых отверстий тарелок, поэтому применение их допустимо лишь для разделения жидких смесей, не содержащих взвешенных частиц и не дающих твердого осадка в процессе ректификации.

В насадочных колоннах насадка состоит из колец Рашига (металлических, фарфоровых, керамических), пустотелых шаров, дробленого кокса, кварца и других материалов. Выбор формы насадки и материала ее диктуется в каждом отдельном случае физико-химическими свойствами разделяемой жидкой смеси и условиями ректификации.

Недостатком насадочных колонн по сравнению с другими типами колонн является большое гидравлическое сопротивление для движения пара.

Каждая из рассмотренных ректификационных колонн может иметь любой из показанных на рис.2-27 типов подогревателей или какую-либо другую систему подогрева перегоняемой смеси.

В настоящее время появились ректификационные колонны с вращающимися тарелками, занимающие мало места, несмотря на большую производительность.

На рис.2-30 показана принципиальная схема ректификационной колонны с вращающимися тарелками, служащей для выделения из воды концентрата тяжелой воды. Подобная колонна производительностью 8 л/ч при флегмовом числе, равном 20, имеет диаметр всего 150 мм и число тарелок 1250, что совершенно несоизмеримо с таковыми для любой из обычных колонн. Несмотря на это, высота колонны составляет всего лишь 10,2 м, включая соединительные части. Тарелки представляют собой конические воронки с углом наклона стенок около 40^о. Половина тарелок по периферии прикрепляется к неподвижному цилиндрическому корпусу 1; другая половина прикрепляется у центра к вращающемуся валу 5 и вместе с ним вращается. Вращающиеся тарелки 3 чередуются с неподвижными тарелками 4. Между краями неподвижных тарелок и валом с одной стороны и вращающимися тарелками и корпусом – с другой оставляются зазоры. Расстояние между двумя соседними тарелками (неподвижной и вращающейся) составляет всего 8 мм, чем и объясняется малая высота колонны. Диаметр вала равен 25 мм; число оборотов его 240 в минуту; мощность привода вала 0,5 кВт. Вал по высоте охватывается через каждые 1,5 м шариковым подшипником, работающим без смазки. Для удобства монтажа и разборки весь корпус составляется из отдельных царг длиной 1,5 м, соединяемых фланцами; каждая царга содержит опору для шарикового подшипника.

Рис.2-30. Принципиальная схема и царга ректификационной колонны

с вращающимися тарелками

1 – корпус; 2 – электропривод; 3 – вращающаяся тарелка; 4 – неподвижная тарелка;

5 – вал; 6 – подшипник.

Флегма поступает в верхнюю часть колонны, опускается по неподвижной тарелке и у центра переливается на лежащую ниже вращающуюся тарелку. Под влиянием центробежного эффекта флегма ползет по вращающейся тарелке вверх, доходит до ее верхней кромки на периферии и в виде сплошной кольцевой пленки переливается на лежащую ниже неподвижную тарелку. Пар все время движется над поверхностью флегмы противотоком. Дисперсность пленки на вращающихся тарелках обеспечивает активные тепло- и массообмен, благодаря чему к.п.д. тарелок доходит до 85%.

В последние годы промышленное применение получил новый метод перегонки – молекулярная дистилляция высокомолекулярных органических смесей при глубоком вакууме (10^-3-10^-4 мм рт.ст.). При такой перегонке свободный пробег молекул дистиллируемой жидкости по величине равен или больше расстояния между испаряющей и конденсирующей поверхностями. Этот способ позволяет выделить из жидкости неустойчивые вещества без термического разложения их и обеспечивает возможность получения, например, витаминов А и Е, пенициллина, специальных масел для диффузионных насосов и т.п.