Простой перегонный куб

Для начала полезно провести аналогию. Самогонщик из Кентукки использует простой перегонный куб, чтобы отделить светлый продукт от негодного остатка (см.рис. 3.1). После ферментации кислого сусла, то есть когда прошла медленная биохимическая реакция с образованием спирта, смесь нагревают до начала кипения спирта. Светлый продукт испаряется. В виде пара он оказывается легче жидкости. Поэтому он перемещается вверх, отделяется от жидкости и попадает в холодильник, где охлаждается и снова превращается в жидкость, то, что остается в кубе выбрасывают то, что ушло вверх, разливают в бутылки. Описанный процесс является простой перегонкой. Если бы самогонщик захотел продать продукт качеством выше среднего, он мог бы пропустить полученную жидкость через второй перегонный куб периодического действия, работающий аналогично первому. Во втором кубе более легкая часть жидкости отделилась бы от некоторого количества не спиртовых примесей, которые в первом кубе были увлечены вверх вместе с более легким погоном.

Это произошло из-за того, что самогонщик не мог точно выдержать температуру кипения кислого сусла. Впрочем, возможно, он специально поднял температуру в первом кубе немного выше, чем нужно, чтобы получить как можно больше продукта. Такой двухступенчатый процесс можно превратить в непрерывный, как это показано на рисунке 3.2. В самом деле, раньше многие промышленные установки для перегонки выглядели именно так.

Ректификационная колонна Ясно, что периодическая перегонка, описанная выше, не годится для переработки 100—200 тыс. баррелей (-16—32 тыс. м3) сырой нефти в день, тем более что нужно разделить нефть на 5—6 компонентов. Ректификационная колонна позволяет проводить эту операцию постоянно, затрачивая гораздо меньше труда, оборудования и энергии в виде топлива и тепла.Процесс, происходящий в ректификационной колон не, схематично показан на рисунке 3.3. Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бутан и более лёгкие газы), бензин, нафта (лигроин), керосин, лёгкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток. Чтобы понять, как все происходит внутри колонны, требуется рассмотреть некоторые тонкости. Первый элемент, который необходим для работы колонны — это сырьевой насос, перекачивающий сырую нефть из складского резервуара в систему (см. рис. 3.4). Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до темпера туры порядка 385°С (750°F). Из предыдущей главы Вы знаете, что при этой температуре, как правило, испаряется больше половины нефти.

Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну. Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плотная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх, проходя через тарелки (рис. 3.5).Отверстия в тарелках снабжены приспособлениями, называемыми барботажными колпачками (рис. 3.6). Они нужны для того, чтобы пары, поднимающиеся через тарелки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящийся на тарелке. Это пробулькивание газа через слой жидкости и составляет суть ректификации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С

(750°F) проходят через жидкость. При этом тепло передается от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. По мере переноса тепла от паров к жидкости, температура паров снижается. Так как температура жидкости ниже, некоторые соединения в парах конденсируются (сжижаются). После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжелых углеводородов, они поднимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс. Тем временем количество жидкости на каждой тарелке растет за счет углеводородов, конденсирующихся из паров. Поэтому в колонне устанавливают приспособление, которое называется сливной стакан и позволяет избытку жидкости перетекать вниз на следующую тарелку. Число тарелок должно быть таким, чтобы общее количество продуктов, выходящих из ректификационной колонны, было равным количеству сырой нефти, поступающей внутрь. В действительности, некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно — в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколько тарелок вниз через сливные стаканы.

Именно эта промывка пара жидкостью за счет противотока и обеспечивает четкое разделение фракций. За один проход это было бы невозможно. На различных уровнях колонны имеются боковые отводы (рис. 3.7) для отбора фракций — более легкие продукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.