Ректификационные колонны

Ректификационные колонны широко применяются на техноло­гических установках НПЗ и НХЗ для разделения смесей. Схема ти­повой ректификационной колонны приведена на рис. 8.3. Целью расчета ректификационных колонн является определение парамет­ров технологического режима и размеров аппарата. К параметрам режима относятся: рабочее давление в аппарате, температуры входа и выхода различных материальных потоков, расход теплоты на ис­парение остатка и расход холода на конденсацию дистиллята.

Рис. 22. Схема ректификаци­онной колонны:

/— сырье; //— ректификат; III — циркулирующая горячая струя; IV — остаток; V — холодное оро­шение

Прежде, чем приступить к опреде­лению параметров режима, составляют материальный баланс колонны, бази-// руясь на данных об исходном сырье

и четкости разделения. Затем опреде­ляют давление в колонне. Критерием для выбора давления, как правило, яв­ляются соображения технологического характера. Так, повышенное давление применяется при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например сжиженных газов. При ректификации под давлением повыша­ется температура конденсации паров iv дистиллятов, что позволяет использовать для конденсации недорогие хлад­агенты — воду и воздух. Понижение давления необходимо, когда разделе­нию подлежат высококипящие и тер­мически нестабильные компоненты (тяжелые фракции нефти, синтетиче­ские жирные кислоты и т. п.). В осталь­ных случаях ректификация проводится при давлении, близком к атмосферному: в рефлюксной емкости давление равно 0,1 МПа, а на верху колонны — на 0,015—0,03 МПа выше. Часто выбор давле­ния определяется требуемым фазовым состоянием в емкости.

Температурный режим колонны устанавливают на основании данных о составе внешних потоков. При ректификации многоком­понентных смесей, которая осуществляется на многих технологи­ческих установках НПЗ и НХЗ, температуры находят в результате подбора таких значений температур, при которых удовлетворяются следующие уравнения:

1) для жидкого потока

2) для парового потока

3) для парожидкостного потока с заданной мольной долей отгона е:

Здесь и далее х, у — мольные концентрации компонентов жидкого и парового потока соответственно; к — константа равновесия.

При ректификации сложных смесей (нефть, продукты ее пере­работки) температуры потоков можно определять по аналогии с многокомпонентными смесями (например, разбивая нефть или широкую углеводородную фракцию на узкие фракции, которые затем приравниваются к индивидуальным соединениям) или по кривым однократного испарения (ОИ).

Линии ОИ можно построить на основании экспериментальных • данных. Для приближенных вычислений используют методы расче­та кривых ОИ по линиям истинных температур кипения (ИТК) или разгонки по ГОСТ. Существуют методы построения ОИ, предло­женные российскими учеными С. Н. Обрядчиковым, Е. В. Смидович, Н. А. Пирумовым, американскими специалистами В. Л. Нель­соном и Д. Харви.

Температуру верха колонны определяют, используя уравнение (8.3), или как температуру 100%-го отгона на кривой ОИ ректифи­ката. При расчете температуры верха колонны, работающей с пода­чей водяного пара и острого испаряющегося орошения, следует учитывать парциальное давление паров воды и орошения. Темпера­туру низа колонны определяют, используя уравнение (8.2), или как температуру нулевого отгона на кривой ОИ остатка. В колоннах, работающих с подачей водяного пара, температуру низа находят на основании опытных данных или по уравнению теплового баланса отгонной части, задаваясь количеством фракции, которое необхо­димо отпарить из остатка. В последнем случае рекомендуется, что­бы количество образовавшихся паров не превышало 25—30 % от остатка.

При определении температуры сырья необходимо знать, в ка­ком состоянии оно должно поступать в колонну. Если сырье будет поступать в жидком виде, то при расчете используют уравнение (8.2), если в парообразном — уравнение (8.3), а если в парожидко-стном состоянии — уравнение (8.4).

При использовании для расчета линий ОИ температура ввода сырья может соответствовать точке нулевого и 100%-го отгона или некоторой точке на кривой, зависящей от доли отгона. В случае сложных колонн приходится определять также температуру вывода боковых погонов. Эту температуру рекомендуется находить, приме­няя уравнение (8.2), или как температуру начала ОИ при нулевой доле отгона и парциальном давлении паров выводимой фракции. Для продуктов, у которых температура выкипания 50 % (t₅₀) нахо­дится в пределах от 175 до 345 °С, можно воспользоваться эмпири­ческим уравнением

Основными параметрами, определяющими заданное разделе­ние в процессе ректификации, являются флегмовое число (крат­ность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего ороше­ния, вводимого в колонну, к количеству дистиллята. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить число тарелок, и наоборот. При минимальном флегмовом числе Я_мин необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соот­ветствуют оптимальному флегмовому числу R_om и оптимальному числу тарелок.

Для бинарных смесей

где — мольные концентрации низкокипящего компонента в дистилля­те, паровой фазе сырья и жидкой фазе сырья соответственно.

Для многокомпонентных смесей R_Mm можно определить с по­мощью метода Андервуда. Расчет ведут, применяя следующие урав­нения:

где a,- — коэффициент относительной летучести компонента / смеси; x_DJ, x_FJ — мольные концентрации компонента / в дистилляте и жидкой фазе сырья соответ­ственно; 0 — корень уравнения, который определяется методом последователь­ных приближений; ё — мольная доля отгона сырья на входе в колонну.

Коэффициент относительной летучести а представляет собой отношение константы равновесия компонента смеси к константе равновесия самого тяжелого ключевого компонента сырья, рассчи­тываемое для средней температуры в колонне. Ключевыми называ­ются пограничные компоненты, между которыми проводится за­данное разделение: наименее летучий компонент дистиллята будет легким ключевым, а наиболее летучий компонент остатка — тяже­лым ключевым.

Оптимальное флегмовое число находится по выражению

где К= 1,15—1,55 — для колонн, работающих при атмосферном и повышенном давлении, К= 1,3—2,6 — для вакуумных колонн.

Для оценки оптимального флегмового числа можно также ис­пользовать формулу, рекомендованную Гиллилендом:

Располагая материальным балансом и сведениями о темпера­турном режиме и кратности орошения, составляют тепловой баланс колонны. Тепловой баланс простой ректификационной колонны имеет вид:

где F, R, D — количество сырья, остатка и дистиллята соответственно; /— мас­совая доля отгона сырья на входе в колонну; q_lF, q'f_F, q"_D, q'f_R — энтальпия паровой и жидкой фаз сырья, паров дистиллята, жидкого остатка соответствен-, но; Q_D — количество теплоты, отводимой орошением; Q_R — количество теплоты, вносимой в низ колонны из печи или из кипятильника [Q_R = R_om D(q"_D - <7*_ор)]; q'f _op — энтальпия холодного орошения при температуре его ввода в колонну; Q'_nor — тепловые потери.

При расчетах сложных колонн составляют тепловые балансы отдельных секций; для отвода избыточной теплоты в каждой из секций применяют циркуляционные орошения.

Внутренние материальные потоки в колонне находят с помо­щью следующих выражений:

1) количество флегмы,, стекающей с тарелок верхней части ко­лонны,

2) количество паров в верхней (концентрационной) части ко­лонны

3) количество паров в нижней (отгонной) части колонны

4) объем паров в рабочих условиях колонны

где X_D, X_R — теплоты испарения ректификата и остатка соответственно; Т, р — температура и давление в произвольном сечении колонны соответственно; z — коэффициент сжимаемости; М — молекулярная масса. :

Следующий этап расчета'— определение числа теоретических и действительных (практических) тарелок. При ректификации би­нарных смесей число теоретических тарелок можно определить, решая совместно уравнения равновесия фаз, материального и теп­лового балансов и используя графический метод расчета (метод Мак—Кэба—Тиле).

При ректификации многокомпонентных смесей число теорети­ческих тарелок определяют методом "от тарелки к тарелке", при­ближенными (по Львову—Серафимову и др.) или эмпирическими методами. При использовании эмпирического метода Гиллиленда проводят следующие операции:

1) определяют. Я_мин и R_onT;

2) рассчитывают минимальное число теоретических тарелок N_mm, соответствующее бесконечному количеству орошения,

где х_л, Xj — мольные доли легкого и тяжелого ключевых компонентов соответ­ственно; а" — отношение летучестей легкого и тяжелого ключевых компонен­тов; индекс D относится к ректификату, индекс R — к остатку;

3) по графику Гиллиленда (рис. 23) находят величину отноше­ния (N- N_Mm)/(N+ 1);

4) вычисляют N — число действительных тарелок.

Число действительных тарелок зависит от эффективности используемых для разделения ректификационных ус­тройств, а также от свойств разделяемой смеси. Отношение между числами действительных и теоретических таре­лок называется КПД тарелки. КПД применяемых в настоящее время рек­тификационных тарелок составляет 0,4—0,7. Для определения КПД может быть использовано выражение

Рис. 23. График Гиллиленда для расчета числа теоретических та­релок при ректификации много­компонентных смесей

Расчеты ректификационных ко­лонн требуют значительных затрат вре­мени. Сократить это время, а также повысить точность расчетов, выявить оптимальные значения рассчитываемых параметров (на­пример, оптимального флегмового числа и числа ректификацион­ных тарелок) позволяет использование средств вычислительной техники. В течение последних 30 лет для моделирования процесса ректификации, составления теплового и материального баланса колонн, определения нагрузок по жидкостным и газовым потокам на каждую тарелку колонны, кипятильник и конденсатор, определе­ния теплофизических свойств потоков используются в основном про­граммы Hysys и Pro II, описание которых дано в разделе 7.8.

Дальнейшим этапом расчета ректификационных колонн явля­ется выбор типа тарелок, определение диаметра колонны и конк­ретных технических характеристик тарелок. Существуют различ­ные конструкции ректификационных тарелок. Наиболее широкое распространение в нефтепереработке и нефтехимии получили кла­панные прямоточные, клапанные балластные тарелки, тарелки с S-образными элементами, решетчатые и ситчатые тарелки.

Для ориентировочного определения диаметра колонны D_K (м) используется выражение

где V — объемный расход паров в расчетном сечении колонны, м³/с; w — допу­стимая скорость паров в колонне, м/с.

Величину w рассчитывают по формуле

Здесь р_ж, р_п — плотность жидкости и паров соответственно, кг/м³; С_шкс — коэф­фициент, зависящий от типа применяемой тарелки, расстояния между тарелка­ми, нагрузки по жидкости, поверхностного натяжения жидкости.

Значение С_шкс находят по графику, приведенному на рис. 24. Детальный гидравлический расчет ректификационных тарелок проводится по специальным методикам, приведенным в литерату­ре. В процессе расчета находят допустимую скорость жидкости в сливном стакане, гидравлическое сопротивление орошаемой та­релки, величину межтарельчатого уноса жидкости, размер наиболее узкого сечения перелива, высоту слоя жидкости в сливном устрой­стве, величину вылета ниспадающей струи жидкости, время пребы­вания жидкости на тарелке, диапазон устойчивой работы тарелки.

Рис. 24. График для определения допустимой скорости паров в ректификационных колоннах:

7 — ситчатые, каскадные и решетчатые тарелки (при максимально допустимой производительно­сти); 2 — ситчатые, каскадные и решетчатые тарелки (при нормальной производительности), тарелки с круглыми колпачками; 3 — тарелки с S-образны-ми элементами и желобчатыми колпачками при жидкостной нагрузке 20-40 м³/(м • ч); За —• то же для условий, когда нагрузка меньше 20 м³/(м • ч); 36 — то же для условий, когда нагрузка больше 40 м³/(м • ч); 4 — вакуумные колонны с брызгоулав-ливающими устройствами; 5 — отпарные колонны абсорбционных установок; 6 — абсорбционные ко­лонны; 7 — вакуумные колонны; С_мш. — коэффи­циент, зависящий от типа применяемой тарелки, м/с; Я — расстояние между тарелками, мм

Для гидравлического расчета ректификационных колонн с уче­том внутренних устройств (различной конфигурации тарелки или насадки) также используются программы Hysys и Pro II.

Корпуса ректификационных колонн изготавливаются машино­строительными заводами в Дзержинске (Нижегородская область), Волгограде, Подольске, Туймазах (Татарстан), на Ижорском заводе. Изготовителями ректификационных тарелок являются заводы в Туймазах, Алексине (Тульская область), Дзержинске, Черновцах (Украина).