Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн

В ректификационных колоннах воздухоразделительных установок воздух или ранее выделенные из него смеси разделяются на целевые продукты (кислород, азот, аргон и др.) или концевые и промежуточные фракции (обога­щенная кислородом кубовая жидкость, аргонная фракция и др.). Концевые и промежуточные фракции, не являющиеся целевыми продуктами, поступают в последующие по технологической линии колонны или выводятся из уста­новки в качестве побочных продуктов.

В состав установок разделения воздуха может входить от одной до пяти-шести ректификационных колонн, назначение, условия работы и габариты которых различны. Основные (верхняя и нижняя) колонны имеют большие размеры и работают при наиболее низкой в установке температуре. Их кон­струкция существенно сказывается на габаритных размерах блока разделе­ния, потерях холода в окружающую среду через изоляцию и на удельном рас­ходе энергии, а также на удельных металлозатратах на единицу продукта (или перерабатываемого в установке воздуха). Гидравлическое сопротивле­ние верхней колонны влияет на удельный расход энергии в установках низ­кого давления.

При форсировании установок пропускная способность и эффективность действия ректификационных колонн зачастую лимитирует производитель­ность всего блока. Поэтому к выбору расчетных параметров и к эксплуата­ционным характеристикам колонн предъявляются высокие требования.

В термодинамическом и технологическом расчетах установок рассматривают статику процесса ректификации и выявляют балансовые соотношения потоков и необходимые характеристики раздели­тельного действия (например, число теоретических тарелок) соответствующих колонн.

Выбор типа, конструирование и расчет колонн, обеспечивающих задан­ные производительность и разделение при оптимальных размерах и гидрав­лических сопротивлениях этих аппаратов, является самостоятельной зада­чей, для разрешения которой необходим учет кинетики процесса ректифика­ции и гидравлики работы колонн.

В процессе ректификации могут быть применены различные по типу конструкции и по определяющим размерам колонны. Конструкцию и основ­ные размеры колонн выбирают в результате сопоставительных расчетов в зависимости от требований (например, ограничение диаметра из условий транспортирования с завода-изготовителя на место монтажа, ограничение высоты для колонн транспортных установок, ограничение сопротивлений и т. п.).

Расчет основных размеров колонн базируется на положениях теории массообмена и гидравлики.

Смеси разделяются в ректификационной колонне в результате контакта и взаимодействия потоков стекающей по колонне жидкости и поднимающегося из испарителя пара, состоящих из одинаковых компонентов. Ректификация является массообменным (диффузионным) процессом. Противоточное движе­ние фаз в ректификационной колонне вызывает нарушение равновесия между жидкостью и паром, встречающимся в каждом сечении по высоте колонны. При контакте неравновесных по составу фаз происходит перераспределение компонентов смеси между фазами. Равновесие характеризуется равенством химических потенциалов распределяемого компонента в обеих сосуществую­щих фазах. Поэтому естественное, распределение каждого компонента системы направлено к выравниванию его химических потенциалов в обеих контакти­рующих фазах. Разность химических потенциалов является движущей силой процесса, диффузионный поток данного компонента через поверхность кон­такта направляется в сторону фазы с меньшим значением его химического потенциала.

В результате в каждом рабочем сечении колонны происходит процесс контрдиффузии легколетучих компонентов из жидкости в пар, а тяжелолетучих из пара в жидкость. Этот процесс сопровождается изменением темпе­ратур в потоках пара и жидкости по высоте колонны.