Классификация колонных аппаратов

Аппараты колонного типа могут быть классифицированы в зависимости от технологического назначения, рабочего давления и типа контактных (массообменных) устройств (рисунок 2.9) [5,6,7,8,9].

В зависимости от назначения каждый массообменный аппарат носит наименование конкретного, целенаправленного массообменного процесса: ректификационная колонна, абсорбер, адсорбер, экстрактор и т.д.

Ректификационная колонна – это аппарат, в котором происходит процесс ректификации, т.е. массообмен между жидкой и паровой фазами для четкого разделения компонентов (смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целевых продуктов требуемой концентрации). Такое разделение обеспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двусторонний массообмен между двумя фазами растворов, одна из которых паровая, другая – жидкая. Диффузионный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при условии, что температуры кипения жидкостей различны. Для осуществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше контактировать между собой, двигаясь в ректификационной колонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом сверху вниз, пары – снизу вверх.

Из свойств равновесной системы известно, что при контактированиинеравновесных паровой и жидкой фаз система стремится к состоянию равновесия в результате массообмена и теплообмена между этими фазами. Следовательно, для протекания ректификации необходимо, чтобы контактируемые жидкость и пары при одном и том же давлении не были равновесными. Иными словами, нужно, чтобы температура жидкости была ниже температуры паров.

Ректификационные колонны широко применяются в различных отраслях промышленности, в частности, в нефтегазопереработке для разделения нефти и мазута на установках первичной перегонки нефти (АВТ), бензина на установках вторичной перегонки, углеводородных газов на газофракционирующих установках (ГФУ), продуктов реакций на установках хи

Рисунок 2.9 – Классификация колонных аппаратов

Абсорбер – это аппарат для избирательного поглощения жидкостью (абсорбентом) целевых составных частей исходной газовой смеси (рисунок 2.10, 2.11).

Процесс абсорбции протекает тогда, когда парциальное давление или концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси больше, чем в абсорбенте. Чем больше эта разность, тем интенсивнее переход компонента из газовой смеси в жидкость (абсорбент). Когда парциальное давление или концентрация компонента в жидкости больше, чем в газовой смеси, происходит десорбция – выделение растворенного газа из раствора.

Абсорберы и десорберы работают попарно. В некоторых случаях абсорбцию и десорбцию осуществляют последовательно в одном и том же аппарате. Абсорберы и десорберы обычно конструктивно не отличаются друг от друга.

Рисунок 2.10 – Абсорбер с регулярной насадкой

Рисунок 2.11 – Абсорберс комбинированными контактными устройствами

Адсорбер – аппарат, в котором протекает процесс адсорбции, т.е. массообмен между твердой и жидкой фазами для извлечении из смеси нужных компонентов.

Процесс адсорбции заключается в избирательном поглощении вещества поверхностью адсорбента – пористого твердого тела. Такое поглощение объясняется наличием сил взаимного притяжения между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества. Адсорбенты используют в виде зерен размером до 10 мм и в пылевидном состоянии. Применяют также молекулярные сита – синтетические цеолиты, имеющие поры одинаковых размеров.

Адсорбцию обычно применяют для разделения «бедных» смесей (содержащих незначительные количества поглощаемых веществ) и смесей, состоящих из трудноразделяемых компонентов. На нефтеперерабатывающих заводах путем адсорбции производят очистку масел и парафина, извлечение бензина из углеводородных газов, осушку газов, воздуха и т.п.

Поглощенное адсорбентом вещество выделяется из него десорбцией – процессом, обратным адсорбции. В результате десорбции и последующей обработки адсорбента он регенерируется и может быть использован вновь.

Десорбцию и регенерацию адсорбента проводят водяным паром и различными жидкостями, из которых затем извлекают целевые вещества. Нецелевые компоненты можно выжигать, если при этом регенерируемый адсорбент не потеряет присущих ему свойств.

В большинстве случаев адсорберы и десорберы – колонные аппараты. Наиболее сложны аппараты непрерывного действия – адсорберы с движущимся зернистым адсорбентом и адсорберы с кипящим слоем адсорбента.

Экстрактор – аппарат, в котором осуществляется процесс экстракции, т.е. массообмен между двумя жидкими фазами для удаления из смеси нежелательных компонентов и т.д.

Жидкостную экстракцию в нефтепереработке применяют для очистки масел, а также в производстве дизельного топлива и керосина. Процесс экстракции заключается в разделении смеси компонентов путем обработки твердой или жидкой фазы жидким избирательным растворителем. В качестве избирательных растворителей используют фурфурол, фенол, жидкий сернистый ангидрид, диэтиленгликоль, жидкий пропан и др.

Конструкции экстракторов должны обеспечить тщательное контактированиемассообменивающихся фаз и их последующее разделение. Большинство экстракторов представляет собой колонны с тарелками или насадкой. В колоннах экстракция осуществляется контактированием в противотоке рафинатного и экстрактного растворов.

В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяются на атмосферные, вакуумные и колонны, работающие под избыточным давлением (см. рисунок 2.9).

К атмосфернымколоннам обычно относят колонны, в верхней части которых рабочее давление незначительно превышает атмосферное и определяется сопротивлением коммуникаций и аппаратуры, расположенных на потоке движения паров ректификата после колонны. Давление в нижней части колонны зависит в основном от сопротивления ее внутренних устройств и может значительно превышать атмосферное (например, колонна для разделения смеси этилбензола и ксилолов). В колоннах, работающих под избыточным давлением, величина последнего может значительно превышать атмосферное – давление может достигать 100 и более МПа.

Давление является одним из важных факторов эксплуатации колонн. Например, для процессов ректификации главной предпосылкой для его выбора является температурный режим процесса. Повышенное давление позволяет осуществить фракционирование при высоких температурах, что необходимо в случае разделения смесей, состоящих из компонентов с низкими температурами кипения (ректификация низкомолекулярных углеводородов).

В ректификационной колонне давление меняется по высоте аппарата в зависимости от гидравлических сопротивлений тарелок и отбойных устройств.

Для разделения компонентов с высокой температурой кипения ректификацию нужно проводить при низких температурах, чтобы избежать разложения высокомолекулярных углеводородов – при температуре их кипения. С этой целью ректификацию проводят в вакуумных колоннах, где температуры кипения искусственно снижают в зависимости от величины вакуума. Особенно распространены вакуумные колонны, применяемые на мазутоперегонных установках для получения масляных дистиллятов.

В вакуумныхколоннах давление ниже атмосферного (создано разрежение), что позволяет снизить рабочую температуру процесса и избежать разложения продукта (разделение мазута, производство стирола, синтетических жирных, кислот и др.). Величина остаточного давления в колонне определяется физико-химическими свойствами разделяемых продуктов и главным образом допустимой максимальной температурой их нагрева без заметного разложения.