Ректификация при повышенном давлении
Повышенное давление применяется, когда компоненты при атмосферном давлении являются газами или имеют температуру кипения близкую к температуре окружающей среды.
Небольшое повышенное давление увеличивает температуру верха колонны и температуру конденсации.
Вакуум используют при высоких температурах кипения высококипящих компонентов и их склонности к разложению при нагревании.
Если повышение давления увеличивает относительную летучесть, то может быть оправданной работа при повышенном давлении.
Конденсация паров из колонны высокого давления производится в кипятильнике колонны низкого давления, при этом уменьшается расход воды и энергозатраты: исключается расход теплоносителя для подогрева куба колонны низкого давления и расход хладагента на дефлегматор колонны высокого давления.
Изменение давления по сравнению с атмосферным увеличивает металлоемкость колонны (растет толщина стенки). При повышенном давлении растет плотность и уменьшается объем паров, уменьшается диаметр колонны. Под вакуумом наоборот.
Если в колонне повышенное давление, то растет расход электроэнергии для подачи сырья (насос).
Особенности работы ректификационной колонны с вводом водяного пара.
Ввод водяного пара в ректификационную колонну обусловлен желанием снизить температуру процесса, с тем чтобы избежать разложения нефтепродукта (перегонка мазута, тяжелых нефтяных остатков и т.п.).
Во многих случаях водяной пар вводят под нижнюю тарелку отгонной части ректификационной колонны, чтобы испарить часть жидкости в низу колонны, образовать восходящий поток паров и обеспечить процесс ректификации в нижней части колонны. Особенно это практикуется в тех случаях, когда подвести тепло в низ колонны через кипятильник не представляется возможным или когда не требуется высокой четкости разделения и ввод водяного пара позволяет более просто оформить процесс ректификации.
Подвод тепла с помощью кипятильника в ряде случаев исключается, так как при высокой температуре в низу колонны может произойти термическое разложение продукта: мазута, гудрона, высококипящих дистиллятов и т.п.
При вводе в низ колонны водяного пара парциальное давление паров углеводородов снижается, что способствует испарению жидкости (ее кипению) при более низкой температуре. Тепло, необходимое для испарения жидкости, отнимается от самой жидкости, вследствие чего ее температура понижается.
Расход водяного пара обычно невелик и составляет 1,5 – 3 % массы исходного сырья. Важно, чтобы водяной пар был перегретым или сухим насыщенным, так как вследствие значительной теплоты испарения влаги наличие даже небольшого ее количества приведет к сильному охлаждению остатка и уменьшению массы паров.
Ведение процесса с водяным паром увеличивает общий объем паров и приводит к необходимости иметь колонну большего диаметра.
Способы создания орошения в колонне.
Парциальный конденсатор.Данный способ отвода тепла заключается в том, что пары уходящие с верхней тарелки концентрационной части колонны, поступают в парциальный конденсатор, где частично конденсируются. Образовавшийся при этом поток флегмы, возвращается самотеком на верхнюю тарелку колонн в качестве орошения, а пары дистиллята отводятся из конденсатора. При таком способе образования орошения принимают, что пары дистиллята и поток флегмы, стекающий из парциального конденсатора, находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.
Парциальный конденсатор для отвода тепла на верху ректификационных колонн обычно используют при небольшой их производительности и при сравнительно невысоких температурах верха колонны.
Такое ограничение обусловлено трудностями размещения теплообменного аппарата большой поверхности на верху колонны.
Холодное испаряющееся орошение.
Поток паров с верхней тарелки концентрационной части колонны направляется в конденсатор, где в отличие от парциальной конденсации полностью конденсируется и охлаждается. Образовавшаяся холодная жидкость делится на поток дистиллята и поток холодного орошения, возвращаемого на верхнюю тарелку колонны. Эта холодная жидкость, состав которой равен составу дистиллята, контактирует с парами, поступающими с нижележащей тарелки. В результате этого контакта пары охлаждаются до температуры и, частично конденсируясь, образуют поток горячего орошения, количество которого и определяет процесс ректификации. Холодное орошение, поступившее в колонну, полностью испаряется и вместе с парами дистиллята поступает в конденсатор, где отводится тепло Таким образом, холодное испаряющееся орошение непрерывно циркулирует между верхней тарелкой и конденсатором, являясь переносчиком тепла.
Однако в отличие от парциального конденсатора для эксплуатации такой схемы отвода тепла требуется установка насосов и затрачивается дополнительно энергия для подачи орошения наверх колонны.
Источник
из “Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности Издание 2”
Выбор давления в ректификационной колонне обусловлен главным образом необходимым температурным режимом. Давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне, или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена. [c.155]
Необходимость повышения температуры, а следовательно, и давления в ректификационных колоннах возникает при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например при ректификации таких низкомолекулярных углеводородов, как пропан, бутан, изобутан, пентан и др. [c.155]
Путем подбора соответствующего давления в ректификационной колонне обеспечивают такой температурный режи д, при котором для конденсации паров ректификата в качестве охлаждающих агентов можно использовать дешевые и легко доступные хладо-агенты — воду и атмосферный воздух. Так, например, при получении в качестве ректификата пропана в случае работы колонны под атмосферным давлением температура верха колонны будет равна —42 °С, тогда как при повышении давления до 1,9 МПа она возрастет до +55 °С, что позволит использовать в конденсаторе воду. [c.155]
Повышение температуры верха колонны при соответствующем повышении в ней давления приводит к уменьшению поверхности конденсатора вследствие увеличения средней разности температур между конденсирующимися парами ректификата и охлаждающим агентом. [c.155]
Вместе с тем при повышении давления в колонне увеличивается и температура остатка, отбираемого из низа колонны. Это приводит к увеличению поверхности кипятильника вследствие уменьшения средней разности температур между теплоносителем и нижним продуктом колонны или к необходимости применения более высокотемпературного и более дорогого теплоносителя. [c.155]
Кроме того, давление в ректификационной колонне может быть обусловлено также работой других аппаратов технологической установки, а также сопротивлением аппаратов и коммуникаций, расположенных после ректификационной колонны. [c.155]
Как было отмечено ранее, давление системы влияет также на коэффициенты относительной летучести компонентов смеси. Для большинства смесей эта характеристика с понижением давления увеличивается. Правда, в некоторых случаях может наблюдаться и обратная зависимость. Увеличение коэффициента относительной летучести благоприятно сказывается на процессе ректификации, позволяя снизить количество орошения, уменьшить число тарелок в колонне или повысить четкость разделения компонентов. [c.156]
Наиболее значительно ухудшаются условия ректификации в области высоких давлений, близких к критическому. В этом случае кривая равновесия фаз становится пологой, так как величина коэффициента относительной летучести приближается к единице. [c.156]
Давление в ректификационной колонне влияет также на ее производительность. С увеличением давления удельная производительность колонны растет. Однако при этом необходима большая толщина стенки корпуса колонны, кроме того, увеличиваются затраты на перекачку сырья, орошения и др. [c.156]
Из вышеизложенного следует, что величина давления в ректификационной колонне существенно влияет на ряд показателей ее работы, приводя к улучшению одних показателей и ухудшению других. Поэтому при выборе давления в колонне в каждом конкретном случае необходимо проводить всесторонний анализ. Однако основным критерием, как правило, является обеспечение благоприятного температурного режима. [c.156]
Вернуться к основной статье
Источник
Выбор давления в ректификационной колонне обусловлен главным образом необходимым температурным режимом: давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне, или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена.
Необходимость повышения температуры, а следовательно, и давления в ректификационных колоннах возникает при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например, при ректификации таких низкомолекулярных углеводородов, как пропан, бутан, изобутан, пентан и др.
Путем подбора соответствующего давления в ректификационной колонне обеспечивают такой температурный режим, при котором для конденсации паров ректификата в качестве охлаждающих агентов можно использовать дешевые и легко доступные хладагенты — воду и атмосферный воздух. Так, например, при получении в качестве ректификата пропана при работе колонны под атмосферным давлением температура верха колонны будет равна — 42 °С, тогда как при повышении давления до 1,9 МПа она возрастет до +55 “С, что позволит использовать в конденсаторе воду.
Увеличение температуры верха колонны при соответствующем повышении в ней давления приводит к уменьшению поверхности конденсатора вследствие роста средней разности температур между конденсирующимися парами ректификата и охлаждающим агентом.
Вместе с тем при повышении давления в колонне увеличивается и температура остатка, отбираемого из низа колонны. Это приводит к увеличению поверхности кипятильника или к необходимости применения более высокотемпературного и более дорогого теплоносителя.
Кроме того, давление в ректификационной колонне может быть обусловлено также работой других аппаратов технологической установки, а также сопротивлением аппаратов и коммуникаций, расположенных после ректификационной колонны.
Понижение давления в ректификационной колонне путем создания вакуума позволяет снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов, обладающих высокими температурами кипения или термической нестабильностью. Так, например, благодаря созданию вакуума можно при температурах менее 400 “С осуществить ректификацию мазута, температура кипения которого при атмосферном давлении выше 500 оС, обеспечивая ведение процесса без заметного разложения. В случае ректификации с водяным паром применение вакуума позволяет существенно сократить расход водяного пара.
Давление системы влияет также на коэффициенты относительной летучести компонентов смеси. Для большинства смесей эта характеристика с понижением давления увеличивается. Увеличение коэффициента относительной летучести благоприятно сказывается на процессе ректификации, позволяя снизить количество орошения, уменьшить число тарелок в колонне или повысить четкость разделения компонентов.
Наиболее значительно ухудшаются условия ректификации в области высоких давлений, близких к критическому. В этом случае кривая равновесия фаз становится пологой, так как величина коэффициента относительной летучести приближается к единице.
Давление в ректификационной колонне влияет также на ее производительность. С увеличением давления удельная производительность колонны растет. Однако при этом необходима большая толщина стенки корпуса колонны, кроме того, увеличиваются затраты на перекачку сырья, орошения и др.
Из вышеизложенного следует, что величина давления в ректификационной колонне существенно влияет на ряд показателей ее работы, приводя к улучшению одних и ухудшению других. Поэтому при выборе давления в колонне в каждом конкретном случае необходимо проводить всесторонний анализ. При этом основным критерием, как правило, является обеспечение благоприятного режима.
Источник
Основными параметрами, влияющими на процесс ректификации газовых смесей, являются: давление, температура, количество теоретических тарелок в колонне и флегмовое число.
Повышение давления при ректификации приводит к увеличению температур кипения и конденсации компонентов разделяемых смесей, возможности применения более дешевых хладоагентов в конденсаторах-холодильниках ректификата и уменьшения их теплопередающей поверхности, уменьшению необходимого диаметра колонны или к росту ее производительности при одном и том же диаметре, однако с повышением давления уменьшается коэффициент относительной летучести компонентов и ухудшается четкость ректификации, увеличивается теплопередающая поверхность рибойлера и затраты на нагрев сырья и подвод тепла в колонну, а при термолабильности продуктов возможна их деструкция из-за повышения температур. Максимальное давление не должно приближаться к критическому для разделяемой смеси во всех сечениях колонны.
Обычно давление в колоннах для разделения газовых смесей составляет (МПа): для этановой колонны – 3,5-4,0; для пропановой – 0,8-2,0; для бутановой – 0,3-1,6; для изобутановой – 0,8-2,0.
От температурного режима колонны, который определяется давлением зависит фазовое состояние сырья на входе в колонну, а также ректификата, остатка и продуктов в других сечениях колонны. Температурный режим тем выше, чем выше давление в колонне.
С увеличением числа теоретических тарелок и флегмового числа четкость ректификации газовых смесей возрастает, при этом для минимизации эксплуатационных затрат для получения одной и той же четкости ректификации целесообразно увеличивать число тарелок, уменьшая флегмовое число. Флегмовые числа в колоннах для разделения газовых смесей колеблются от 0,5 до 20-25, а число реальных тарелок (к.т.д. – 0,25-0,50) – от 60 до 180 штук (число тарелок в колонне тем больше, чем более близкокипящие компоненты разделяют).
Принципы технологического расчета ректификационных
Колонн ГФУ
Целью технологического расчета ректификационных колонн для разделения газовых смесей является определение технологического режима ее работы (давление, температуры, расходы орошения и др.) и основных геометрических размеров (диаметра и высоты). Методика технологического расчета подобных колонн достаточно подробно изложена в специальной литературе [17,19,20] и поэтому в настоящем учебном пособии изложена лишь последовательность укрупненного расчета, которая заключается в следующем:
1. Задаются производительность колонны по сырью F, его состав и требования к качеству получаемых продуктов.
2. Определяют количество ректификата колонны (Д) по формуле:
Д = , моль/ч (8.4)
где F – количество сырья колонны, моль/ч.
Х¢F , у¢Д, Х¢R – мольное содержание основного продукта колонны
(определяется по названию ректификата колонны) в
сырье, ректификата и остатка.
3. Составляют материальный баланс колонны (практически все колонны для разделения газовых смесей – простые): сырье – F, ректификат – Д и остаток R = F-Д (потерями пренебрегают).
4. Задаются давлением и кратностью острого орошения в колонне и определяют ее температурный режим, после чего составляют ее тепловой баланс и определяют количество тепла, подводимого в рибойлере.
5. По практическим данным принимается число реальных или теоретических тарелок в колонне и с помощью коэффициента полезного действия переходят от теоретических тарелок к реальным или наоборот.
6. Определяют диаметр и высоту колонны.
Г Л А В А 9
Источник
При принятых значениях флегмового числа, числа и типа тарелок на экономические показатели процессов перегонки наибольшее влияние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба эти рабочих параметра тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизировать, например, только давление без учета требуемого температурного режима и наоборот.
При оптимизации технологических параметров колонн ректификации целесообразно выбрать такие значения давления и температуры, которые:
- обеспечивают состояние разделяемой системы, далекое от критического (иначе нельзя реализовать процесс ректификации), и возможно большее значение коэффициента относительной летучести;
- исключают возможность термодеструктивного разложения сырья и продуктов перегонки или кристаллизации их в аппаратах и коммуникациях;
- позволяют использовать дешевые и доступные хладоагенты для конденсации паров ректификата (вода, воздух) и теплоносители для нагрева и испарения кубовой жидкости (например, водяной пар высокого давления), а также уменьшить требуемые поверхности холодильников, конденсаторов, теплообменников и кипятильников;
- обеспечивают нормальную работу аппаратов и процессов, связанных с колонной ректификации с материальными и тепловыми потоками;
- обеспечивают оптимальный уровень по удельной производительности, капитальным и эксплуатационным затратам.
По величине давления колонны ректификации, применяемые на промышленных установках перегонки нефтяного сырья, можно подразделить на следующие типы:
- атмосферные, работающие при давлении несколько выше атмосферного (0,1…0,2 МПа), применяемые при перегонке стабилизированных или отбензиненных нефтей на топливные фракции и мазут;
- вакуумные (глубоковакуумные), работающие под вакуумом (или глубоким вакуумом) при остаточном давлении в зоне питания (≈ 100 и 30 гПа соответственно), предназначенные для фракционирования мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции и гудрон;
- колонны, работающие под повышенным давлением (1…4 МПа), применяемые при стабилизации или отбензинивании нефтей, стабилизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторичных процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.
Повышение или понижение давления в ректификационной колонне сопровождается, как правило, соответствующим повышением или понижением температурного режима. Так, для получения в качестве
ректификата пропана требуемая температура верха колонны при давлениях 0,1 и 1,8 МПа составит соответственно –42 и +55 °С. Предпочтительность второго варианта ректификации очевидна, поскольку повышенное давление позволяет использовать для конденсации паров пропана воду, а не специальные хладоагенты и дорогостоящие низкотемпературные системы охлаждения. Перегонка, например, под вакуумом позволяет осуществить отбор без заметного разложения фракций нефти, выкипающих при температурах, превышающих температуру нагрева сырья более чем на 100…150 °С.
Температурный режим, наряду с давлением, является одним из наиболее значимых параметров процесса, изменением которого peгулируется качество продуктов ректификации. Важнейшими точками регулирования являются температуры поступающего сырья и выводимых из колонны продуктов ректификации.
Как показала практика эксплуатации промышленных установок, перегонка нефти при атмосферном давлении осуществляется при температуре в зоне питания ректификационной колонны 320… 360 °С, а вакуумная перегонка мазута – при температуре на выходе из печи не выше 430 °С.
Расчет температуры нагрева сырья проводится по уравнению
выведенному совместным решением уравнения материального баланса процесса однократного испарения
и уравнения равновесия фаз
где X’Fi , y’i и x’i– мольные доли компонента i соответсвенно в исходной смеси, паровой фазе и равновесной жидкости; e’ и (1 – e’) – мольные доли паров и жидкой фазы соответственно; Кpi — константа фазового равновесия компонента i при давлении в системе Р; i, m — номер и число компонентов соответственно.
Температуры выводимых из колонны жидких и парового (верхнего) погонов рассчитываются по нулевой (e‘ = 0) и стопроцентной мольной доле их отгона соответственно при давлениях в точках отбора продуктов ректификации:
При перегонке с водяным паром температура кубового остатка обычно ниже температуры нагрева сырья на 20… 30 °С, а фракций, уходящих из отпарных колонн, на 10…15 °С по сравнению с температурой, поступающей на отпаривание жидкости. При подводе тепла в низ колонны через кипятильник температура кубовой жидкости должна быть на соответствующее число градусов выше температуры поступающей жидкости.
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006
Читайте также:
Источник