Процессы и аппараты в нефтепнреработке

Различают тарельчатые колонны с переливными  устройствами и колонны с неорганизованным переливом жидкости, или с провальными  тарелками.

Колонны с  провальными тарелками по характеру  гидродинамики потоков аналогичны насадочным колоннам, работающим в  режиме подвисания. На тарелках одновременно происходит барботаж газа или пара через слой жидкости и частичное  «проваливание» жидкости. Газ (пар) движется снизу вверх только через часть  отверстий или щелей пульсирующим потоком. Распределение пропускающих газ или жидкость отверстий носит  статистический характер, жидкость стекает  с тарелки на тарелку в местах максимального статического давления.

Тарельчатые колонны с переливными устройствами. Эти аппараты снабжены горизонтальными  тарелками и переливными устройствами. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) вводится в  нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке  в виде пузырьков или факелов. В зависимости от способа распределения  газа (пара) на тарелках различают тарелки  ситчатые и колпачковые.

 

Ситчатые тарелки

       Колонна с ситчатыми  тарелками представляет собой  вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками  2, в которых равномерно по всей  поверхности просверлено значительное  число отверстий диаметром 1- 5мм. Для слива слива жидкости и  регулирования её уровня на  тарелки служат трубки, нижние  концы которых погружены в  стаканы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1. Колонна с ситчатыми тарелками

 

 

 

 

 

Рис 2. Ситчатая тарелка

Газ проходит сквозь отверстия и  распределяется в жидкости в виде струек и пузырьков. При слишком  малой скорости газа жидкость может  просачиваться через отверстия  тарелки на нижерасположенную, что  должно привести к существенному  снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться  с определённой скоростью и иметь  давление, достаточное для того чтобы, преодолевать давление слоя жидкости на тарелки и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

Сетчатые тарелки отличаются простотой  устройства, легкостью монтажа, осмотра  и ремонта. Гидравлическое сопротивление  этих тарелок не велико. Ситчатые  тарелки устойчиво работают в  довольно широком интервале скоростей  газа, причем в определённом диапазоне  нагрузок по газу и жидкости, эти  тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки  чувствительны к загрязнению  и осадкам, которые забивают отверстия  тарелок. В случае внезапного прекращения  поступления газа или значительное снижение его давления с ситчатых тарелок сливают жидкость и для  возобновления процесса требуется  вновь запустить колонну.

 

 

 

1.3 Диаграммы дистилляции

Рис.3 Диаграмма t-x-y: зависимость температуры кипения и температуры конденсации от состава фаз

 

Для построения диаграммы откладывают на оси  ординат при постоянном внешнем  давлении температуры кипения чистых компонентов  и t₁,t₂…,соответствующие составам жидких смесей х₁,х₂ …,отложенным на оси абсцисс. Через полученные точки А₁,А₂ … и точки отвечающие температурам кипения чистых компонентов, проводят линию кипения. Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля – Дальтона равновесия составы паров y_1,y₂ …и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами t₁,t₂ …, соединяют точки В₁,В₂ …и получают кривую конденсации.

При пользовании  диаграммой на оси абсцисс откладывают  состав жидкостей смеси  и проводят из нее вертикаль до пересечения  с линией кипения. Из точки пересечения  проводят горизонталь вправо до пересечения  с  линией конденсации. Абсцисса точки  пересечения характеризует состав равновесного пара.

 

 

Рис.4  Диаграмма у-х : диаграмма равновесия пар-жидкость

 

На фазовой  диаграмме у-х наносится линия  равновесия ,выражающая зависимость  между равновесными составами ( по НК ) жидкой Х и паровой Y фаз. С жидкостью,  представляющей собой чистый НК находится в равновесии пар, в котором содержится 100% НК, поэтому крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата. Кривая равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного существования двух фаз. Поэтому чем ближе кривая к диагонали, тем труднее осуществить разделение смеси.

Основные законы

П – общее  давление паров над жидкой смесью.

Р^о – давление насыщенных паров или давление чистого компонента над жидкостью.

Р – парциальное  давление или давление паров отдельного компонента паровой фазы.

НКК - низкокипящий компонент

ВКК - высококипящий  компонент

1) Закон Дальтона 

Общее давление паров равно сумме парциальных  давлений компонентов

 

В смеси  газов, химически не реагирующих  между собой, каждый компонент ведет  независимо от других, то есть он сохраняет  все свои физические свойства

независимо сколько других газов  находятся в смеси с ним. Важнейшее  следствие закона Дальтона – общее  давление газовой смеси P равно сумме парциальных давлений p, всех входящих в нее газов.

 

При растворении  газовых смесей каждый газ растворяется независимо от других газов порциально своему порциальному давлению. Реальные газы отклоняются от закона Дальтона

2) Закон Рауля

 
Взаимная растворимость двух жидкостей  определяется тем, насколько сходно строение их молекул («подобное растворяется в подобном»). Для неполярных жидкостей, например углеводородов, характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, поэтому  молекулы одной жидкости легко проникают  между молекулами другой, т.е. жидкости хорошо смешиваются. Напротив, полярные и неполярные жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом плохо. Каждой молекуле воды нужно сначала вырваться из окружения  других таких же молекул, сильно притягивающими ее к себе, и проникнуть между  молекулами углеводорода, притягивающими ее слабо. И наоборот, молекулы углеводорода, чтобы раствориться в воде, должны протиснуться между молекулами воды, преодолевая их сильное взаимное притяжение, а для этого нужна  энергия. При повышении температуры  кинетическая энергия молекул возрастает, межмолекулярное взаимодействие ослабевает и растворимость воды и углеводородов  увеличивается. При значительном повышении  температуры можно добиться их полной взаимной растворимости. Такую температуру  называют верхней критической температурой растворения (ВКТР).

 
В некоторых случаях взаимная растворимость  двух частично смешивающихся жидкостей  увеличивается при понижении  температуры. Этот эффект наблюдается  в том случае, когда при смешивании выделяется тепло, обычно в результате химической реакции. При значительном понижении температуры, но не ниже точки  замерзания, можно достичь нижней критической температуры растворения (НКТР). Можно предположить, что все  системы, имеющие НКТР, имеют и  ВКТР (обратное не обязательно). Однако в большинстве случаев одна из смешивающихся жидкостей кипит  при температуре ниже ВКТР. У системы  никотин–вода НКТР равна 61° С, а ВКТР составляет 208° C. В интервале 61–208° C эти жидкости ограниченно растворимы, а вне этого интервала обладают полной взаимной растворимостью.

 

Парциальное давление компонентов в паровой  фазе над жидкой смесью прямопропорциональна его содержанию в этой смеси.

х – содержание компонента в жидкости.

 

3) Закон Рауля  – Дальтона

 

1.4 Схема  ректификационной установки с описанием

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Принципиальная схема ректификационной установки:

1 - ёмкость для исходной смеси; 2,9 – насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная  колонна; 6 – дефлегматор; 7 - холодильник  дистиллята; 8 - ёмкость для сбора  дистиллята; 10 - холодильник кубовой  жидкости; 11 - ёмкость для  кубовой  жидкости.

 

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 5. Исходную смесь (хлороформ-бензол) из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_D , получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

1.5 Материальный баланс и уравнение рабочих линий

 

I.Материальный баланс

для всей колонны: G_D + G_W = G_F       

для НКК: G_D· х_D + G_W· x_W = G_F· x_F; где     

G_F – расход питания;

G_D – расход дистиллята;

G_W – расход кубового остатка;

x_F– содержание НКК в питание;

x_D – содержание НКК в дистилляте;

x_W – содержание НКК в кубовом остатке

Y – переменные по высоте колонны неравновесной концентрации НКК в паре;

X – переменные по высоте колонны неравновесной концентрации НКК в жидкости;

 

Для дальнейших расчётов концентрации питания, дистиллята и кубового остатка удобно выражать в мольных долях

М_в – молекулярная масса воды.

 молекулярная масса уксусной  кислоты.

 

 

Питание:

         

 

 

Дистиллят:

         

 

Кубовый остаток:

   (1.5)

 

 

Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости

а) в верхней  части колонны

x^’_ср ; где

 

x^’_cр - средние концентрации жидкости в верхней части колонны.

x_D - концентрация дистиллята.

x_F - концентрация питания.

 

б) в нижней части колонны

 

x^”_ср = ; где

x”_ср - средние концентрации жидкости в нижней части колонны.

x_w - концентрация кубового остатка.

x_F - концентрация питания.

 

Относительный мольный расход питания

 

F ; где

F - относительный мольный расход питания.

 

Уравнения рабочих линий процесса ректификации

а) в верхней  части колонны

 

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

В дальнейшем находим средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий в  верхней и нижней частях колонны.

Средние температуры пара в колонне определяем по диаграмме t – x, y.

 

Средние мольные массы и плотности  пара

а) ; где    

 средняя концентрация пара в верхней части колонны.

 мольная масса воды (кг/моль).

 мольная масса уксусной кислоты (кг/моль).

; где

средняя мольная масса пара в  верхней части колонны, (кг/кмоль).

температура , 273К.

средняя температура пара в верхней  части колонны, (К).

б) ; где

 

средняя концентрация пара в нижней части колонны.

 мольная масса воды (кг/моль).

 мольная масса уксусной кислоты (кг/моль).

;где 

средняя мольная масса пара в  нижней части колонны (кг/кмоль).

 средняя температура пара в нижней части колонны (К).

температура, 273К.