12 Способы подвода тепла в низ колонны
Для проведения процесса ректификации необходимо в низ колонны подвести тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки отгонной части колонны, испаряется, образуя необходимый для процесса ректификации встречный поток паров. Подвод тепла может быть осуществлен различными способами.
На установках для подвода тепла применяют змеевики или пучки труб, вмонтированные непосредственно в корпус колонны.. Змеевики и пучки труб целесообразно применять лишь при сравнительно небольшой поверхности теплообмена и при переработке чистых и некоррозионных сред.
Поэтому в промышленности наиболее часто реализуются способы подвода тепла в следующих аппаратах: подогревателе с паровым пространством (парциальный испаритель); теплообменном аппарате без парового пространства с последующим ОИ нагретого потока в низу колонны (так называемая горячая струя).
Подогреватель с паровым пространством. Схема этого способа подвода тепла дана на рис. 11,г. При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рибойлером) осуществляется дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике, где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Тепло, подводимое в нижнюю часть колонны ограничено температурой теплоносителя, в случае использования водяного пара температура не превышает 180оС, если в качестве теплоносителя используется высококипящие масла, то температура может достигать 250оС.Этот способ подвода применяется на установках фракционирования газов, при стабилизации бензинов. При высокой температуре низа колонны подвод тепла через кипятильник в целом ряде случаев требует применения специальных высокотемпературных теплоносителей
Горячая струя. Этот способ подвода тепла (рис. 11,д) применяется в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями (водяной пар и др.) не представляется возможным или целесообразным. При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны ..
Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны., например при перегоне нефти или мазута.
13 Особенности перегонки с водяным паром
Для подвода дополнительного тепла в низ атмосферной и вакуумной колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как кипятильник с паровым пространством или «горячая струя», неприемлемы по причине низкой термостабильности кубовых остатков — мазута и гудрона. В этой связи для создания требуемого парового орошения в отгонной секции этих колонн, также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций нефти на практике широко применяют перегонку с подачей водяного перегретого пара.
При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное давление паров снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в связи с чем она охлаждается. Испарение жидкости, вызванное водяным паром, прекращается, когда упругость паров жидкости при понижении температуры снизится настолько, что станет равным парциальному давлению. Таким образом, на каждой теоретической ступени контакта установится соответствующее этим условиям равновесие фаз.
Количество водяного пара определяется по формуле
;
где Z- количество водяного пара,
G- масса паров углеводородов,
π - внешнее давление в системе,
Р - давление насыщенных паров,
MG - молекулярная масса углеводородов.
Поскольку величина Р зависит от состава жидкости и ее температуры, то при постоянном расходе водяного параZмасса перешедших в парообразное состояние углеводородов будет тем больше, чем больше содержится НКК в жидкости и чем выше ее температура.
Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5 - 2,0 % масс, на исходное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные колонны установок перегонки нефти составляет 1,2 - 3,5, а в вакуумные колонны для перегонки мазута - 5-8 % масс, на перегоняемое сырье.
Поэтому вносимое водяным паром тепло также мало и заметной роли в образовании потока паров в нижней части колонны не играет. Однако 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.
При малом расходе водяного пара масса углеводородных паров будет мала, рабочая линия будет крутой, а необходимое число теоретических тарелок значительно возрастет. С увеличением расхода водяного пара число тарелок уменьшится, однако вследствие увеличения общего объема паров возрастет диаметр колонны. Кроме того, увеличится поверхность конденсатора и расход хладагента.
Необходимо указать на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:
увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;
повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;
ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;
увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и других аппаратах;
обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;
усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших количеств загрязненных сточных вод.
Рассмотренные выше особенности работы колонны с вводом водяного пара остаются справедливыми, если вместо водяного пара использовать газ, который при условиях ведения процесса не содержится в жидкой фазе, например азот, двуокись углерода, метан и др.
В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке проявляется тенденция к существенному ограничению применения водяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.