1. Автоматизация проектирования ректификационной установки
1.1. Описание процессов тепло- и массобмена в установке
В ряде производств химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на чистые продукты широко применяют ректификацию.
Ректификацией называется процесс разделения смеси на компоненты, при этом происходит массообмен, т. е. переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот.
Процесс ректификации основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т. е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Этот процесс осуществляется в ректификационных колоннах.
Через ректификационную колонну противотоком движутся пар и жидкость (см. рис. 1.1). Пар направляется снизу вверх, жидкость – сверху вниз. Эти две среды вступают в контакт на каждой тарелке благодаря барботажу – прохождению пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массобмена, в результате которых состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость – менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости – возрастает.
Пар образуется в кубе испарителя I за счет подвода теплоты к бинарной жидкости. Жидкость стекает в куб с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента, как в жидкости, так и в образующемся при ее кипении паре, низкая. Часть этой жидкости отбирают в качестве нижнего продукта разделения – кубового остатка Gw. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки по колонне II пар все в большей степени обогащается легколетучим компонентом. С верхней тарелки колонны пары с параметрами точки 8 (см. рис. 1.1) поступают в дефлегматор III, в котором они частично конденсируются за счет отдачи теплоты охлаждающей воде (процесс идет по линии 8-с1). Парожидкостная эмульсия с параметрами, соответствующими точке с1, поступает в сепаратор 10. В нем происходит отделение пара с параметрами в точке 10 от жидкости (флегмы), параметры которой определяются точкой 9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор IV, где он полностью конденсируется до состояния в точке 11 и в виде готового продукта Gd (ректификата) поступает в сборный бак V. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется легколетучим компонентом, но обогащается высококипящим компонентом.
Исходную бинарную смесь (питание) Gf подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок составу питания.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси Gf, состава Xf на дистиллят Gd и кубовый остаток Gw с малой концентрацией низкокипящего компонента Xw. Концентрации Xd и Xw получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне, их типа или высоты насадки и от режима работы колонны.
Рис. 1.1. Принципиальная схема ректификационной установки
Для обогрева испарителей ректификационных колонн наиболее часто применяют насыщенный водяной пар. Реже используют электронагрев, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение конденсаторов и дефлегматоров производят чаще всего водой, реже – атмосферным воздухом.
Процесс тепло- и массобмена на верхней тарелке протекает в следующем порядке: жидкость (флегма), получающаяся в сепараторе V, с параметрами точки 9 (рис. 1.2) вступает в контакт с парами состояния точки 6, поступающими с предшествующей по ходу пара нижней тарелки; при этом происходит частичная конденсация паров до состояния с2 и последующая их сепарация, в результате которой образуется пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуется флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т. д. Надежное контактирование флегмы с парами осуществляется благодаря наличию на тарелках колпачков с прорезями в виде зубцов на нижней кромке, через которые проходят пузырьки пара при движении их с нижней тарелки на верхнюю.
Рис. 1.2. Процесс ректификации