2.14 Ректификация многокомпонентных смесей, сложные колонны

При разделении бинарной смеси путем ректификации обычно достаточно одной простой колонны, чтобы получить заданные составы ректификата и остатка. Лишь в специальных случаях (получение чистых веществ и др.) приходится применять более сложные варианты колонн.

При разделении многокомпонентной смеси приходится выделять несколько целевых продуктов (фракций), к составу которых предъявляются определенные требования. Это обусловливает необходимость применения нескольких простых колонн, соединенных определенным образом, что и определяет последовательность выделения компонентов или соответствую­щих фракций из смеси. Поскольку каждая простая колонна делит смесь на два продукта, то для разделения смеси, состоящей из п компонентов (фракций), необходимо иметь N— 1 простых колонн. С увеличением числа компонентов системы возможное число вариантов взаимного соединения простых колонн быстро возрастает.

На рис. IV-30 приведены схемы вариантов соединения простых колонн: последователь­ный по потокам ректификатов, последовательный по потокам остатков, последовательно-па­раллельный и с рециркуляцией потоков при разделении многокомпонентной смеси на не­сколько продуктов (фракций).

Последовательное соединение колонн может осуществляться как по потокам остатков, когда остаток данной колонны поступает на ректификацию в следующую, а остаток в виде готового продукта получают только в последней колонне, так и по потокам ректификатов, когда ректификат данной колонны направляется в следующую, а в качестве готового продукта выводится ректификат только из последней колонны (рис. IV-30, б).

Последовательно-параллельное соединение колонн состоит в том, что колонны соединены последовательно: одна часть по потокам ректификатов, другая — по потокам остатков.

Выбор конкретного варианта соединения колонн обусловливается как технологически­ми требованиями к перерабатываемым продуктам, так и экономическими показателями, определяющими затраты на ректификацию.

Если смесь разделяют на меньшее число продуктов, чем содержится компонентов в смеси (некоторые компоненты могут быть выделены в виде фракций), то число колонн будет меньше, чем в случае выделения каждого компонента в отдельности. Это характерно для установок АВТ, вторичной перегонки бензинов, ректификации продуктов каталитического крекинга и др., где целевыми являются фракции, кипящие в сравнительно широком интерва­ле температур.

На нефтеперерабатывающих заводах нашли применение сложные колонны, представляющие собой систему простых колонн, соединенных в один агрегат (рис. 2.15).

Такая сложная колонна отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам ректификатов (см. рис.2.14). Она представляет собой колонну /, на которой как бы установлены концентрацион­ные части колонн II и III. Таким образом, получилась одна основная колон­на, включающая концентрационные части всех трех колонн и отгонную часть колонны I. Отгонные части колонн II и III выполнены в виде отдель­ных аппаратов, называемых отпарными колоннами или стриппинг-секциями. Отпарные колонны связаны с основной колонной потоками жидкости и пара.

Такая сложная колонна требует меньше места для своей установки и нуждается только в одном насосе для подачи орошения. Однако при такой конструкции увеличивается высота колонны и обслуживающих ее металло­конструкций. Кроме того, потоки всех секции колонны жестко взаимосвязаны, что осложняет четкое разделение продуктов W_u и W_lu и одновременное обеспечение их качества.

Рис.2.14. Схема основных способов соединения простых колонн при ректификации многокомпонентной смеси— последовательное по потокам ректификата;

^F

Рис. 2.15 Схема сложной колонны для ректификации четырехкомпонентной смеси:

1—111 — контуры, выделяющие части сложной колонны, аналогичные (по номерам) колоннам, приведенным на рис. 2.14.

В такой сложной колонне процесс протекает следующим образом. Флегма, образованная при конденсации паров на верху колонны, последовательно перетекает с тарелки на тарелку . достигнув нижней тарелки этой колонны, флегма делится на два потока. Один поток отводится в отпарную секцию колонны III, где получается продукт W_m. Второй поток флегмы перетекает на верхнюю тарелку колонны II, являясь орошением для этой колонны.

Пары G'_m из отгонной секции колонны III возвращаются под нижнюю тарелку концентрационной части этой колонны. Аналогично протекает процесс и в других колоннах II и /.

При отводе всего тепла только на верху сложной колонны поток орошения должен быть достаточным, чтобы обеспечить необходимое флегмовое число во всех нижерасположенных секциях колонны. Однако вследствие отбора боковых погонов в сложной колонне масса паров увеличивается сверху вниз, а масса орошения — снизу вверх. Таким образом, наибольшее флегмовое число в сложной ректификационной колонне соответствует верхней секции (III колонна), и в направлении сверху вниз оно уменьшается, что ухудшает процесс ректификации.

Для обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны, разгрузки вышележащих сечений и регенерации тепла съем части тепла с целью образования дополнительного потока флегмы производят промежуточным циркуляционным орошением в одном-двух сечениях на верху соответствующих простых колонн (рис. 2.15) Поток промежуточного циркуляционного орошения (ПЦО) прокачивается через регенеративный теплообменник, например нефти, и при более низкой температуре t , поступает на верхнюю тарелку концентрационной части соответствующей простой колонны. Поднимающиеся снизу пары контактируют с более холодной циркулирующей флегмой и частично конденсируются, образуя дополнительный поток флегмы, который присоединяется к потоку флегмы и создает поток орошения.

Массу ПЦО рассчитывают по уравнению (55). Обычно для организации ПЦО используются 2 — 4 тарелки.

Каждую секцию сложной колонны рассчитывают как соответствующую часть простой колонны, имея в виду, что пары ректификата секции, расположенной ниже, поступают на ректификацию в секцию, расположенную выше.

Применение сложных колонн оправдано в основном в тех случаях, когда требуется относительно невысокая четкость разделения, например, при выделении широких по температурам кипения фракций.

15.1 Особенности расчета многокомпонентных смесей

Схема потоков в простой колонне, разделяющей многокомпонентную смесь, принципиально не отличается от потоков в колонне для разделения бинарной смеси . Однако в отличие от бинарной системы в многокомпонентной смеси содержится компонент, имеющий самую низкую температуру кипения , т.е. НКК, компонент с наибольшей температурой кипения, т.е. ВКК, а также компоненты, которые по температурам кипения располагаются между НКК и ВКК. Это вносит целый ряд особенностей в расчет и поведение компонентов при ректификации.

При ректификации многокомпонентной смеси материальный и тепловой балансы для колонны в целом можно составить таким же образом, как и при ректификации бинарной смеси.

Вопросы к 1 кол по П и А хим. техн

1. Молекулярная и конвективная диффузия

2. Основное уравнение массопередачи. Правило фаз

3. Сущность ректификации

4. Равновесные системы, закон Рауля-Дальтона

5. Изобарные температурные кривые

6. Энтальпийные диаграммы

7. Кривые равновесия фаз

8. Материальный баланс и тепловой баланс колонны

9. Однократное испарение бинарной смеси

10. Уравнения рабочей линии

11. Определение числа тарелок графическим методом

12. Эффективность тарелки

13. Флегмовое (паровое ) число

14. Способы отвода тепа в колонну

15. Способы подвода тепла в низ колонны

16. Особенности перегонки с водяным паром

17. Выбор давления в ректификационной колонне

18. Ректификация многокомпонентных смесей, сложные колонны

Вопросы для самопроверки

1.Конвективная диффузия протекает в

1. вихревых потоках

2. неподвижных слоях

3. интенсивно движущихся средах

4. пограничных ламинарных средах

5. турбулентных потоках

2. Движущей силой массобменных процессов является разность

1. концентраций

2. плотностей

3. давлений

4. температур

5. вязкостей

3.Ректификация это-

1. процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем

2. процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем

3. избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

4. процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким растворителем

5. полупроницаемой перегородки

4.Молекулярная диффузия протекает в

1. вихревых потоках

2. турбулентных потоках

3. неподвижных слоях

4. интенсивно движущихся средах

5. пограничных ламинарных средах

5. Число степеней свободы это-

1. число зависимых переменных, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы

2. число независимых переменных, которые можно изменять, не нарушая концентрации системы

3. число независимых переменных, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы

4. число независимых переменных, которые можно изменять, не нарушая давления системы

5. число независимых переменных, которые можно изменять, не нарушая температуры системы

6. Абсорбция это –

1. процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

2. процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким растворителем

3. процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем

4. процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем

5. избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки

7. Основное уравнение массопередачи

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

8. Экстракция это-

1. процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем

2. процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем

3. процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

4. процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким растворителем

5. избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки

9. Адсорбция это-

1. процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем

2. избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки

3. процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

4. процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем

5. процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким растворителем

10.Принцип многократного испарения (конденсации) реализуется в

1. колонне с насадками

2. перегонной колбе

3. газосепараторе

4. колонне с тарелками

5. в нескольких пустотелых колоннах…

11.Кривая равновесия- это зависимость между

1. неравновесными составами жидкости и пара

2. равновесными составами жидкости и пара

3. составами жидкости и пара

4. давлением жидкости и пара

5. равновесными составами газа и пара

12.Колонна под давлением используется для разделения

1. конденсата

2. мазута

3. гудрона

4. нефти

5. газа

13.Принцип однократного испарения ( конденсации) реализуется: в…

1. перегонной колбе

2. колонне с насадками

3. колонне с тарелками

4. в нескольких пустотелых колоннах…

5. газосепараторе

14.Изобарная кривая - это зависимость между

1. равновесными концентрациями пара и жидкости с температурой

2. концентрациями пара и жидкости с температурой

3. неравновесными концентрациями пара и жидкости с температурой

4. равновесными концентрациями пара и жидкости с давлением

5. неравновесными концентрациями пара и жидкости с давленим

15.Вакуумная колонна используется для разделения

1. мазута

2. гудрона

3. конденсата

4. нефти

5. газа

16.Принцип постепенного испарения ( конденсации) реализуется: в…

1. газосепараторе

2. перегонной колбе

3. колонне с тарелками

4. колонне с насадками

5. в нескольких пустотелых колоннах…

17.Формула Антуана - это зависимость между

1. парциального давления компонента и концентрацией

2. парциального давления компонента и внешним давлением

3. парциального давления компонента и температурой

4. давления компонента и температурой

5. парциального давления компонента и температурой

18 Относительная летучесть – это отношение

1. давлений насыщенных паров ВКК и НКК

2. концентраций насыщенных паров НКК и ВКК

3. давлений паров НКК и ВКК

4. давлений насыщенных паров НКК и ВКК

5. давлений перегретых паров НКК и ВКК

19.Атмосферная колонна используется для разделения

1. мазута

2. газа

3. гудрона

4. конденсата

5. нефти

1. пара и жидкости с давленим

20. Энтальпия (или теплосодержание) жидкости равна

1. количеству тепла, необходимого для нагрева жидкости до заданной температуры.

2. количеству тепла, необходимого для нагрева жидкости от 0оС до заданной температуры.

3. количеству тепла, необходимого для нагрева жидкости от 0оК до заданной температуры.

4. количеству тепла, необходимого для кипения жидкости от 0оС до заданной температуры.

5. количеству тепла, необходимого для испарения жидкости от 0оС до заданной температуры.

21 Паровое число- это отношение

1. количеству жидкости в любом сечении колонны к остатку

2. количеству пара в любом сечении колонны к дистилляту

3. количеству пара в любом сечении колонны к дистилляту

4. количеству пара в любом сечении колонны к остатку

5. количеству флегмы в любом сечении колонны к дистилляту

22 Уравнение

1. называется уравнением рабочей линии неравновесных потоков верхней части колонны

2. называется уравнением кривой равновесия

3. называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков верхней части колонны

4. называется уравнением рабочей линии встречных равновесных потоков верхней части колонны

5. называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков нижней части колонны

23 Энтальпия пара равна

1. количеству тепла, необходимого для нагрева газа от 0оС до заданной температуры учетом тепла испарения и перегрева паров.

2. количеству тепла, необходимого для нагрева вещества от 0оС до заданной температуры учетом тепла испарения и перегрева паров.

3. количеству тепла, необходимого для нагрева вещества от 0оС до заданной количеству тепла, необходимого для нагрева пара от 0оС до заданной температуры учетом тепла испарения и перегрева паров.

4. количеству тепла, необходимого для нагрева вещества до заданной температуры

5. температуры учетом тепла испарения паров

24. Флегмовое число – это отношение

1. количеству флегмы к дистилляту

2. количеству пара в любом сечении колонны к остатку

3. количеству флегмы в любом сечении колонны к дистилляту

4. количеству пара в любом сечении колонны к дистилляту

5. количеству флегмы в любом сечении колонны к остатку

25.Уравнение

1. называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков нижней части колонны

2. называется уравнением рабочей линии неравновесных потоков верхней части колонны

3. называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков верхней части колонны

4. называется уравнением рабочей линии встречных равновесных потоков верхней части колонны

5. называется уравнением кривой равновесия

26. Кривая равновесия- это зависимость между

1. равновесными составами жидкости и пара

2. составами газа и пара .

3. неравновесными составами жидкости и пара

4. составами жидкости и пара

5. давлением жидкости и пара

27 Относительная летучесть – это отношение

1. давлений насыщенных паров ВКК и НКК

2. давлений перегретых паров НКК и ВКК

3. концентраций насыщенных паров НКК и ВКК

4. давлений паров НКК и ВКК

5. давлений насыщенных паров НКК и ВКК

28. Теоретической тарелкой называется такое контактное устройство, которое обеспечивает получение

1. равновесных потоков фаз, покидающих контактную зону

2. гомогенных потоков фаз, покидающих контактную зону

3. неравновесных потоков фаз, покидающих контактную зону

4. гетерогенных потоков фаз, покидающих контактную зону

5. однородных потоков фаз, покидающих контактную зону

29 Чем больше флегмовое число, тем

1. ,

2. меньше температура верха

3. меньше выход дистиллята

4. больше производительность,

5. меньше четкость разделения больше выход дистиллята

30 Число тарелок в верхней части колонны зависит от

1. парового числа

2. высоты колонны

3. кривой равновесия

4. флегмового числа

5. диаметра колонны

31 Чем больше паровое число, тем

1. меньше четкость разделения,

2. температура низа меньше меньше выход остатка

3. больше выход остатка

4. больше производительность

32 Число тарелок в нижней части колонны зависит от

1. флегмового числа

2. высоты колонны

3. диаметра колонны

4. парового числа

5. кривой равновесия

Найти неправильный ответ

33 При режиме полного орошения

1. число тарелок минимальное

2. производительность колонны равна нулю

3. оперативные линии располагаются ниже кривой равновесия

4. число тарелок максимальное

5. оперативные линии сливаются с диагональной

Найти неправильный ответ

34.Циркуляционное орошение используется для:

1. создания дополнительного парового орошения

2. разгрузки вышележащих сечений

3. регенерации тепла съемом части тепла

4. образования дополнительного потока флегмы

5 обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны

Найти неправильный ответ

35.Острое орошение для отвода тепла на верху ректификационных колонн обычно используют

1. подается на первую тарелку

2. при неполной конденсации паров дистиллята

3. при регулировании температуры верха

4. при полной конденсации паров дистиллята

5. при высокой производительности

Найти неправильный ответ

36.Парциальный конденсатор используют

1. при сравнительно невысоких температурах верха колонны

2. при высокой производительности

3. наличии паров с небольшим корродирующим действием

4. при небольшой производительности,

5. устанавливается горизонтально или вертикально на верху колонны

Найти неправильный ответ

37.Способ подвода тепла с помощью горячей струи применяется

1. подогретая парожидкостная смесь вновь поступает в низ колонны ..

2. при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны

3. нагрев остатка обычными теплоносителями (водяной пар и др.) не представляется возможным

4. часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь

5. Найти неправильный ответ эквивалентен одной теоретической тарелке

Найти неправильный ответ

38 Кипятильник (рибойлер)

1. работает при температуре до 250 оС

2. подогретая парожидкостная смесь вновь поступает в низ колонны

3. образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны

4. эквивалентен одной теоретической тарелке

5. применяется на установках фракционирования газов, при стабилизации бензинов

Найти неправильный ответ

39.Змеевики и пучки труб целесообразно применять

1. при сравнительно небольшой поверхности теплообмена

2. при переработке чистых сред.

3. при переработке некоррозионных сред

4. при переработке коррозионных сред

5. при наличии достаточного места в низу колонны

Найти неправильный ответ

40 Чем больше паровое число, тем

1. больше выход остатка

2. температура низа выше

3. меньше выход остатка

4. меньше производительность

5. больше четкость разделения,

Найти неправильный ответ

41 При подаче водяного пара

1. необходимое число теоретических тарелок увеличится

2. масса углеводородных паров будет больше

3. необходимое число теоретических тарелок уменьшится

4. увеличится диаметр аппаратов

5. рабочая линия приблизится к диагонали

Найти неправильный ответ

42 При понижении давления в ректификационной колонне

1. уменьшается число тарелок в колонне

2. повышается четкость разделения компонентов

3. увеличивается число тарелок в колонне

4. коэффициент относительной летучести компонентов смеси увеличивается

5. снижается количество орошения

Найти неправильный ответ

43 При повышении давления в ректификационной колонне

1. увеличиваются затраты на перекачку орошения

2. повышается четкость разделения компонентов

3. производительность колонны растет

4. увеличивается толщина стенки корпуса колонны

5. увеличиваются затраты на перекачку сырья

Найти неправильный ответ

44 Сложные колонны

1. нуждается только в одном насосе для подачи орошения

2. увеличивается высота колонны и обслуживающих ее металлоконструкций

3. отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам дистиллятов

4. требует меньше места для своей установки

5. отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам остатков