Процесс ректификации.

1. Суть процесса.
2. Типы контактных устройств. Ректификационные колонны.
3. Критерии сравнения контактных устройств.

Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах — ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах (КУ), размещенных по высоте колонны.

Ректификационная колонна — это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим. Движущей "силой" этого обмена на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию. Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений этих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия: равны температуры фаз и равны парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах. Второе условие означает, что процесс перехода через границу раздела фаз каждого компонента из жидкой фазы в паровую фазу, и наоборот, завершен, т.е. составы жидкой и паровой фазы стабилизировались, а концентрации компонентов в отдельно взятой фазе одинаковы в каждой точке ее объема.

Равновесное состояние фаз быстро наступает на самой границе их раздела, а распространение измененной температуры и концентрации компонентов вглубь объема фаз зависит от местных скоростей пара и жидкости вблизи этой границы раздела. Эффективность тепломассообмена резко возрастает при увеличении относительной скорости фаз, т.е. при увеличении их турбулентного перемешивания.Для интенсификации процесса тепломассообмена используются контактные устройства различных конструкций.

Схема взаимодействия потоков до достижения "одноразового" равновесного состояния известна как "теоретическая тарелка" (историческое название, связанное с конструкцией контактного устройства в виде тарелки), однако точнее суть процесса определяется терминами "теоретическая ступень контакта" или "единица переноса".

Полный процесс ректификации представляет собой многократно повторяющиеся по высоте колонны циклы испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний) в соответствующих "единицах переноса".

Для проведения заданного процесса ректификации исходной смеси можно рассчитать теоретическое значение числа ступеней контакта, в каждой из которых реализуется равновесное состояние фаз. В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, потоки будут иметь разную температуру, а их составы не будут соответствовать условиям равновесия. При этом для проведения заданного процесса ректификации потребуется большее число ступеней контакта, чем теоретическое.

Мерой совершенства контактного устройства с точки зрения организации тепломассообменного процесса является степень отличия состояний пара и жидкости после их взаимодействия в КУ от их возможного, теоретически достижимого, равновесного состояния при данной температуре. Эта степень отличия от теоретически достижимого состояния характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) контактного устройства и в значительной степени определяет совершенство самой ректификационной колонны.

Средний КПД КУ определяется как отношение числа теоретических ступеней к фактическому числу ступеней в колонне.

КПД ступени контакта зависит от большого числа факторов — скоростей потоков контактирующих фаз, физических свойств системы и т. д., однако, при прочих равных условиях, определяющую роль играют скорости потоков относительно границы их раздела и площадь границы раздела. Чем ближе эти скорости к турбулентному течению и чем больше поверхность контакта, тем интенсивнее проходит процесс тепломассообмена и быстрее достигается равновесное состояние.

Для разделения бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с относительно небольшим числом контактных устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число КУ в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;
насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.

Конструкции тарелок весьма разнообразны, часть из них стандартизована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

В тарельчатых КУ интенсификация процесса тепломассообмена между взаимодействующими жидкой и паровой фазами обеспечивается, в основном, за счет максимально возможного увеличения относительной скорости движения фаз. (Предельная интенсивность процесса достигается при турбулизации двухфазной системы, однако в традиционных конструкциях тарелок достичь турбулентного течения не удается из-за ограничений по скорости паровой фазы, обусловленных "захлебыванием" колонны и недопустимо высокими потерями давления в КУ).

Средний уровень КПД тарелок, применяемых в настоящее время, составляет 50-70%.

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространеие в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные КУ имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадков, например, спирально-призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.

Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).

В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых КУ, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью. Например, у насадки Зульцер в 1м³ объема площадь контакта ( общая повехность насадки) достигает порядка 400…500 м².

производительность — пропускная способность;
расстояние между тарелками при отсутствии брызгопереноса с тарелки на тарелку
(высота единицы переноса для насадочных КУ);
эффективность при разных рабочих нагрузках;
диапазон рабочих нагрузок при высокой эффективности;
гидравлическое сопротивление КУ (перепад давления на КУ) в диапазоне рабочих нагрузок;
склонность КУ к засорению и к отложениям полимеризующихся жидкостей;
простота конструкции, проявляющаяся в трудоемкости изготовления, монтаже, ремонте;
металлоемкость.

Комплекс этих показателей определяет габаритно-массовые, энергетические, экономические характеристики ректификационных колонн, и, в конечном итоге, инвестиционные и эксплуатационные затраты всего производственного цикла ректификации.

Осуществлять выбор того или иного типа колонны, используя такое количество показателей - задача весьма трудоемкая. Особенно сложно производить выбор рационального типа КУ, проводя сравнение между тарельчатыми и насадочными колоннами, поскольку в литературных источниках по этим колоннам различаются и системы показателей и удельные характеристики КУ.

Мы предлагаем для качественного сравнения различных конструкций контактных устройств воспользоваться критериями, в основе которых лежит понятие единицы переноса (ЕП):

Gном	— номинальная нагрузка по пару (кг/м2·час);
ВЕП	— высота единицы переноса в колонне (мм);
PЕП	— перепад давления на единице переноса (мбар);
МЕП	— масса единицы переноса при паровой нагрузке 1кг/час (г/кг·час).

В тарельчатых колоннах обычно используется эквивалентное единице переноса понятие теоретической тарелки (ТТ):
ВЕП =Н_ТТ = Н_ТФ/_Т, где:
Н_ТТ — высота теоретической тарелки;
Н_ТФ — фактическое расстояние между тарелками в колонне;
_Т — КПД тарелки.
P_ЕП = P_ЕПФ/_Т;
М_ЕП = М_ЕПФ/_Т, где:
P_ЕПФ и М_ЕПФ — перепад давления на тарелке и масса тарелки в колонне, соответственно.

В качестве иллюстрации предлагаемого метода сравнения на графике приведены уровни величин критериев для двух видов контактных устройств — традиционных тарелок колпачкового типа и одного из наиболее эффективных насадочных КУ — насадки Зульцера.

Удельная масса контактного устройства на единице переноса в зависимости от диаметра колонны:

Высота единицы переноса в зависимости от диаметра колонны:

Перепад давления на единице переноса:

	Колпачковая тарелка, номинальная производительность по пару (Gп ном) — 3600 кг/м2·час, металлоемкость — 75 кг/м2;
	Насадка Зульцер, Gп ном — 6600 кг/м2·час, плотность — 250 кг/м3;

Как видно, для тарельчатых КУ величины ВЕП и P_ЕП практически не зависят от диаметра ректификационной колонны. Дело в том, что в КУ такого типа высота тарелки и перепад давления на ней в основном определяются паровой нагрузкой и свойствами разделяемой смеси. Слабый рост М_ЕП обусловлен необходимостью упрочнения конструкции тарелки с ростом ее диаметра.

В то же время габаритно-массовые характеристики насадочных КУ с ростом диаметра колонны заметно ухудшаются, что связано с использованием специальных устройств, обеспечивающих равномерное распределение флегмы по сечению колонны. Начиная с диаметра колонны 3 м габаритно-массовые параметры насадочных КУ начинают сближаться с соответствующими параметрами тарельчатых КУ.

Тем не менее, по всему комплексу критериев насадочные КУ (в частности, насадки Зульцера) имеют существенно лучшие характеристики, чем традиционные тарельчатые КУ:

по паровой нагрузке — выше на ~ 80 %;
по высоте единицы переноса— ниже в 1.5…3 раза;
по перепаду давления — меньше в 4…8 раз.

Однако следует учитывать, что насадки значительно дороже тарелок и сложнее в эксплуатации.

Представленные здесь результаты имеют качественный характер и в каждом конкретном случае требуют уточнений. И все же тарельчатые КУ, обладающие хорошими экономическими и эксплуатационными характеристиками, еще не исчерпали своих возможностей по значительному улучшению гидравлических, габаритных и массовых параметров. Об этом свидетельствуют результаты разработок нашей фирмы конструкций тарелок с вихревыми ячейками (подробнее о новом классе контактных устройств).