Принцип работы ректификационной колонны
Ректификация — это способ разделения жидкости на две и более фракции при помощи повторяющихся циклов испарения и конденсации. Процесс используется в нефтегазовой, химической и других сферах промышленности. Для осуществления ректификации применяются ректификационные колонны.
Физическая сущность процесса
Ректификация становится возможной благодаря различию температуры кипения различных компонентов жидкости, а также их разному удельному весу. Принцип работы ректификационной колонны состоит в том, что при нагревании состава образуются два потока: пар, который движется вверх, и жидкость, или флегма, которая движется вниз. Пар имеет низкую температуру кипения и низкий удельный вес, что объясняет его летучесть. Остающиеся жидкими компоненты, в свою очередь, закипают при более высокой температуре и являются более тяжёлыми.
Для достижения температуры кипения и разделения смеси на две фракции используются нагревательные элементы. Нагрев может происходить при атмосферном давлении или в другом режиме, в том числе в вакууме.
Внутри ректификационной колонны между двумя потоками происходит тепломассообмен, что позволяет получить на выходе два чистых компонента с минимальным количеством примесей.
Сущность теплообменных процессов
При начале работы установки встречные потоки вещества неравновесны. Тем не менее, система стремится достичь состояния равновесия, а именно:
- равного давления компонентов;
- равной температуры вещества в обоих потоках;
- равной концентрации вещества в обоих потоках.
Несколько повторяющихся циклов выхода из равновесия и нового его достижения приводят к разделению состава на две фракции и максимальному очищению этих фракций от «лишних» элементов.
Для достижения этого восходящий и нисходящий потоки контактируют друг с другом на специальных элементах колонны — тарелках или насадках. Пар на тарелках частично конденсируется, а жидкость частично испаряется.
При этом происходит тепло- и массообмен, во время которого пары обогащаются легколетучими элементами, «забирая» их из жидкости, а жидкость, в свою очередь, обогащается труднолетучими веществами из образующегося конденсата.
Тарелки либо насадки необходимы для того, чтобы достичь равномерного распределения пара и жидкости внутри колонны. В нормальных условиях пар оттесняет жидкость к стенкам и занимает центр колонны, что минимизирует площадь соприкосновения потоков. Тарелки. насадки работают в качестве распределителей, обеспечивая необходимую площадь контакта и сохранение оптимального давления пара, что позволяет избежать так называемого «захлёбывания» колонны — блокировки стекания флегмы, прекращения тепломассообмена и впоследствии выхода установки из строя. От количества тарелок напрямую зависит эффективность колонны и скорость достижения равновесия.
Виды тарелок
Тарелки используются преимущественно в промышленных колоннах, т.к. обеспечивают уровень эффективности, необходимый для химической и нефтяной сфер.
Принцип их действия достаточно прост: флегма, двигаясь вниз, стекает по специальным трубам с одной тарелки на другую, а установленные на тарелке перегородки обеспечивают постоянное наличие слоя жидкости на ней. Пар под давлением проходит снизу вверх через этот слой, обогащаясь легколетучими компонентами. Тарелка обеспечивает максимальную площадь соприкосновения двух потоков и эффективный тепло- и массообмен.
Конструкция тарелок может быть различной: это зависит от сущности протекающих в колонне процессов, требований к чистоте жидкости на выходе, степени нагрузки на установку и т.д. В некоторых установках совмещаются вращающиеся и неподвижные тарелки, что повышает испаряемость жидкости.
Выделяются два основных понятия:
- Теоретическая тарелка — абстрактное понятие: одна перегонка, выход вещества из равновесия и возвращение его в это состояние. Второе название — единица (массо)переноса. Количество теоретических тарелок означает количество циклов, необходимых для достижения определённого результата, и различается в зависимости от вещества. Так, например, для получения 97% спирта из 10% спиртового раствора требуется 9-10 теоретических тарелок.
- Физическая тарелка — материальная установка, контактное устройство, расположенное в колонне. Коэффициент полезного действия такой тарелки составляет 50-60% — т.е. для достижения веществом равновесия требуется две физических тарелки. Следовательно, в колонну устанавливается в два раза больше физических тарелок, чем требуется теоретических.
Главные принципы ректификации:
- работа колонны возможна только при образовании восходящего и нисходящего потоков вещества и постоянном тепломассообмене между ними;
- потоки имеют различную температуру кипения и удельный вес, что объясняет их разделение;
- эффективность разделения зависит от количества циклов перегонки;
- площадь тепломассообмена и количество циклов зависит от вида и количества контактных элементов — тарелок.
