Расчёт и проектирование колонны-дебутанизатор

1 Аналитический  обзор

 

При проведении процессов однократного испарения или однократной конденсации получают пар более богатый низкокипящим компонентом (НКК), а жидкость более богатую высококипящим компонентом (ВКК), чем исходная система. Однако достаточно хорошая степень разделения в однократных процессах не достигается.

При осуществлении многократного и постепенного испарения или конденсации может быть обеспечено получение паровой или жидкой фаз с любой желаемой концентрацией. Однако выход такой паровой или жидкой фазы будет незначительным по сравнению с массой исходной смеси, т. е. проблема будет решаться лишь качественно. Достаточно четкое разделение компонентов в целом не будет обеспечиваться, так как в ходе процесса будут получены значительные количества паровой или жидкой фаз, составы которых существенно отличаются от требуемых [1].

Для получения продуктов с любой желаемой концентрацией компонентов и высокими выходами служит процесс ректификации, заключающийся в многократно повторяющемся контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз. Для осуществления процесса ректификации необходимы наличие двух встречных потоков – паров и жидкости и их тесный контакт при помощи тех или иных устройств. Наиболее распространено контактировании в аппаратах, разделенных на секции горизонтальными перегородками или тарелками. В таких аппаратах навстречу стекающей жидкости поднимается поток паров, а контактировании происходит на каждой тарелке. Массообмен и теплообмен между парами и жидкостью на каждой ступени контактирования могут происходить лишь при наличии так называемой разности фаз, т.е. при отсутствии равновесия между парами и жидкостью, поступающими на каждую ступень. Следовательно, температура паров, поступающих на данную ступень должны быть выше, чем температура жидкости. После контакта паров и жидкости на каждой ступени в пределе должно наступать равновесие, т.е. выравнивание температур паровой и жидкой фаз.

Как следует из теории массообменных процессов, при контакте неравновесных паровой и жидкой фаз, в результате которого протекают процессы массо- и теплообмена, система достигает состояния равновесия. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Такой контакт называют идеальным, теоретическим [1].

На практике образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта паровая фаза обогатится НКК, а жидкость – ВКК, если жидкость, вступающая в контакт с парами, будет содержать больше НКК, чем жидкость, равновесная с этими парами. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающей в контакт жидкости была бы ниже температуры паров.

 

 

 

 

 

После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия.

Производя многократное контактирование неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более богатой НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом.

Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах, заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками и т. п.

Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения, осуществляемый путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паров и жидкости [1].

 

1.1 Влияние давления на процесс

 

Выбор рабочего давления в ректификационной колонне обусловлен главным образом необходимым температурным режимом. Давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена [1].

Необходимость повышения температуры а следовательно и давления в ректификационных колоннах возникает при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например при ректификации таких низкомолекулярных углеводородов, как пропан, бутан, изобутан, пентан и др.

Путем подбора соответствующего рабочего давления в ректификационной колонне обеспечивают такой температурный режим, при котором для конденсации паров ректификата в качестве охлаждающих агентов можно использовать дешевые и легко доступные хладагенты – воду и атмосферный воздух. Так, например, при получении в качестве ректификата пропана в случае работы колонны под атмосферным давлением температура верха колонны будет равна –42 °С, тогда как при повышении давления до 1,9 МПа она возрастет до +55 °С, что позволит использовать в конденсаторе воду.

Повышение температуры вверху колонны при соответствующем повышении в ней давления приводит к уменьшению поверхности конденсатора вследствие увеличения средней разности температур между конденсирующимися парами ректификата и охлаждающим агентом.

Вместе с тем при повышении давления в колонне увеличивается и температура остатка, отбираемого снизу колонны. Это приводит к необходимости подвода дополнительного количества теплоты вниз колонны, что не всегда возможно.

Кроме того, давление в ректификационной колонне может быть обусловлено также работой других аппаратов технологической установки, а также сопротивлением аппаратов и коммуникаций, расположенных после ректификационной колонны [1].

Понижение давления в ректификационной колонне путем создания вакуума позволяет снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов, обладающих высокими температурами кипения или термической нестабильностью. Так, например, благодаря созданию вакуума можно при температурах менее 400°С осуществить ректификацию масляных дистиллятов, температуры кипения которых при атмосферном давлении могут превышать 500°С, обеспечивая ведение процесса без заметного разложения. В случае ректификации с водяным паром применение вакуума позволяет существенно сократить расход водяного пара. Давление системы влияет также на коэффициенты относительной летучести компонентов смеси. Для большинства смесей эта характеристика с понижением давления увеличивается. В некоторых случаях может наблюдаться и обратная зависимость. Увеличение коэффициента относительной летучести благоприятно сказывается на процессе ректификации, позволяя снизить количество орошения, уменьшить число тарелок в колонне или повысить четкость разделения компонентов. Наиболее значительно ухудшаются условия ректификации в области высоких давлений, близких к критическому. В этом случае кривая равновесия фаз становится пологой, так как величина коэффициента относительной летучести приближается к единице. Давление в ректификационной колонне влияет также на ее производительность. С увеличением давления удельная производительность колонны растет. Однако при этом необходима большая толщина стенки корпуса колонны, кроме того, увеличиваются затраты на перекачку сырья, орошения и др.

Из сказанного следует, что величина давления в ректификационной колонне существенно влияет на ряд показателей ее работы, приводя к улучшению одних показателей и ухудшению других. Поэтому при выборе давления в колонне в каждом конкретном случае необходимо проводить всесторонний анализ. Однако основным критерием, как правило, является обеспечение благоприятного температурного режима [1].

 

1.2 Влияние кратности орошения

 

В ректификационной колонне заданные составы дистиллята и остатка могут быть получены при различной кратности орошения (флегмовом числе) и соответствующем числе теоретических тарелок. При бесконечно большой кратности орошения в колонне будет минимальное число тарелок. При уменьшении кратности орошения число тарелок будет увеличиваться, достигая максимума при минимальном флегмовом числе.

Таким образом, количество орошения и необходимое число тарелок, а следовательно, и высота колонны в определенных пределах являются взаимосвязанными величинами, при этом четкость разделения будет оставаться одной и той же. В этой связи при расчете ректификационной колонны стремятся выбрать оптимальную кратность орошения, которая обеспечивала бы заданные показатели процесса при минимальных эксплуатационных и капитальных затратах.

Следует иметь в виду, что с увеличением массы орошения сокращается необходимое число тарелок и уменьшается высота колонны, однако при этом увеличивается поток паров, проходящих через колонну, вследствие чего возрастает ее диаметр. Поэтому при увеличение количество орошения стоимость колонны сначала будет уменьшаться за счет уменьшения ее высоты, а затем возрастать, т.к. высота колонны будет незначительно сокращаться, а диаметр быстро увеличиваться. Экономические показатели работы ректификационной колонны зависят также от эксплуатационных расходов, связанных с затратами тепла, расходом хладагента, перекачиванием орошения насосом и т.п. При увеличение количества орошения эти эксплуатационные расходы возрастают.

При расчетах ректификационных колонн не всегда возможно провести подобный экономический анализ, поэтому при выборе количества орошения пользуются более простыми критериями. Оценка величины оптимального флегмового числа по различным критериям показывает, что в большинстве практических случаев оптимальное его значение равно 1,20-1,35 от минимального. В каждом отдельном случае выбор оптимальной кратности орошения может быть сделан с учетом специальных требований, предъявляемых к процессу ректификации и к аппаратуре для ее осуществления [1].

 

1.3 Влияние температуры вводимого сырья на работу колонны

 

Нормальная работа ректификационной колонны с получением одного или нескольких дистиллятов и остатка заданных составов может быть обеспечена при различных состояниях сырья, подаваемого в колонну; последнее может быть и недогретой до температуры кипения жидкостью и перегретыми парами. Тепловое состояние сырья существенно влияет на потоки паров и жидкости в секции питания колонны и на работу колонны в целом, обуславливая необходимость съема определенного количества теплоты в конденсаторе и подвода тепла вниз колонны.

С увеличение температуры вводимого в колонну сырья масса орошения в концентрационной части колонны увеличивается. Поэтому наименьшим поток орошения будет при питании колонны жидкостью, недогретой до начала кипения, а наибольшим – при питании колонны перегретым паром. При увеличении доли отгона и, соответственно, температуры сырья увеличивается общий расход тепла, особенно на нагрев и испарение сырья, хотя и уменьшается количество тепла, подводимого вниз колонны. Обычно при выборе доли отгона сырья принимают режим, который с учетом как самой колонны, так и других факторов, является оптимальным. Так, например, когда температура сырья меньше температуры внизу колонны, для его нагрева в целом ряде случаев можно использовать менее высокотемпературный, а следовательно, и более дешевый теплоноситель. В случае же использования одинакового теплоносителя, например в трубчатой печи, для передачи одного и того же количества тепла сырью и остатку нагрев сырья может потребовать меньшей поверхности теплообмена вследствие большей разности температур [1].

Для выбора оптимального режима ректификационной колонны требуется всесторонний анализ, учитывающий ряд факторов: расход тепла и холода, наличие соответствующих теплоносителей и хладагентов, требуемые поверхности теплообмена, трубчатой печи и конденсаторов, размеры колонны и т.п.

 

 

 

1.4 Особенности работы колонны с вводом пара

 

Водяной пар вводится в ректификационную колонну с целью снизить температуру процесса и избежать разложения нефтепродукта (перегонка мазута, тяжелых нефтяных остатков и т. п.).

Температура кипения жидкости может быть снижена как понижением давления в аппарате путем создания вакуума, так и путем ввода водяного пара. В нефтепереработке часто применяют оба этих способа понижения температуры кипения смеси.

Во многих случаях водяной пар вводят под нижнюю тарелку отгонной части ректификационной колонны, чтобы испарить часть жидкости в низу колонны, образовать восходящий поток паров и обеспечить процесс ректификации в нижней части колонны. Особенно это практикуется в тех случаях, когда подвести тепло в низ колонны через кипятильник не представляется возможным или когда ввод водяного пара позволяет более просто оформить процесс ректификации.

При высокой температуре внизу колонны подвод тепла через кипятильник в целом ряде случаев требует применения специальных высокотемпературных теплоносителей, использование которых для установок большой единичной мощности зачастую не представляется возможным [1].

Подвод тепла с помощью кипятильника в ряде случаев исключается, так как при высокой температуре внизу колонны может произойти термическое разложение продукта: мазута, гудрона, высококипящих дистиллятов и т. п.

При вводе вниз колонны водяного пара парциальное давление паров углеводородов снижается, что способствует испарению жидкости (ее кипению) при более низкой температуре. Тепло, необходимое для испарения жидкости, отнимается от самой жидкости, вследствие чего ее температура понижается.

Водяной пар вместе с парами испарившихся углеводородов на тарелке, расположенной выше, вступает в массообмен с жидкостью. Масса паров углеводородов, получаемых при вводе водяного пара, определяется в соответствии с законом Дальтона.

В жидкости, стекающей с тарелки на тарелку в отгонной части колонны при вводе водяного пара, концентрация НКК убывает в направлении сверху вниз. В этом же направлении убывает и температура вследствие испарения части жидкости на каждой тарелке, если тепло через кипятильник подводится в недостаточном количестве. Давление насыщенных паров углеводородов снижается в направлении сверху вниз. Поэтому при постоянных расходе водяного пара и внешнем давлении количество углеводородных паров, поднимающихся с соответствующей тарелки, будет уменьшаться по направлению сверху вниз.