Системы автоматизации ректификационной колонны

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки (рис.12.б,в) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним (рис. б) или нижним (рис. в) ограничителем подъема.

Рис12. Конструкции тарелок.

а) колпачковая; б) клапанная с верхним ограничителем подъема; в) клапанная с нижним ограничителем подъема; г) из S - образных элементов; д) пластинчатая; е) чешуйчатая; ж) прямоточная.

Тарелки, собранные из S-образных элементов (рис.12.г), обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12—20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Чешуйчатые тарелки (рис12.е) подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность — преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки (рис.12.д) собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4—9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 — 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15—30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Прямоточные тарелки (рис12.ж) обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимся со скоростью 14— 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30%.

Ситчатые колонны ( рис.11.б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности ( рис.11.в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,— при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ — дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.

Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.

Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5—20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок.

Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

Центробежные пленочные ректификационные аппараты. Для интенсификации массообмена и улучшения разделения были предложены аппараты, работа которых основана на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Рис.12.Центробежный пленочный ректификационный аппарат:

1—кожух; 2—лента ротора; 3. 4—ситчатые цилиндры.

Центробежный пленочный аппарат (рис. 12) имеет неподвижный кожух , в котором с большой скоростью вращается ротор, состоящий из спиральной металлической ленты 2, ограниченной изнутри и снаружи ситчатыми цилиндрами 3 и 4. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит на поверхности пленки. Интенсивность массообмена определяется сопротивлением жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает с усилением турбулентности потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность устройства, центробежные . ректификационные аппараты могут быть успешно использованы при разделении смесей, для которых требуется большое число тарелок.

1.3 Системы автоматизации ректификационной установки

Задача управления процессом ректификации состоит в получении целевого продукта заданного состава при установленной производительности установки и минимальных затратах теплоагентов. [3]

Исходная смесь нагревается в теплообменнике 1 (рис.13) водяным    паром до температуры кипения и поступает в ректификационную колонну 3 на тарелку питания. Находящаяся в кубе колонны жидкость испаряется в выносном кипятильнике 2,обогреваемом паром, и в виде паровой фазы проходит вверх по колонне. Паровой поток, выходя из колонны, попадает в охлаждаемый хладоагентом, например, водой, дефлегматор 4 где пары конденсируются. Образовавшаяся жидкая фаза стекает в флегмовую емкость 5, откуда насосом 6 нагнетается в верхнюю часть колонны на орошение в виде флегмы и частично отводится с установки в виде дистиллята. Флегма стекает вниз по колонне.

    При многократном  контакте в ректификационной  колонне парового и   жидкого  потоков, движущихся навстречу друг  другу и имеющих разные температуры, паровая фаза обогащается более  легколетучими низкокипящими компонентами (НКК), а жидкая фаза — труднолетучими  высококипящими компонентами (ВКК). Часть кубового продукта, называемая  остатком, отводится с установки. Целевыми продуктами ректификационной  установки могут быть дистиллят  или кубовый остаток, что определяется  технологической схемой.

Основными регулируемыми технологическими величинами процесса являются составы дистиллята или кубового остатка. На чистоту этих целевых продуктов оказывают влияние ряд возмущающих воздействий процесса — состав, расход и температура исходной смеси, параметры тепло- и хладоагента, давление в колонне и другие величины. Основные управляющие воздействия — это расходы флегмы в колонну и теплоносителя в кипятильник. Причем изменение расхода флегмы относительно быстро приводит к изменению состава дистиллята и одновременно с большим запаздыванием и в значительно меньшей степени — к изменению состава кубового остатка.

Изменение же расхода греющего пара приводит в основном к изменению состава кубового остатка; состав флегмы при этом изменяется намного слабее.

Рис.13. Схема стабилизации процесса ректификации:

1 — теплообменник; 2 — кипятильник; 3 — ректификационная колонна; 4 — дефлегматор; 5 — флегмовая емкость; 6 — насос.

Существует большое количество схем автоматизации ректификационных установок. На схеме (см. рис. 13) осуществляется стабилизация отдельных величин с помощью локальных одноконтурных АСР. Эти АСР связаны между собой через процесс и обеспечивают соблюдение материального и теплового балансов установки.

Колебание подачи исходной смеси в колонну является одним из наиболее сильных возмущений процесса. Поэтому, если па технологической схеме возможно, то для обеспечения постоянства подачи смеси предусматривают АСР расхода. Воспринимающий элемент (диафрагма, ротаметр) и регулирующий клапан этой системы монтируются на трубопроводе до теплообменника; это делается для того, чтобы исходная смесь протекала через них только в жидкой фазе. Наличие АСР расхода исходной смеси существенно облегчает работу всех других АСР установки.

Исходная смесь должна подаваться в колонну при температуре кипения. Температура смеси поддерживается на постоянном значении АСР, управляющей подачей греющего пара в теплообменник. Для более качественного регулирования температуры воспринимающий элемент АСР и клапан устанавливают вблизи теплообменника.

Гидравлическое сопротивление колонны почти не изменяется. Поэтому давление в колонне достаточно стабилизировать в одном месте, обычно — в верхней части. Если пары НКК полностью конденсируются, то давление регулируют изменением расхода хладоагента, подаваемого в дефлегматор. Если же часть паров не конденсируется или если в исходной смеси содержатся инертные газы, то регулятор давления воздействует на два клапана (см. рис. VII-21), один из которых установлен на линии отвода хладоагента из дефлегматора, а другой — на линии отдувки. Причем рабочие участки характеристик этих клапанов должны быть различны. Ход плунжера первого из них должен находиться в пределах примерно 0—75% регулирующего воздействия, а второго — в пределах 50—100%.

В peзультате несконденсировавшиеся газы сбрасываются из флегмовой емкости только при больших расходах хладоагента, поступающего в дефлегматор, и продолжающемся повышении давления в колонне.

Если целевым продуктом является дистиллят, то основной технологической величиной ректификационной установки будет состав паров в верхней части колонны. Состав дистиллята регулируют изменением подачи флегмы в колонну. При этом регулирующий орган может быть установлен как на линии подачи флегмы, так и на линии отвода дистиллята. С точки зрения статики это равноценно. Однако для повышения качества регулирования регулирующий орган АСР состава необходимо устанавливать на линии подачи флегмы в колонну, при этом для' сохранения материального баланса укрепляющей части колонны дистиллят необходимо отводить с помощью АСР уровня во флегмовой емкости. Иначе инерционные свойства емкости будут влиять на качество процесса регулирования, что может привести к нежелательным последствиям.

Согласно правилу фаз при разделении бинарной смеси, если давление в ко-лонне постоянно, состав дистиллята и температура однозначно связаны между собой. Поэтому для управления подачей флегмы применяют регулятор температуры верхней части колонны.

Если число тарелок в колонне велико или разность температур кипения     разделяемых компонентов невелика, запаздывание в объекте достигает нескольких десятков минут и более. Поэтому измерение температуры вверху колонны приводит к большим отклонениям технологического режима от регламента, так как регулирующие воздействия будут введены в процесс с большим запаздыванием.

Для повышения качества регулирования чувствительный элемент      температуры следует устанавливать на так называемой контрольной тарелке укрепляющей части колонны, т. е. там, где температура значительно более чувствительна к изменению подачи флегмы и где обеспечено меньшее запаздывание при изменении состава исходной смеси.