Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение 1: Типичные промышленные дистилляционные башни
Изображение 2: Колонна вакуумной перегонки сырой нефти, используемая на нефтеперерабатывающих заводах.

Непрерывная перегонка , форма перегонки , представляет собой непрерывное разделение, при котором смесь непрерывно (без перерывов) подается в процесс, а разделенные фракции непрерывно удаляются в виде выходных потоков. Дистилляция - это разделение или частичное разделение жидкой исходной смеси на компоненты или фракции путем избирательного кипячения (или испарения ) и конденсации . Процесс производит не менее двух выходных фракций. Эти фракции включают , по меньшей мере , один летучий дистиллят фракцию, которая вареная и был отдельно захваченной в виде пары конденсируется в жидкость, и практически всегда днища (или Residuum) фракция, которая представляет собой наименее летучий остаток, который не улавливался отдельно в виде конденсированного пара.

Альтернативой непрерывной дистилляции является периодическая дистилляция., где смесь добавляется в установку в начале перегонки, фракции дистиллята отбираются последовательно во времени (одна за другой) во время перегонки, а оставшаяся фракция кубового остатка удаляется в конце. Поскольку каждая из фракций дистиллята выводится в разное время, для периодической перегонки требуется только одна точка (место) выхода дистиллята, и дистиллят можно просто переключить на другой приемник, контейнер для сбора фракций. Периодическая перегонка часто используется при перегонке меньших количеств. При непрерывной перегонке каждый из потоков фракций отбирается одновременно на протяжении всей операции; поэтому для каждой фракции требуется отдельная точка выхода. На практике, когда имеется несколько фракций дистиллята, точки выхода дистиллята расположены на разной высоте нафракционирующая колонна . Нижнюю фракцию можно отбирать из нижней части ректификационной колонны или установки, но часто ее отбирают из ребойлера, подключенного к нижней части колонны.

Каждая фракция может содержать один или несколько компонентов (типов химических соединений ). При перегонке сырой нефти или аналогичного сырья каждая фракция содержит множество компонентов с аналогичной летучестью и другими свойствами. Хотя можно проводить мелкомасштабную или лабораторную непрерывную дистилляцию, чаще всего непрерывная дистилляция используется в крупномасштабном промышленном процессе.

Промышленное применение [ править ]

Перегонка является одним из единичных операций в области химического машиностроения . [1] [2] Непрерывная дистилляция широко используется в химической промышленности, где необходимо перегонять большие количества жидкостей. [3] [4] [5] Такими отраслями промышленности являются переработка природного газа , нефтехимия , переработка каменноугольной смолы , производство щелока , разделение сжиженного воздуха , производство углеводородных растворителей , разделение каннабиноидов и аналогичные отрасли, но наиболее широкое применение он находит на нефтеперерабатывающих заводах.. На таких нефтеперерабатывающих заводах сырье из сырой нефти представляет собой очень сложную многокомпонентную смесь, которую необходимо разделять, и выход чистых химических соединений не ожидается, а только группы соединений в относительно небольшом диапазоне температур кипения , которые называются фракциями . Эти фракции являются источником термина фракционная перегонка или фракционирование . Часто нецелесообразно далее разделять компоненты этих фракций исходя из требований к продукту и экономических соображений.

Промышленная дистилляция обычно выполняется в больших вертикальных цилиндрических колоннах (как показано на изображениях 1 и 2), известных как «дистилляционные башни» или «дистилляционные колонны», диаметром от 65 до 11 метров и высотой от 6 до 60 метров. метров и более.

Принцип [ править ]

Основная статья: Дистилляция
Изображение 3: Схема химической инженерии колонны непрерывной бинарной фракционной перегонки. Бинарная дистилляция разделяет поток исходной смеси на две фракции: одну дистиллятную и одну нижнюю фракции.

Принцип непрерывной перегонки такой же, как и при обычной перегонке: когда жидкая смесь нагревается до кипения, состав пара над жидкостью отличается от состава жидкости. Если этот пар затем отделяется и конденсируется в жидкость, он становится богаче компонентом (ами) с более низкой точкой кипения исходной смеси.

Вот что происходит в ректификационной колонне непрерывного действия. Смесь нагревают и направляют в дистилляционную колонну. При входе в колонну сырье начинает стекать вниз, но его часть, компонент (ы) с более низкой точкой (-ами) кипения, испаряется и поднимается. Однако по мере того, как он поднимается, он охлаждается, и хотя часть его продолжает подниматься в виде пара, часть его (обогащенная менее летучим компонентом) снова начинает опускаться.

На рисунке 3 изображена простая колонна фракционной дистилляции непрерывного действия для разделения потока сырья на две фракции: продукт дистиллята верхнего погона и продукт кубового остатка. Самые «легкие» продукты (продукты с самой низкой точкой кипения или самой высокой летучестью) выходят из верхней части колонны, а самые «тяжелые» продукты (нижней части, продукты с самой высокой точкой кипения) выходят из нижней части колонны. Верхний поток может быть охлажден и конденсирует с помощью водяного охлаждения или с воздушным охлаждением конденсатора . В дне кипятильника может быть водяным паром с подогревом или горячим масло нагревает- теплообменник , или даже газ или жидкое топливо печи .

При непрерывной перегонке система находится в устойчивом состоянии или приблизительно в устойчивом состоянии. Устойчивое состояние означает, что количества, относящиеся к процессу, не меняются с течением времени во время работы. Такие постоянные количества включают скорость подачи сырья, скорость потока на выходе, скорость нагрева и охлаждения, коэффициент дефлегмации , а также температуры , давления и составы в каждой точке (местоположении). Если процесс не нарушается из-за изменений в подаче, нагревании, температуре окружающей среды или конденсации, обычно поддерживается устойчивое состояние. Это также главная привлекательность непрерывной дистилляции, помимо минимального количества (легко контролируемого) наблюдения; если скорость подачи и состав корма остаются постоянными, скорость и качество продуктатакже постоянны. Даже когда происходит изменение условий, современные методы управления технологическим процессом обычно способны постепенно возвращать непрерывный процесс к другому устойчивому состоянию.

Поскольку в установку непрерывной дистилляции постоянно подается исходная смесь и не заполняется сразу, как в периодической дистилляции, установка непрерывной дистилляции не нуждается в большом дистилляционном котле, сосуде или резервуаре для периодического заполнения. Вместо этого смесь можно подавать непосредственно в колонну, где происходит фактическое разделение. Высота точки подачи вдоль колонны может варьироваться в зависимости от ситуации и предназначена для обеспечения оптимальных результатов. См. Метод Маккейба – Тиле .

Непрерывная перегонка часто представляет собой фракционную перегонку и может быть перегонкой в вакууме или перегонкой с водяным паром .

Устройство и работа [ править ]

Конструкция и работа ректификационной колонны зависят от сырья и желаемых продуктов. Имея простой бинарный компонентный поток, аналитические методы, такие как метод МакКейба – Тиле [5] [6] [7] или уравнение Фенске [5], могут быть использованы для помощи в проектировании. Для многокомпонентной подачи используются компьютеризированные имитационные модели как для проектирования, так и для последующей эксплуатации колонны. Моделирование также используется для оптимизации уже установленных колонн для перегонки смесей, отличных от тех, для которых дистилляционное оборудование было изначально спроектировано.

При работе ректификационной колонны непрерывного действия необходимо внимательно следить за изменениями в составе сырья, рабочей температуре и составе продукта. Многие из этих задач выполняются с использованием современного оборудования компьютерного управления.

Канал столбца [ править ]

Колонку можно подавать по-разному. Если сырье поступает из источника с давлением выше, чем давление в дистилляционной колонне, его просто подают по трубопроводу в колонну. В противном случае корм перекачивается или сжимается в колонну. Сырье может быть перегретым паром , насыщенным паром , частично испаренной жидко-паровой смесью, насыщенной жидкостью (то есть жидкостью при ее точке кипения при давлении в колонне) или переохлажденной жидкостью . Если сырье представляет собой жидкость под давлением, намного превышающим давление в колонне, и протекает через клапан сброса давления непосредственно перед колонной, она немедленно расширяется и подвергается частичному мгновенному испарению. в результате образуется парожидкостная смесь, когда она поступает в дистилляционную колонну.

Улучшение разделения [ править ]

Изображение 4: Упрощенная химическая инженерная схема колонны непрерывной фракционной дистилляции, разделяющая один поток исходной смеси на четыре дистиллятные и одну нижнюю фракции.

Хотя устройства небольшого размера, в основном сделанные из стекла, могут использоваться в лабораториях, промышленные устройства представляют собой большие вертикальные стальные сосуды (см. Изображения 1 и 2), известные как «дистилляционные башни» или «дистилляционные колонны». Для улучшения разделения внутри колонны обычно устанавливаются горизонтальные тарелки или тарелки, как показано на рисунке 5, или колонна набивается насадочным материалом. Для обеспечения тепла, необходимого для испарения при дистилляции, а также для компенсации потерь тепла, тепло чаще всего подводится к нижней части колонны с помощью ребойлера , а чистота верхнего продукта может быть улучшена за счет рециркуляции некоторых из внешних источников. конденсированный жидкий верхний продукт в виде флегмы. В зависимости от их назначения дистилляционные колонны могут иметь выпускные отверстия для жидкости с интервалами по длине колонны, как показано на рисунке 4.

Рефлюкс [ править ]

В крупномасштабных промышленных колоннах фракционирования используется орошение для более эффективного разделения продуктов. [3] [5]Обратный поток относится к части сконденсированного жидкого продукта верхнего погона из дистилляционной колонны, который возвращается в верхнюю часть колонны, как показано на изображениях 3 и 4. Внутри колонны нисходящая орошающая жидкость обеспечивает охлаждение и частичную конденсацию восходящих паров. , тем самым увеличивая эффективность дистилляционной башни. Чем больше флегмы обеспечивается, тем лучше в башне отделяются компоненты сырья с более низкой температурой кипения от компонентов с более высокой температурой кипения. Баланс нагрева с ребойлером в нижней части колонны и охлаждения конденсированным орошением в верхней части колонны поддерживает температурный градиент (или постепенный перепад температур) по высоте колонны, чтобы обеспечить хорошие условия для фракционирования исходной смеси. Обратные потоки в середине башни называются насосными.

Изменение орошения (в сочетании с изменениями подачи и отвода продукта) также можно использовать для улучшения разделительных свойств колонны непрерывной дистилляции во время работы (в отличие от добавления тарелок или тарелок или изменения насадки, которая при минимум, требуют довольно значительного простоя).

Тарелки или подносы [ править ]

Изображение 5: Поперечное сечение бинарной фракционной перегонной колонны с тарелками с пузырьковыми крышками. (Смотрите теоретическую тарелку для увеличенного изображения лотка.)

В дистилляционных башнях (например, на изображениях 3 и 4) используются различные методы контактирования пара и жидкости для обеспечения необходимого количества ступеней равновесия . Такие устройства обычно известны как «тарелки» или «подносы». [8] Каждая из этих тарелок или лотков имеет разную температуру и давление. Ступень в нижней части башни имеет самые высокие давление и температуру. По мере продвижения вверх по башне давление и температура снижаются для каждой последующей ступени. Пар-жидкость равновесияпоскольку каждый компонент сырья в башне по-своему реагирует на различные условия давления и температуры на каждой из ступеней. Это означает, что каждый компонент устанавливает различную концентрацию в паровой и жидкой фазах на каждой из ступеней, и это приводит к разделению компонентов. Некоторые примеры лотков изображены на изображении 5. Более подробное, увеличенное изображение двух лотков можно увидеть в статье о теоретической тарелке . Ребойлер часто выступает в качестве дополнительной ступени уравновешивания.

Если бы каждая физическая тарелка или тарелка были бы эффективны на 100%, то количество физических тарелок, необходимых для данного разделения, было бы равно количеству ступеней равновесия или теоретических тарелок. Однако это случается очень редко. Следовательно, для дистилляционной колонны требуется больше тарелок, чем требуется количество теоретических ступеней парожидкостного равновесия.

Упаковка [ править ]

Другой способ улучшить разделение в ректификационной колонне - использовать насадочный материал вместо тарелок. Они предлагают преимущество более низкого перепада давления в колонне (по сравнению с тарелками или тарелками ), что выгодно при работе в вакууме. Если в дистилляционной башне используется насадка вместо тарелок, сначала определяется количество необходимых теоретических ступеней равновесия, а затем также определяется высота насадки, эквивалентная теоретической ступени равновесия , известная как высота, эквивалентная теоретической тарелке (HETP). Требуемая общая высота насадки - это количество теоретических ступеней, умноженное на HETP.

Этот набивочный материал может представлять собой набивку с произвольной разгрузкой, такую ​​как кольца Рашига, или структурированный листовой металл . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, и пары проходят по этой смоченной поверхности, где происходит массообмен . В отличие от традиционной тарельчатой ​​перегонки, в которой каждая тарелка представляет собой отдельную точку равновесия пар-жидкость, кривая равновесия пар-жидкость в насадочной колонне является непрерывной. Однако при моделировании насадочных колонн полезно рассчитать количество теоретических тарелок, чтобы обозначить эффективность разделения насадочной колонны по сравнению с более традиционными тарелками. Насадки разной формы имеют разные площади поверхности и пустоты между насадками. Оба эти фактора влияют на характеристики набивки.

Другим фактором в дополнение к форме насадки и площади поверхности, который влияет на характеристики случайной или структурированной насадки, является распределение жидкости и пара, попадающего в насадочный слой. Количество теоретических стадий, необходимых для данного разделения, рассчитывается с использованием определенного отношения пара к жидкости. Если жидкость и пар распределяются неравномерно по поверхностной площади башни, когда они входят в уплотненный слой, соотношение жидкости и пара в уплотненном слое не будет правильным, и требуемое разделение не будет достигнуто. Кажется, что упаковка работает неправильно. Высота , эквивалентная теоретической тарелке(HETP) будет больше, чем ожидалось. Проблема не в самой насадке, а в неправильном распределении жидкостей, поступающих в насадочный слой. Неправильное распределение жидкости является более частой проблемой, чем пар. Конструкция распределителей жидкости, используемых для подачи сырья и флегмы в уплотненный слой, имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности набивки. Методы оценки эффективности распределителя жидкости можно найти в справочных материалах. [9] [10]

Устройство подвесной системы [ править ]

На изображениях 4 и 5 показан верхний поток, который полностью конденсируется в жидкий продукт с использованием водяного или воздушного охлаждения. Однако во многих случаях верхний погон колонны нелегко полностью сконденсировать, и орошающий барабан должен включать выходящий поток отходящего газа . В других случаях поток верхнего погона может также содержать водяной пар, потому что либо поток исходного материала содержит некоторое количество воды, либо некоторое количество пара вводится в дистилляционную колонну (что имеет место в колоннах перегонки сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах ). В тех случаях, если дистиллятный продукт нерастворим в воде, орошающий барабан может содержать конденсированную жидкую дистиллятную фазу, конденсированную водную фазу и неконденсирующуюся газовую фазу, что делает необходимым, чтобы орошающий барабан также имел выходящий поток воды. .

Многокомпонентная дистилляция [ править ]

Помимо фракционной перегонки, которая в основном используется для переработки сырой нефти, многокомпонентные смеси обычно обрабатываются для очистки их отдельных компонентов с помощью ряда дистилляционных колонн, то есть дистилляционной линии.

Поезд дистилляции [ править ]

Линия дистилляции определяется последовательностью расположенных последовательно или параллельно дистилляционных колонн, целью которых является очистка многокомпонентных смесей.

Альтернативы, усиливающие процесс [ править ]

Колонны с разделительной перегородкой блок является наиболее распространенным процессом интенсифицирующее блок связан с перегонкой. В частности, было доказано , что компоновка в одноколонной оболочке конфигурации Петлюка [11] является термодинамически эквивалентной. [12]

Примеры [ править ]

Непрерывная перегонка сырой нефти [ править ]

Нефть содержит сотни различных углеводородных соединений: парафины , нафтены и ароматические углеводороды, а также органические соединения серы , органические соединения азота и некоторые кислородсодержащие углеводороды, такие как фенолы . Хотя сырая нефть обычно не содержит олефинов , они образуются во многих процессах, используемых на нефтеперерабатывающем заводе. [13]

Масло фракционирующего сырое не производят продукты , имеющие одну точку кипения; скорее, он производит фракции, имеющие интервалы кипения. [13] [14] Например, фракционирующая установка для сырой нефти производит головную фракцию, называемую « нафта », которая становится компонентом бензина после дальнейшей обработки в каталитическом гидродесульфуризаторе для удаления серы и в установке каталитического риформинга для преобразования его углеводородных молекул в более сложные молекулы с более высоким октановым числом .

Нафта, так называемая фракция, содержит множество различных углеводородных соединений. Следовательно, он имеет начальную точку кипения около 35 ° C и конечную точку кипения около 200 ° C. Каждая фракция, полученная в ректификационных колоннах, имеет различный диапазон кипения. На некотором расстоянии ниже верхней части колонны следующая фракция отводится со стороны колонны, и обычно это фракция реактивного топлива, также известная как керосиновая фракция. Диапазон кипения этой фракции составляет от начальной точки кипения около 150 ° C до конечной точки кипения около 270 ° C, и она также содержит много различных углеводородов. Следующий разрез ниже по башне - дизельное топливо.нарезать с температурой кипения от около 180 ° C до около 315 ° C. Диапазоны кипения между любой фракцией и следующей фракцией перекрываются, потому что разделения при перегонке не являются идеально резкими. После этого идут фракции тяжелого нефтяного топлива и, наконец, кубовый продукт с очень широкими диапазонами кипения. Все эти фракции обрабатываются в последующих процессах рафинирования.

Непрерывная перегонка концентратов каннабиса [ править ]

Типичное применение для дистилляции концентратов каннабиса - бутановое гашишное масло (BHO). Кратковременная дистилляция - популярный метод из-за короткого времени пребывания, которое позволяет минимизировать тепловую нагрузку на концентрат. В других методах перегонки, таких как циркуляция, перегонка с падающей пленкой и перегонка в колонне, концентрат будет поврежден из-за длительного времени пребывания и высоких температур, которые необходимо применять.

См. Также [ править ]

  • Азеотропная перегонка
  • Экстракционная перегонка
  • Фракционная перегонка
  • Колонна фракционирования
  • Паровая дистилляция
  • Дистилляция по короткому пути

Ссылки [ править ]

  1. ^ Редакторы: Жаклин И. Kroschwitz и Арза Зайделя (2004). Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера (5-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-48810-0.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  2. Перейти ↑ McCabe, W., Smith, J. and Harriott, P. (2004). Блок операций химического машиностроения (7-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN 0-07-284823-5.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  3. ^ a b Кистер, Генри З. (1992). Дизайн дистилляции (1-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-034909-6.
  4. Перейти ↑ King, CJ (1980). Процессы разделения (2-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN 0-07-034612-7.
  5. ^ a b c d Перри, Роберт Х .; Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7.
  6. ^ Beychok, Милтон (май 1951 г.). "Алгебраическое решение диаграммы МакКейба-Тиля". Прогресс химического машиностроения .
  7. ^ Seader, JD; Хенли, Эрнест Дж. (1998). Принципы процесса разделения . Нью-Йорк: Вили. ISBN 0-471-58626-9.
  8. ^ Фотографии пузырьковых крышек и других типов лотков (веб-сайт Raschig Gmbh)
  9. ^ Случайная упаковка, распределение пара и жидкости: распределение жидкости и газа в коммерческих насадочных башнях , Мур, Ф., Руковена, Ф., Химические заводы и переработка, Издание Европа, август 1987 г., стр. 11-15
  10. ^ Структурированная упаковка, Распределение жидкости: новый метод оценки качества распределителя жидкости , Spiegel, L., Chemical Engineering and Processing 45 (2006), стр. 1011-1017
  11. ^ Поцелуй, Антон Александру (2013). Передовые технологии дистилляции: проектирование, управление и применение . ISBN 9781119993612.
  12. ^ Маденур Рамаприя, Гаутам; Тавармалани, Мохит; Агравал, Ракеш (август 2014 г.). «Тепловые соединения связаны с перекачивающими потоками только для жидкости: путь к новым колоннам с перегородками». Журнал Айше . 60 (8): 2949–2961. DOI : 10.1002 / aic.14468 .
  13. ^ а б Гэри, JH; Хандверк, GE (1984). Технология и экономика нефтепереработки (2-е изд.). Марсель Деккер, Inc. ISBN 0-8247-7150-8.
  14. Перейти ↑ Nelson, WL (1958). Нефтеперерабатывающая промышленность (4-е изд.). Макгроу Хилл. LCCN 57010913 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Теория дистилляции Ивара Халворсена и Сигурда Скогестада, Норвежский университет науки и технологий, Норвегия
  • Дистилляция от Distillation Group, США
  • Лекционные заметки по дистилляции профессора Рэндалла М. Прайса из Университета Христианских братьев
  • Дистилляция нефти от Wayne Pafco
  • Программное обеспечение для моделирования дистилляции