Ректификация многокомпонентных смесей

При разделении бинарной смеси путем ректификации обычно достаточно одной простой колонны, чтобы получить заданные составы ректификата и остатка. Лишь в специальных случаях (получение чистых веществ и др.) приходится применять более сложные варианты колонн.

При разделении многокомпонентной смеси приходится выделять несколько целевых продуктов (фракций), к составу которых предъявляются определенные требования. Это обусловливает необходимость применения нескольких простых колонн, соединенных определенным образом, что и определяет последовательность выделения компонентов или соответствую­щих фракций из смеси. Поскольку каждая простая колонна делит смесь на два продукта, то для разделения смеси, состоящей из п компонентов (фракций), необходимо иметь N— 1 простых колонн. С увеличением числа компонентов системы возможное число вариантов взаимного соединения простых колонн быстро возрастает.

На рис. IV-30 приведены схемы вариантов соединения простых колонн: последователь­ный по потокам ректификатов, последовательный по потокам остатков, последовательно-па­раллельный и с рециркуляцией потоков при разделении многокомпонентной смеси на не­сколько продуктов (фракций).

Последовательное соединение колонн может осуществляться как по потокам остатков, когда остаток данной колонны поступает на ректификацию в следующую, а остаток в виде готового продукта получают только в последней колонне (рис. IV-30, а), так и по потокам ректификатов, когда ректификат данной колонны направляется в следующую, а в качестве готового продукта выводится ректификат только из последней колонны (рис. IV-30, б).

Последовательно-параллельное соединение колонн (см. рис. IV-30, в) состоит в том, что колонны соединены последовательно: одна часть по потокам ректификатов, другая — по потокам остатков.

С рециркуляцией одного или нескольких продуктов при разделении многокомпонент­ной смеси применяют (см. рис. IV-30, г, д), если рециркулируемые потоки не являются товар­ными продуктами для данной технологической схемы.

Комбинируя приведенные выше варианты соединения простых колонн, изменяя после­довательность выделения тех или иных компонентов, а также их отбор в виде ректификата или в виде остатка, можно получать различные схемы для ректификации многокомпонентной смеси.

Так (см. рис. IV-30), например, переход от последовательного по потокам ректификатов к последовательно-параллельному соединению простых колонн позволяет получить в ви­де ректификата как первый (колонна II), так и третий (колонна III) компоненты. Последова­тельное же соединение колонн по потокам остатков позволяет выделить три компонента в виде ректификатов. Это имеет важное практическое значение, когда к получаемым продуктам предъявляются специальные требования, например, по механическим примесям и др.

Выбор конкретного варианта соединения колонн обусловливается как технологически­ми требованиями к перерабатываемым продуктам, так и экономическими показателями, определяющими затраты на ректификацию.

Если смесь разделяют на меньшее число продуктов, чем содержится компонентов в смеси (некоторые компоненты могут быть выделены в виде фракций), то число колонн будет меньше, чем в случае выделения каждого компонента в отдельности. Это характерно для установок АВТ, вторичной перегонки бензинов, ректификации продуктов каталитического крекинга и др., где целевыми являются фракции, кипящие в сравнительно широком интерва­ле температур.

На нефтеперерабатывающих заводах нашли применение сложные колонны, представляющие собой систему простых колонн, соединенных в один агрегат (рис. IV-31).

Такая сложная колонна отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам ректификатов (см. рис. IV-30, б). Она представляет собой колонну /, на которой как бы установлены концентрацион­ные части колонн II и III. Таким образом, получилась одна основная колон­на, включающая концентрационные части всех трех колонн и отгонную часть колонны I. Отгонные части колонн II и III выполнены в виде отдель­ных аппаратов, называемых отпарными колоннами или стриппинг-секциями. Отпарные колонны связаны с основной колонной потоками жидкости и пара.

Такая сложная колонна требует меньше места для своей установки и нуждается только в одном насосе для подачи орошения. Однако при такой конструкции увеличивается высота колонны и обслуживающих ее металло­конструкций. Кроме того, потоки всех секции колонны жестко взаимосвязаны, что осложняет четкое разделение продуктов W_u и W_lu и одновременное обеспечение их качества.

Рис. 15.1. Схемы основных способов соединения простых колонн при ректификации многокомпонентной смеси:последовательное по потокам остатка; б — последовательное по потокам ректификата; в — последовательно-параллельное; г — с рециклом остатка; д — с рециклом ректификата; 1—Ш — условные номера колонн а —

^F

Рис. IV-31. Схема сложной колонны для ректификации четырехкомпонентной смеси:

1—111 — контуры, выделяющие части сложной колонны, аналогичные (по номерам) колоннам, приведенным на рис. IV-31, б

В такой сложной колонне процесс протекает следующим образом. Флегма, образованная при конденсации паров на верху колонны, последовательно перетекает с тарелки на тарелку. достигнув нижней тарелки этой колонны, флегма делится на два потока. Один поток отводится в отпарную секцию колонны III, где получается продукт W_m. Второй поток флегмыперетекает на верхнюю тарелку колонны II, являясь орошением для этой колонны.

Пары G'_m из отгонной секции колонны III возвращаются под нижнюю тарелку концентрационной части этой колонны. Аналогично протекает процесс и в других колоннах II и /.

При отводе всего тепла только на верху сложной колонны поток орошения должен быть достаточным, чтобы обеспечить необходимое флегмовое число во всех нижерасположенных секциях колонны. Однако вследствие отбора боковых погонов в сложной колонне масса паров увеличивается сверху вниз, а масса орошения — снизу вверх. Таким образом, наибольшее флегмовое число в сложной ректификационной колонне соответствует верхней секции (III колонна), и в направлении сверху вниз оно уменьшается, что ухудшает процесс ректификации.

Для обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны, разгрузки вышележащих сечений и регенерации тепла съем части тепла с целью образования дополнительного потока флегмы производят промежуточным циркуляционным орошением в одном-двух сечениях на верху соответствующих простых колонн (рис. IV-32). Поток промежуточного циркуляционного орошения (ПЦО) прокачивается через регенеративный теплообменник, например нефти, и при более низкой температуре t, поступает на верхнюю тарелку концентрационной части соответствующей простой колонны. Поднимающиеся снизу пары контактируют с более холодной циркулирующей флегмой и частично конденсируются, образуя дополнительный поток флегмы, который присоединяется к потоку флегмы и создает поток орошения.

Массу ПЦО рассчитывают по уравнению (55). Обычно для организации ПЦО используются 2 — 4 тарелки.

Каждую секцию сложной колонны рассчитывают как соответствующую часть простой колонны, имея в виду, что пары ректификата секции, расположенной ниже, поступают на ректификацию в секцию, расположенную выше.

Применение сложных колонн оправдано в основном в тех случаях, когда требуется относительно невысокая четкость разделения, например, при выделении широких по температурам кипения фракций.

15.1 Особенности расчета много компонентных смесей

Схема потоков в простой колонне, разделяющей многокомпонентную смесь, принципиально не отличается от потоков в колонне для разделения бинарной смеси (рис. IV-5). Однако в отличие от бинарной системы в многокомпонентной смеси содержится компонент, имеющий самую низкую температуру кипения, т.е. НКК, компонент с наибольшей температурой кипения, т.е. ВКК, а также компоненты, которые по температурам кипения располагаются между НКК и ВКК. Это вносит целый ряд особенностей в расчет и поведение компонентов при ректификации.

При ректификации многокомпонентной смеси материальный и тепловой балансы для колонны в целом можно составить таким же образом, как и при ректификации бинарной смеси.