Непрерывная дистилляция: принципы и применение.

Введение

Форма дистилляции

Непрерывная дистилляция, являющаяся формой дистилляции, представляет собой непрерывный процесс разделения, в котором смесь постоянно (без перерыва) подается в систему, а разделенные фракции непрерывно выводятся в виде выходных потоков. Дистилляция – это разделение или частичное разделение жидкой исходной смеси на компоненты или фракции путем селективного кипения (или испарения) и конденсации. Процесс производит как минимум две выходные фракции. Эти фракции включают в себя как минимум одну летучую фракцию дистиллята, которая закипает и отдельно собирается в виде пара, конденсированного в жидкость, и практически всегда фракцию остатка (или ректификационного остатка), которая является наименее летучим остатком, не собранным отдельно в виде конденсированного пара. Альтернативой непрерывной дистилляции является периодическая дистилляция, при которой смесь добавляется в аппарат в начале процесса дистилляции, фракции дистиллята отбираются последовательно во времени (одна за другой) в ходе дистилляции, а оставшаяся фракция остатка удаляется в конце. Поскольку каждая из фракций дистиллята отбирается в разное время, для периодической дистилляции требуется только одна точка отбора дистиллята (местоположение), и дистиллят можно просто переключить на другой приемник – емкость для сбора фракций. Периодическая дистилляция часто используется при перегонке небольших количеств вещества. В непрерывной дистилляции каждый из фракционных потоков отбирается одновременно на протяжении всего процесса; следовательно, для каждой фракции требуется отдельная точка отбора. На практике, при наличии нескольких фракций дистиллята, точки отбора дистиллята располагаются на разных высотах фракционной колонны. Фракция остатка может отбираться снизу дистилляционной колонны или аппарата, но чаще всего ее отбирают из ректификационной колонны, подключенной 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 близкой летучестью и другими свойствами. Хотя возможна непрерывная дистилляция в малом масштабе или в лаборатории, чаще всего непрерывная дистилляция используется в крупномасштабных промышленных процессах.

Continuous distillation, a form of distillation, is an ongoing separation in which a mixture is continuously (without interruption) fed into the process and separated fractions are removed continuously as output streams. Distillation is the separation or partial separation of a liquid feed mixture into components or fractions by selective boiling (or evaporation) and condensation. The process produces at least two output fractions. These fractions include at least one volatile distillate fraction, which has boiled and been separately captured as a vapor condensed to a liquid, and practically always a bottoms (or residuum) fraction, which is the least volatile residue that has not been separately captured as a condensed vapor. An alternative to continuous distillation is batch distillation, where the mixture is added to the unit at the start of the distillation, distillate fractions are taken out sequentially in time (one after another) during the distillation, and the remaining bottoms fraction is removed at the end. Because each of the distillate fractions are taken out at different times, only one distillate exit point (location) is needed for a batch distillation and the distillate can just be switched to a different receiver, a fraction collecting container. Batch distillation is often used when smaller quantities are distilled. In a continuous distillation, each of the fraction streams is taken simultaneously throughout operation; therefore, a separate exit point is needed for each fraction. In practice when there are multiple distillate fractions, the distillate exit points are located at different heights on a fractionating column. The bottoms fraction can be taken from the bottom of the distillation column or unit, but is often taken from a reboiler connected to the bottom of the column. Each fraction may contain one or more components (types of chemical compounds). When distilling crude oil or a similar feedstock, each fraction contains many components of similar volatility and other properties. Although it is possible to run a small scale or laboratory continuous distillation, most often continuous distillation is used in a large scale industrial process.

Промышленное применение

Дестилляция является одной из основных операций химической инженерии. Непрерывная дистилляция широко используется в химической промышленности, где требуется перегонка больших объемов жидкостей. К таким отраслям относятся переработка природного газа, нефтехимическое производство, переработка каменноугольной смолы, производство алкогольных напитков, разделение сжиженного воздуха, производство углеводородных растворителей, разделение каннабиноидов и аналогичные производства, однако наиболее широкое применение она находит на нефтеперерабатывающих заводах. На этих заводах сырая нефть представляет собой очень сложную многокомпонентную смесь, которую необходимо разделять. При этом не предполагается получение чистых химических соединений, а лишь групп соединений с относительно близкими температурами кипения, которые называются фракциями. Именно эти фракции являются происхождением терминов "фракционная дистилляция" или "фракционирование". Часто дальнейшее разделение компонентов внутри этих фракций нецелесообразно с точки зрения требований к продукту и экономической эффективности. Промышленная дистилляция обычно осуществляется в больших вертикальных цилиндрических колоннах (как показано на рисунках 1 и 2), известных как "дистилляционные колонны" или "ректификационные колонны", диаметром от 65 сантиметров до 11 метров и высотой от 6 до 60 метров и более.

Принцип

Принцип непрерывной дистилляции такой же, как и при обычной дистилляции: когда жидкая смесь нагревается до кипения, состав паров над жидкостью отличается от состава самой жидкости. Если этот пар затем отделяется и конденсируется в жидкость, он становится богаче компонентом (или компонентами) с более низкой температурой кипения исходной смеси. Именно это происходит в колонне непрерывной дистилляции. Смесь нагревается и подается в колонну. Попадая в колонну, подача начинает течь вниз, но часть ее, компонент (или компоненты) с более низкой температурой кипения, испаряется и поднимается вверх. Однако, поднимаясь, она охлаждается, и хотя часть ее продолжает подниматься в виде пара, другая часть (обогащенная менее летучим компонентом) начинает опускаться вниз. На рисунке 3 изображена простая колонна непрерывной фракционной дистилляции для разделения исходного потока на две фракции: верхний дистиллят и нижний продукт. "Легкие" продукты (с самой низкой температурой кипения или самой высокой летучестью) выходят из верхней части колонны, а "тяжелые" продукты (донный продукт, с самой высокой температурой кипения) – из нижней части. Верхний поток может охлаждаться и конденсироваться с помощью конденсатора, охлаждаемого водой или воздухом. Нижний ребойлер может быть теплообменником, нагреваемым паром или горячим маслом, или даже газовой или масляной печью. В процессе непрерывной дистилляции система поддерживается в стационарном или приближенно стационарном состоянии. Стационарное состояние означает, что величины, характеризующие процесс, не изменяются со временем во время работы. К таким постоянным величинам относятся скорость подачи, скорости выходных потоков, скорости нагрева и охлаждения, коэффициент рефлюкса, температуры, давления и составы в каждой точке (местоположении). Если процесс не нарушается изменениями в подаче, нагреве, температуре окружающей среды или конденсации, стационарное состояние обычно поддерживается. Это также является главным преимуществом непрерывной дистилляции, помимо минимального объема (легко измеряемых) параметров контроля; если скорость и состав подачи остаются постоянными, скорость и качество продукта также остаются постоянными. Даже при изменении условий современные методы управления процессом обычно способны постепенно вернуть непрерывный процесс в другое стационарное состояние. Поскольку установка непрерывной дистилляции постоянно подается исходной смесью, а не заполняется сразу, как при периодической дистилляции, ей не требуется большой дистилляционный куб, емкость или резервуар для заполнения партии. Вместо этого смесь может подаваться непосредственно в колонну, где происходит фактическое разделение. Высота точки подачи вдоль колонны может варьироваться в зависимости от ситуации и проектируется таким образом, чтобы обеспечить оптимальные результаты. См. метод МакКейба — Тиля. Непрерывная дистилляция часто является фракционной дистилляцией и может быть вакуумной или паровой дистилляцией.

The principle for continuous distillation is the same as for normal distillation: when a liquid mixture is heated so that it boils, the composition of the vapor above the liquid differs from the liquid composition. If this vapor is then separated and condensed into a liquid, it becomes richer in the lower boiling point component(s) of the original mixture. This is what happens in a continuous distillation column. A mixture is heated up, and routed into the distillation column. On entering the column, the feed starts flowing down but part of it, the component(s) with lower boiling point(s), vaporizes and rises. However, as it rises, it cools and while part of it continues up as vapor, some of it (enriched in the less volatile component) begins to descend again. Image 3 depicts a simple continuous fractional distillation tower for separating a feed stream into two fractions, an overhead distillate product and a bottoms product. The "lightest" products (those with the lowest boiling point or highest volatility) exit from the top of the columns and the "heaviest" products (the bottoms, those with the highest boiling point) exit from the bottom of the column. The overhead stream may be cooled and condensed using a water cooled or air cooled condenser. The bottoms reboiler may be a steam heated or hot oil heated heat exchanger, or even a gas or oil fired furnace. In a continuous distillation, the system is kept in a steady state or approximate steady state. Steady state means that quantities related to the process do not change as time passes during operation. Such constant quantities include feed input rate, output stream rates, heating and cooling rates, reflux ratio, and temperatures, pressures, and compositions at every point (location). Unless the process is disturbed due to changes in feed, heating, ambient temperature, or condensing, steady state is normally maintained. This is also the main attraction of continuous distillation, apart from the minimum amount of (easily instrumentable) surveillance; if the feed rate and feed composition are kept constant, product rate and quality are also constant. Even when a variation in conditions occurs, modern process control methods are commonly able to gradually return the continuous process to another steady state again. Since a continuous distillation unit is fed constantly with a feed mixture and not filled all at once like a batch distillation, a continuous distillation unit does not need a sizable distillation pot, vessel, or reservoir for a batch fill. Instead, the mixture can be fed directly into the column, where the actual separation occurs. The height of the feed point along the column can vary on the situation and is designed so as to provide optimal results. See McCabe–Thiele method. A continuous distillation is often a fractional distillation and can be a vacuum distillation or a steam distillation.

Конструкция и эксплуатация

Конструкция и работа дистилляционной колонны зависят от состава исходной смеси и требуемых продуктов. Для простой смеси из двух компонентов применяются аналитические методы, такие как метод Маккейба — Тиля или уравнение Фенске. Каждая тарелка или лоток в колонне имеет свою температуру и давление. У основания колонны давление и температура максимальны. При движении вверх по колонне давление и температура на каждой последующей ступени снижаются. Фазовое равновесие для каждого компонента исходной смеси в колонне по-разному реагирует на изменяющиеся условия давления и температуры на каждой ступени. Это означает, что каждый компонент устанавливает различную концентрацию в паровой и жидкой фазах на каждой ступени, что и обеспечивает разделение компонентов. Примеры тарелок показаны на рисунке 5. Более детальное изображение двух тарелок можно увидеть в статье о теоретических тарелках. Ребойлер часто функционирует как дополнительная ступень обогащения. Если бы каждая физическая тарелка или лоток была 100% эффективной, то количество физических тарелок, необходимых для заданного разделения, равнялось бы количеству равновесных ступеней или теоретических тарелок. Однако это встречается крайне редко. Следовательно, дистилляционной колонне требуется больше тарелок, чем число теоретических ступеней фазового равновесия пар-жидкость.

Упаковка

Другой способ улучшить разделение в дистилляционной колонне — использовать насадку вместо тарелок. Она обладает преимуществом меньшего перепада давления в колонне (по сравнению с пластинами или тарелками), что особенно важно при работе под вакуумом. Если в дистилляционной колонне используется насадка вместо тарелок, сначала определяют необходимое количество теоретических ступеней равновесия, а затем и высоту насадки, эквивалентную теоретической ступени равновесия, известную как высота, эквивалентная теоретической тарелке (HETP). Общая требуемая высота насадки равна числу теоретических ступеней, умноженному на HETP. Эта насадка может быть случайной засыпной, такой как кольца Рашига, или структурированной из листового металла. Жидкость стремится смачивать поверхность насадки, а пар проходит через эту смаченную поверхность, где происходит массообмен. В отличие от традиционной тарельчатой дистилляции, где каждая тарелка представляет собой отдельную точку равновесия пар-жидкость, кривая равновесия пар-жидкость в колонне с насадкой является непрерывной. Однако при моделировании колонн с насадкой полезно рассчитывать число теоретических тарелок для оценки эффективности разделения насадки по сравнению с традиционными тарелками. Насадки различной формы имеют разную площадь поверхности и свободное пространство между ними. Оба этих фактора влияют на эффективность насадки. Помимо формы насадки и площади поверхности, на эффективность случайной или структурированной насадки влияет распределение жидкости и пара при их поступлении в насадку. Количество теоретических ступеней, необходимых для заданного разделения, рассчитывается с использованием определенного соотношения пар/жидкость. Если жидкость и пар не распределены равномерно по площади поперечного сечения колонны при поступлении в насадку, соотношение пар/жидкость в насадке будет неправильным, и требуемое разделение не будет достигнуто. Создастся впечатление, что насадка работает неисправно. Высота, эквивалентная теоретической тарелке (HETP), окажется больше ожидаемой. Проблема не в самой насадке, а в неравномерном распределении жидкости, поступающей в насадку. Неравномерное распределение жидкости возникает чаще, чем неравномерное распределение пара. Конструкция распределителей жидкости, используемых для подачи питания и рефлюкса в насадку, критически важна для обеспечения максимальной эффективности насадки. Методы оценки эффективности распределителя жидкости можно найти в справочной литературе.

Another way of improving the separation in a distillation column is to use a packing material instead of trays. These offer the advantage of a lower pressure drop across the column (when compared to plates or trays), beneficial when operating under vacuum. If a distillation tower uses packing instead of trays, the number of necessary theoretical equilibrium stages is first determined and then the packing height equivalent to a theoretical equilibrium stage, known as the height equivalent to a theoretical plate (HETP), is also determined. The total packing height required is the number of theoretical stages multiplied by the HETP. This packing material can either be random dumped packing such as Raschig rings or structured sheet metal. Liquids tend to wet the surface of the packing and the vapors pass across this wetted surface, where mass transfer takes place. Unlike conventional tray distillation in which every tray represents a separate point of vapor–liquid equilibrium, the vapor–liquid equilibrium curve in a packed column is continuous. However, when modeling packed columns it is useful to compute a number of theoretical plates to denote the separation efficiency of the packed column with respect to more traditional trays. Differently shaped packings have different surface areas and void space between packings. Both of these factors affect packing performance. Another factor in addition to the packing shape and surface area that affects the performance of random or structured packing is liquid and vapor distribution entering the packed bed. The number of theoretical stages required to make a given separation is calculated using a specific vapor to liquid ratio. If the liquid and vapor are not evenly distributed across the superficial tower area as it enters the packed bed, the liquid to vapor ratio will not be correct in the packed bed and the required separation will not be achieved. The packing will appear to not be working properly. The height equivalent to a theoretical plate (HETP) will be greater than expected. The problem is not the packing itself but the mal distribution of the fluids entering the packed bed. Liquid mal distribution is more frequently the problem than vapor. The design of the liquid distributors used to introduce the feed and reflux to a packed bed is critical to making the packing perform at maximum efficiency. Methods of evaluating the effectiveness of a liquid distributor can be found in references.

Наземная система

На рисунках 4 и 5 предполагается, что отходящий газ полностью конденсируется в жидкий продукт с использованием водяного или воздушного охлаждения. Однако во многих случаях отходящий газ из верха колонны не может быть полностью сконденсирован, и рефлюкс-барабан должен иметь выход для не конденсирующихся газов. В других случаях отходящий газ может также содержать водяной пар, поскольку либо исходный поток содержит воду, либо в дистилляционную колонну вводится пар (что происходит, например, в колоннах перегонки сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах). В таких случаях, если дистиллят нерастворим в воде, рефлюкс-барабан может содержать конденсированную жидкую фазу дистиллята, конденсированную водную фазу и неконденсируемую газовую фазу, что требует наличия у рефлюкс-барабана также и водоотводного потока.

Многокомпонентная дистилляция

Помимо фракционной перегонки, которая в основном используется для переработки нефти, многокомпонентные смеси обычно разделяют для выделения отдельных компонентов с помощью последовательности дистилляционных колонн, то есть ректификационной установки.

Поезд для дистилляции

Дестилляционная колонная установка определяется последовательностью дистилляционных колонн, расположенных последовательно или параллельно, для очистки многокомпонентных смесей.

Альтернативы для интенсификации процессов

Колонна с разделяющей стенкой является наиболее распространенным устройством интенсификации процесса, связанным с дистилляцией. В частности, доказано, что компоновка в одном колонном корпусе, соответствующая конфигурации Петлюка, термодинамически эквивалентна.

Непрерывная дистилляция сырой нефти

Сырая 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. Фракционирование сырой нефти не дает продуктов с единственной точкой кипения; вместо этого, оно производит фракции с диапазоном температур кипения. Например, при фракционировании сырой нефти получается верхняя фракция, называемая "нафта", которая после дальнейшей обработки через каталитический гидродесульфуризатор для удаления серы и каталитический риформер для преобразования ее углеводородных молекул в более сложные молекулы с более высоким октановым числом становится компонентом бензина. Нафтовый отгон, как называется эта фракция, содержит множество различных углеводородных соединений. Поэтому его начальная температура кипения составляет около 35 °C, а конечная – около 200 °C. Каждый отгон, получаемый в фракционирующих колоннах, имеет свой диапазон температур кипения. На некотором расстоянии ниже верхней части колонны следующий отгон отбирается сбоку колонны, и обычно это отгон реактивного топлива, также известный как керосиновый отгон. Диапазон температур кипения этого отгона составляет от начальной температуры около 150 °C до конечной температуры около 270 °C, и он также содержит множество различных углеводородов. Следующий отгон ниже по колонне – это отгон дизельного топлива с диапазоном температур кипения от 180 °C до 315 °C. Диапазоны температур кипения между любыми отгонами перекрываются, поскольку разделение при дистилляции не является абсолютно четким. Далее следуют отгоны тяжелого мазута и, наконец, остаток, с очень широким диапазоном температур кипения. Все эти отгоны подвергаются дальнейшей переработке в последующих процессах.

Непрерывная дистилляция каннабисовых концентратов

Типичным применением дистилляции каннабисовых концентратов является бутановое гашишное масло (BHO). Короткопутевая дистилляция – популярный метод благодаря короткому времени контакта, что позволяет минимизировать термическое воздействие на концентрат. В других методах дистилляции, таких как циркуляционная, пленочная и колонная дистилляция, концентрат был бы поврежден из-за длительного времени контакта и высоких температур, которые необходимо использовать.