Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Оборудование для разделения жидкостей дистилляцией.
Equipment to separate liquids by distillation
Фракционная колонна (или ректификационная колонна) – это аппарат, используемый в процессе дистилляции жидких смесей для разделения смеси на компоненты, называемые фракциями, на основе различий в их летучести. Фракционные колонны применяются как в лабораторных установках малого масштаба, так и в промышленных процессах большого масштаба.
A fractionating column or fractional column is equipment used in the distillation of liquid mixtures to separate the mixture into its component parts, or fractions, based on their differences in volatility. Fractionating columns are used in small scale laboratory distillations as well as large scale industrial distillations.
Лабораторные колонны для фракционирования
Лабораторная фракционирующая колонна – это стеклянный аппарат, используемый для разделения испаренных смесей жидких соединений с близкими значениями летучести. Чаще всего применяют либо колонну Вигрё, либо прямую колонну, заполненную стеклянными шариками или металлическими элементами, такими как кольца Рашига. Фракционирующие колонны способствуют разделению смеси, позволяя смешанным парам охлаждаться, конденсироваться и повторно испаряться в соответствии с законом Рауля. С каждым циклом конденсации-испарения пары обогащаются определенным компонентом. Большая площадь поверхности обеспечивает больше циклов, улучшая разделение. Именно этим объясняется конструкция колонны Вигрё или заполненной фракционирующей колонны. Дистилляция с вращающимися пластинами достигает того же результата, используя вращающуюся ленту внутри колонны для обеспечения тесного контакта между поднимающимися парами и опускающимся конденсатом, что ускоряет достижение равновесия. При типичной фракционной перегонке жидкая смесь нагревается в перегонном колбе, и образовавшийся пар поднимается вверх по фракционирующей колонне (см. рисунок 1). Пар конденсируется на стеклянных выступах (известных как теоретические тарелки или теоретические пластины) внутри колонны и возвращается в перегонную колбу, обеспечивая обратный поток поднимающегося дистиллята. Самая горячая тарелка находится внизу колонны, а самая холодная – наверху. В установившемся режиме пар и жидкость на каждой тарелке достигают равновесия. Только наиболее летучие компоненты пара остаются в газообразном состоянии до самого верха, где они затем поступают в конденсатор, который охлаждает пар до тех пор, пока он не сконденсируется в жидкий дистиллят. Разделение можно улучшить, увеличив количество тарелок (в пределах практических ограничений, связанных с теплообменом, скоростью потока и т.д.).
A laboratory fractionating column is a piece of glassware used to separate vaporized mixtures of liquid compounds with close volatility. Most commonly used is either a Vigreux column or a straight column packed with glass beads or metal pieces such as Raschig rings. Fractionating columns help to separate the mixture by allowing the mixed vapors to cool, condense, and vaporize again in accordance with Raoult's law. With each condensation vaporization cycle, the vapors are enriched in a certain component. A larger surface area allows more cycles, improving separation. This is the rationale for a Vigreux column or a packed fractionating column. Spinning band distillation achieves the same outcome by using a rotating band within the column to force the rising vapors and descending condensate into close contact, achieving equilibrium more quickly. In a typical fractional distillation, a liquid mixture is heated in the distilling flask, and the resulting vapor rises up the fractionating column (see Figure 1). The vapor condenses on glass spurs (known as theoretical trays or theoretical plates) inside the column, and returns to the distilling flask, refluxing the rising distillate vapor. The hottest tray is at the bottom of the column and the coolest tray is at the top. At steady state conditions, the vapor and liquid on each tray reach an equilibrium. Only the most volatile of the vapors stays in gas form all the way to the top, where it may then proceed through a condenser, which cools the vapor until it condenses into a liquid distillate. The separation may be enhanced by the addition of more trays (to a practical limitation of heat, flow, etc. ).
Колонны для промышленного фрактирования
Фракционная дистилляция является одной из основных операций химической инженерии. Фракционирующие колонны широко используются в химических отраслях промышленности, где требуется дистиллировать большие объемы жидкостей. К таким отраслям относятся переработка нефти, нефтехимическое производство, переработка природного газа, переработка каменноугольной смолы, пивоварение, разделение сжиженного воздуха и производство углеводородных растворителей. Наиболее широкое применение фракционная дистилляция находит на нефтеперерабатывающих заводах. На этих заводах сырая нефть представляет собой сложную многокомпонентную смесь, которую необходимо разделить. Выход чистых химических соединений обычно не ожидается, однако ожидается выход групп соединений в пределах относительно узкого диапазона температур кипения, также называемых фракциями. Этот процесс и дал название фракционной дистилляции или фракционированию. Дистилляция – один из наиболее распространенных и энергоемких процессов разделения. Эффективность разделения зависит от высоты и диаметра колонны, соотношения высоты к диаметру и материала, из которого изготовлена дистилляционная колонна. На типичном химическом предприятии на этот процесс приходится около 40% от общего потребления энергии. Промышленная дистилляция обычно проводится в больших вертикальных цилиндрических колоннах (как показано на рисунке 2), известных как "дистилляционные колонны" или "дистилляционные башни", диаметром от 65 сантиметров до 6 метров и высотой от 6 метров до 60 метров и более. Промышленные дистилляционные колонны обычно работают в непрерывном стационарном режиме. Если не происходит возмущений из-за изменений в составе исходного сырья, теплоподводе, температуре окружающей среды или конденсации, количество подаваемого сырья обычно равно количеству удаляемого продукта. Количество тепла, поступающего в колонну от ректификатора и вместе с исходным сырьем, должно равняться количеству тепла, удаляемого конденсатором и продуктами. Тепло, поступающее в дистилляционную колонну, является критическим параметром работы; избыток или недостаток тепла может привести к вспениванию, пропотеканию, уносу или захлестыванию колонны. На рисунке 3 изображена промышленная фракционирующая колонна, разделяющая исходный поток на одну фракцию дистиллята и одну остаточную фракцию. Однако многие промышленные фракционирующие колонны имеют отводы на разных уровнях колонны, что позволяет извлекать несколько продуктов с различными диапазонами температур кипения из колонны, дистиллирующей многокомпонентный исходный поток. "Легкие" продукты с самыми низкими температурами кипения выходят из верхней части колонны, а "тяжелые" продукты с самыми высокими температурами кипения – из нижней части. Промышленные фракционирующие колонны используют внешний рефлюкс для достижения лучшего разделения продуктов, либо можно использовать уравнение Фенске. Для многокомпонентного исходного сырья моделирование используется как для проектирования, так и для эксплуатации и строительства. Тарельчатые пластины с пузырьковыми колпачками – один из типов аппаратов, используемых для обеспечения хорошего контакта между восходящим паром и нисходящей жидкостью внутри промышленной фракционирующей колонны. Такие пластины показаны на рисунках 4 и 5. Эффективность пластины обычно ниже, чем у теоретической 100% эффективной стадии равновесия. Следовательно, фракционирующая колонна почти всегда требует большего количества реальных физических пластин, чем необходимое количество теоретических стадий равновесия пар-жидкость. В промышленности иногда вместо пластин в колонне используется насадка, особенно когда требуется низкое перепадение давления, например, при работе под вакуумом. Эта насадка может быть беспорядочной насыпной (широкой), такой как кольца Рашига, или структурированной из листового металла. Жидкость стремится смачивать поверхность насадки, а пар проходит через эту смаченную поверхность, где происходит массообмен. Насадки различной формы имеют разную площадь поверхности и пустотное пространство между ними. Оба этих фактора влияют на эффективность насадки.
Fractional distillation is one of the unit operations of chemical engineering. Fractionating columns are widely used in chemical process industries where large quantities of liquids have to be distilled. Such industries are petroleum processing, petrochemical production, natural gas processing, coal tar processing, brewing, liquefied air separation, and hydrocarbon solvents production. Fractional distillation finds its widest application in petroleum refineries. In such refineries, the crude oil feedstock is a complex, multicomponent mixture that must be separated. Yields of pure chemical compounds are generally not expected, however, yields of groups of compounds within a relatively small range of boiling points, also called fractions, are expected. This process is the origin of the name fractional distillation or fractionation. Distillation is one of the most common and energy intensive separation processes. Effectiveness of separation is dependent upon the height and diameter of the column, the ratio of the column's height to diameter, and the material that comprises the distillation column itself. In a typical chemical plant, it accounts for about 40% of the total energy consumption. Industrial distillation is typically performed in large, vertical cylindrical columns (as shown in Figure 2) known as "distillation towers" or "distillation columns" with diameters ranging from about 65 centimeters to 6 meters and heights ranging from about 6 meters to 60 meters or more. Industrial distillation towers are usually operated at a continuous steady state. Unless disturbed by changes in feed, heat, ambient temperature, or condensing, the amount of feed being added normally equals the amount of product being removed. The amount of heat entering the column from the reboiler and with the feed must equal the amount heat removed by the overhead condenser and with the products. The heat entering a distillation column is a crucial operating parameter, addition of excess or insufficient heat to the column can lead to foaming, weeping, entrainment, or flooding. Figure 3 depicts an industrial fractionating column separating a feed stream into one distillate fraction and one bottoms fraction. However, many industrial fractionating columns have outlets at intervals up the column so that multiple products having different boiling ranges may be withdrawn from a column distilling a multi component feed stream. The "lightest" products with the lowest boiling points exit from the top of the columns and the "heaviest" products with the highest boiling points exit from the bottom. Industrial fractionating columns use external reflux to achieve better separation of products. or the Fenske equation can be used. For a multi component feed, simulation models are used both for design, operation, and construction. Bubble cap "trays" or "plates" are one of the types of physical devices, which are used to provide good contact between the upflowing vapor and the downflowing liquid inside an industrial fractionating column. Such trays are shown in Figures 4 and 5. The efficiency of a tray or plate is typically lower than that of a theoretical 100% efficient equilibrium stage. Hence, a fractionating column almost always needs more actual, physical plates than the required number of theoretical vapor–liquid equilibrium stages. In industrial uses, sometimes a packing material is used in the column instead of trays, especially when low pressure drops across the column are required, as when operating under vacuum. This packing material can either be random dumped packing ( wide) 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. Differently shaped packings have different surface areas and void space between packings. Both of these factors affect packing performance.