Непрерывная перегонка - Continuous distillation

Изображение 1: Типичные промышленные дистилляционные башни
Изображение 2: Колонна вакуумной перегонки сырой нефти, используемая в нефтеперерабатывающие заводы

Непрерывная перегонка, форма дистилляция, представляет собой непрерывное разделение, при котором смесь непрерывно (без перерыва) 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 селективным кипячение (или испарение ) и конденсация. Процесс производит не менее двух выходных фракций. Эти фракции включают по крайней мере одну летучий фракция дистиллята, которая закипела и была отдельно захвачена в виде пара, конденсированного в жидкость, и практически всегда днища (или остаток) фракция, которая представляет собой наименее летучий остаток, который не улавливался отдельно в виде конденсированного пара.

Альтернативой непрерывной дистилляции является периодическая перегонка, где смесь добавляется в установку в начале дистилляции, фракции дистиллята отбираются последовательно во времени (одна за другой) во время дистилляции, а оставшаяся фракция кубового остатка удаляется в конце. Поскольку каждая из фракций дистиллята выводится в разное время, для периодической дистилляции 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 меньшего количества. При непрерывной перегонке каждый из потоков фракций отбирается одновременно на протяжении всей операции; следовательно, для каждой фракции требуется отдельная точка выхода. На практике, когда имеется несколько фракций дистиллята, точки выхода дистиллята расположены на разной высоте на колонна фракционирования. Донную фракцию можно отбирать из нижней части ректификационной колонны или установки, но часто ее отбирают из ребойлер подключен к нижней части колонны.

Каждая фракция может содержать один или несколько компонентов (типы химические соединения ). При перегонке сырая нефть или аналогичное сырье, 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

Дистилляция - одна из единичные операции из химическая инженерия.[1][2] Непрерывная перегонка широко используется в химической промышленности, где необходимо перегонять большие количества жидкостей.[3][4][5] Такие отрасли являются переработка природного газа, нефтехимический производство каменноугольная смола обработка производство спиртных напитков, сжиженный воздух разделение углеводород растворители производство каннабиноид разделение и аналогичные отрасли, но находит свое самое широкое применение в нефтеперерабатывающие заводы. На таких НПЗ сырая нефть сырье представляет собой очень сложную многокомпонентную смесь, которую необходимо разделять, и выход чистых химических соединений не ожидается, только группы соединений в относительно небольшом диапазоне точки кипения, которые называются фракции. Эти фракции являются источником термина фракционная перегонка или фракционирование. Часто нет смысла в дальнейшем разделять компоненты в этих фракциях на основании 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

Основная статья: Дистилляция
Изображение 3: Схема химической инженерии колонны непрерывной бинарной фракционной дистилляции. 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 отделить и конденсированный в жидкость, она становится богаче компонентами с более низкой точкой кипения исходной смеси.

Вот что происходит в колонне непрерывной дистилляции. Смесь нагревают и направляют в дистилляционную колонну. При входе в колонну сырье начинает стекать вниз, но часть его, 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 летучий компонент) 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 (те, которые имеют самую низкую точку кипения или самую высокую летучесть) выходят из верхней части колонны, а «самые тяжелые» продукты (нижней части, продукты с самой высокой точкой кипения) выходят из нижней части колонны. Поток верхнего погона может охлаждаться и конденсироваться с использованием водяного или воздушного охлаждения. конденсатор. В ребойлер днища может нагреваться паром или горячим маслом теплообменник, или даже газовые или мазутные печь.

При непрерывной дистилляции система находится в устойчивое состояние или приблизительное установившееся состояние. 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, рефлюкс соотношение, и температуры, давления и составы в каждой точке (месте). 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, расход продукта и качественный также постоянны. Даже когда происходит изменение условий, современные контроль процесса методы обычно способны постепенно снова вернуть непрерывный процесс в другое устойчивое состояние.

Поскольку в установку непрерывной дистилляции постоянно подается исходная смесь и не заполняется сразу, как в периодической дистилляции, установка непрерывной дистилляции не требует большого дистилляционного котла, емкости или резервуара 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 разработана таким образом, чтобы обеспечить оптимальные результаты. Увидеть Метод МакКейба – Тиле.

Непрерывная перегонка часто фракционная перегонка и может быть вакуумная перегонка или паровая дистилляция.

Конструкция и работа

Конструкция и работа ректификационной колонны зависят от сырья и желаемых продуктов. Учитывая простой бинарный компонентный поток, аналитические методы, такие как Метод Маккейба – Тиле[5][6][7] или Уравнение Фенске[5] может использоваться для помощи в дизайне. Для многокомпонентного корма компьютеризированный симуляция модели используются как для проектирования, так и в дальнейшем в эксплуатации колонны. Моделирование также используется для оптимизации уже смонтированных колонн для дистилляции смесей, отличных от тех, для которых дистилляционное оборудование было изначально спроектировано.

Когда работает колонна непрерывной дистилляции, необходимо внимательно следить за изменениями в составе сырья, Рабочая Температура и состав продукта. Многие из этих задач выполняются с использованием современного оборудования компьютерного управления.

Подача столбца

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. Корм может быть перегретый пар, а насыщенный пар, частично испаренная парожидкостная смесь, a насыщенная жидкость (т.е. жидкость при ее температуре кипения при давлении в колонне), или переохлажденная жидкость. 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 сжатию. мгновенное испарение приводя к смеси жидкости и пара, когда она поступает в дистилляционную колонну.

Улучшение разделения

Изображение 4: Упрощенная химическая инженерная схема колонны непрерывной фракционной дистилляции, разделяющая один поток исходной смеси на четыре дистиллятных 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 башни обычно предусмотрены горизонтальные тарелки или подносы как показано на рисунке 5, или столбец упакованный с упаковочным 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 ребойлер, и чистота лучший продукт могут быть улучшены путем рециркуляции некоторой части конденсированной извне жидкого верхнего продукта в виде рефлюкс. В зависимости от их назначения дистилляционные колонны могут иметь выпускные отверстия для жидкости с интервалами по длине колонны, как показано на рисунке 4.

Рефлюкс

Крупномасштабные промышленные колонны фракционирования используют рефлюкс 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 башни, 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 образуется флегма, тем лучше башня отделяет 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

Изображение 5: Поперечное сечение бинарной фракционной перегонной колонны с тарелками с пузырьковыми крышками. (Увидеть теоретическая тарелка для увеличенного изображения в лотке.)

В дистилляционных башнях (например, на изображениях 3 и 4) используются различные методы контактирования пара и жидкости, чтобы обеспечить необходимое количество стадии равновесия. Такие устройства обычно называют «тарелками» или «лотками».[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 на каждой последующей ступени. В парожидкостное равновесие 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 показаны на рисунке 5. Более подробное увеличенное изображение двух лотков можно увидеть на теоретическая тарелка статья. Ребойлер часто выступает в качестве дополнительной ступени уравновешивания.

Если бы каждая физическая тарелка или тарелка была на 100% эффективна, 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 равновесия пара и жидкости.

Упаковка

Другой способ улучшить разделение в ректификационной колонне - использовать упаковочный материал вместо подносов. Это дает преимущество более низкого падения давления в колонне (по сравнению с тарелки или подносы ), что полезно при работе в вакууме. Если в ректификационной башне используется насадка вместо тарелок, сначала определяется количество необходимых теоретических ступеней равновесия, а затем высота насадки, эквивалентная стадия теоретического равновесия, известный как высота эквивалентна теоретической тарелке (HETP), также определяется. Требуемая общая высота насадки - это количество теоретических ступеней, умноженное на HETP.

Этот упаковочный материал может быть случайно сброшенным, например Кольца Рашига или структурированный листовой металл. Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность набивки, и пары проходят по этой смоченной поверхности, где массообмен происходит. 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.

Еще один фактор, помимо формы и площади поверхности упаковки, который влияет на характеристики случайного или структурированная упаковка распределение жидкости и пара, поступающих в насадочный слой. Номер теоретические этапы необходимое 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 необходимое разделение не будет достигнуто. Кажется, что упаковка работает неправильно. В высота эквивалентна 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 подвесных систем

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 поток градирни не так легко сконденсировать полностью, и рефлюкс барабан должен иметь вентиляционное отверстие газ выходной поток. В других случаях поток верхнего погона может также содержать водяной пар, потому что либо поток исходных материалов содержит некоторое количество воды, либо некоторое количество пара вводится в дистилляционную колонну (что имеет место в колоннах перегонки сырой нефти в нефтеперерабатывающие заводы ). 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

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

Поезд дистилляции

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

Альтернативы интенсификации процесса

В Колонна разделительной стены установка является наиболее распространенной установкой интенсификации процесса, связанной с дистилляцией. В частности, это расположение в одноколонной оболочке конфигурации Петлюка.[11] что было доказано, чтобы быть термодинамически эквивалентным.[12]

Примеры

Непрерывная перегонка сырой нефти

Нефть сырая нефть содержит сотни различных углеводород соединения: парафины, нафтены и ароматика а также органические соединения серы, органические соединения азота и немного кислород -содержащие углеводороды, такие как фенолы. Хотя сырая нефть обычно не содержит олефины, они образуются во многих процессах, используемых на нефтеперерабатывающем заводе.[13]

В фракционатор сырой нефти не производит продуктов с единственной температурой кипения; скорее, он производит фракции, имеющие интервалы кипения.[13][14] Например, фракционер сырой нефти производит фракцию верхнего погона, называемую "нафта "который становится компонентом бензина после его дальнейшей обработки с помощью каталитической гидрообессеривание удалять сера и установка каталитического риформинга к реформа его углеводород молекулы на более сложные молекулы с более высокой октановое число ценность.

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 колоннах фракционирования, имеет различный диапазон кипения. На некотором расстоянии ниже верхней части колонны следующая выемка отводится сбоку от колонны, и обычно это выемка реактивного топлива, также известная как керосин резать. 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 - это 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

Типичное применение для дистилляции концентраты каннабиса является бутановое гашишное масло (BHO). Дистилляция по короткому пути - популярный метод из-за короткого Время пребывания что позволяет минимизировать тепловая нагрузка к концентрату. В другом дистилляция такие методы, как циркуляция, падающая пленка и дистилляция в колонне, концентрат будет поврежден из-за длительного времени пребывания и высоких температур, которые необходимо применять.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Редакторы: Жаклин И. Крошвиц и Арза Зайдель (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 на сайт)
  2. ^ МакКейб У., Смит Дж. И Харриотт П. (2004). Отделение операций химического машиностроения (7-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN  0-07-284823-5.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  3. ^ а б Кистер, Генри З. (1992). Дизайн дистилляции (1-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-034909-6.
  4. ^ Кинг, Си-Джей (1980). Процессы разделения (2-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN  0-07-034612-7.
  5. ^ а б c d Перри, Роберт Х .; Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-049479-7.
  6. ^ Бейчок, Милтон (май 1951 г.). "Алгебраическое решение диаграммы МакКейба-Тиля". Прогресс химического машиностроения.
  7. ^ Seader, J.D .; Хенли, Эрнест Дж. (1998). Принципы процесса разделения. Нью-Йорк: Вили. ISBN  0-471-58626-9.
  8. ^ Фотографии пузырьковых крышек и других типов лотков (Сайт Raschig Gmbh)
  9. ^ Случайная упаковка, распределение пара и жидкости: распределение жидкости и газа в коммерческих насадочных башнях, Мур, Ф., Руковена, Ф., Chemical Plants & Processing, Edition Europe, август 1987 г., стр. 11-15
  10. ^ Структурированная упаковка, распределение жидкости: новый метод оценки качества распределителя жидкости, Шпигель, Л., Химическая инженерия и обработка 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 перекачиваемыми потоками только для жидкости: путь к новым колоннам с перегородками». Журнал Айше. 60 (8): 2949–2961. Дои:10.1002 / aic.14468.
  13. ^ а б Gary, J.H .; Хандверк, Г. (1984). Технология и экономика нефтепереработки (2-е изд.). Марсель Деккер, Inc. ISBN  0-8247-7150-8.
  14. ^ Нельсон, W.L. (1958). Нефтеперерабатывающий завод (4-е изд.). Макгроу Хилл. LCCN  57010913.

внешние ссылки