СПОСОБ РЕКТИФИКАЦИИ
METHOD RECTIFICATION

Изобретение относится к способам ректификации смеси жидкостей методами перегонки, используемыми в спиртовой, нефтехимической, химической, микробиологической, лесохимической и пищевой промышленности.
Известен способ [1] неадиабатической ректификации, заключающийся в том, что некоторая часть паров разделяемых компонентов, проходящих через ректификационную колонну, конденсируется на охлаждаемой поверхности ступеней с образованием дополнительного количества флегмы.
Не смотря на очевидную перспективность рассматриваемого способа, разработчикам [1] удалось увеличить эффективность контактной ступени не более чем на 10-15%, что явно недостаточно.
Наиболее близким то технической сущности является способ разделения смеси жидкостей ректификацией [2], включающий противоточное взаимодействие стекающей жидкости с поднимающимся паром, образование пара путем испарения части стекающей в куб колонны жидкости, образование флегмы из пара путем фракционной его конденсации последовательно в нескольких дефлегматорах или секциях одного дефлегматора, конденсации части пара, выходящего сверху колонны с образованием дистиллята, причем фракцию из последнего дефлегматора или из его последней секции (имеющую наибольшую концентрацию легколетучих компонентов) подают на орошение сверху колонны, а из каждого предыдущего направляют на более нижележащую тарелку в колонне.
Однако и это способ ректификации имеет недостаточно высокую эффективность разделения, сложен в конструктивном оформлении, обуславливает большие габариты ректификационной колонны.
Конденсация пара в дефлегматорах (на охлаждающей поверхности которых в большем количестве конденсируются пары высококипящего компонента - так называемая фракционная конденсация) и последующая подача полученного конденсата в виде флегмы на тарелку в стекающую жидкость хотя и увеличивает эффективность разделения, так как повышается концентрация легколетучих компонентов (ЛЛК) в стекающей жидкости при добавлении к ней флегмы из дефлегматоров, однако повышение концентрации ЛЛК в жидкости незначительно (массовый расход конденсата намного меньше массового расхода стекающей жидкости), что не обеспечивает существенного повышения концентрации легколетучего компонента в жидкости, а следовательно, и в поднимающемся паре, что и обуславливает низкую эффективность разделения.
Кроме того, в указанном способе наблюдается большое различие по величине между температурами подаваемой на тарелки флегмы и пара поднимающегося на них, что снижает эффективность разделения.
Большие габариты колонны обусловлены недостаточно высокой эффективностью способа ректификации, что вызывает увеличение количества тарелок, а следовательно, высоты колонны.
Изобретение решает задачу повышения эффективности разделения смеси, снижения габаритов ректификационной колонны за счет:
получения пара из дополнительной флегмы с высокой концентрацией легколетучих компонентов, что позволяет укрепить поднимающуюся смесь паров и тем самым увеличить эффективность процесса ректификации;
интенсивного перемешивания пара на ступенях вызванной поперечным движением части поднимающегося пара к охлаждаемой поверхности относительно движения основного потока поднимающегося пара;
увеличения эффективности разделения поднимающегося пара на ступенях путем обеспечения его частичной фракционной конденсации непосредственно на ступенях (под фракционностью подразумевается получение конденсата из поднимающего пара с более высокой концентрацией труднолетучих компонентов (ТЛК), что обеспечивает повышение легколетучих компонентов в поднимающемся паре непосредственно на ступенях и, следовательно, - увеличение эффективности разделения).
Технический результат заключается:
в организации неоднократного испарения части дополнительной флегмы до ее смешения со стекающей жидкостью теплом поднимающегося пара на ступени;
в достижении укрепления легколетучим компонентом поднимающего пара за счет создания эффекта фракционной конденсации на ступенях колонны (путем получения конденсата из поднимающегося пара на ступени с большим содержанием труднолетучего компонента, чем в дополнительной флегме);
в поддержании температуры охлаждаемой поверхности и температуры конденсируемого пара в заданном соотношении;
в обеспечении определенной величины тепловой нагрузки на охлаждаемой поверхности;
в организации движения части паров поднимающегося пара в поперечном направлении относительно движения основного потока поднимающегося пара.
c
п
c
п
2
5
2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе ректификации, включающем отбор дистиллята, противоточное взаимодействие стекающей жидкости с поднимающимся паром, образование пара за счет испарения стекающей по контактным ступеням в куб колонны флегмы, созданной из пара в дефлегматоре, получение дополнительной флегмы при конденсации части паров разделяемых компонентов по высоте колонны на охлаждаемой поверхности; отношение температуры охлаждаемой поверхности t к температуре конденсирующегося пара t поддерживается равным t/t=0,6-0,99, дополнительную флегму до смешения ее со стекающей жидкостью подвергают частичному испарению теплом поднимающегося пара с получением вторичного пара, причем удельная тепловая нагрузка конденсирующего пара на охлаждаемой поверхности поддерживается равной (10-10) Вт/м; часть паровой смеси поднимающегося и вторичного пара конденсируют, а полученный конденсат вновь подвергают испарению и так неоднократно; обеспечивают движение паров в поперечном направлении относительно перемещения основного потока поднимающегося пара; испарение дополнительной флегмы осуществляют в области пониженного давления на ступени.
c
п
c
п
2
5
2
Поддержание отношения температуры охлаждающей поверхности t к температуре конденсирующегося пара t равным t/t=0,6-0,99, а также частичное испарение дополнительной флегмы теплом поднимающегося пара с получением вторичного пара и поддержание удельной тепловой нагрузки конденсирующего пара на охлаждаемой поверхности, равной (10-10)Вт/м, позволяет существенно повысить эффективность разделения и снизить высоту колонны.
c
п
c
п
Выполнение отношения температуры охлаждающей поверхности t к температуре конденсирующегося пара t равным t/t=0,6-0,99 позволяет обеспечить интенсивное испарение дополнительной флегмы теплом поднимающегося пара, за счет поддержания температуры дополнительной флегмы, достаточной для интенсивного испарения дополнительной флегмы, размещенной как на охлаждаемой поверхности, так и в паровом пространстве ступени в каплях или на контактных устройствах до смешения дополнительной флегмы со стекающей жидкостью. А вследствие того, что концентрация легколетучего компонента в флегме выше, чем в стекающей жидкости на ступени, то и в полученных парах также преобладает большая концентрация легколетучих компонентов, которая несоизмеримо выше, чем в случае реализации способа, принятого за прототип (где осуществляется испарение стекающей жидкости, смешанной с флегмой на ступени), что и приводит к повышению концентрации легколетучего компонента в паровой смеси на ступени и увеличивает в зависимости от физических свойств смеси ее эффективность.
c
п
При выполнении отношения менее t/t<0,6 не обеспечивается необходимое испарение дополнительной флегмы, так как в этом случае тепла парового потока не достаточно для нагрева переохлажденной дополнительной флегмы. Кроме того, при контакте поднимающегося пара с переохлажденной дополнительной флегмой не образуется эффекта фракционной конденсации (а именно отвода из поднимающего пара в конденсат в большем количестве труднолетучих компонентов (ТЛК), что снижает эффективность разделения (такое негативное явление, как переохлаждение флегмы, собственно наблюдается в способах, взятых как за прототип, так и аналог, да и во многих ректификационных колоннах с дефлегматорами).
c
п
При выполнении отношения t/t>0,99 не обеспечивается заданное количество дополнительной флегмы, что также приводит к снижению эффективности (общеизвестно, что уменьшение флегмового числа ведет к увеличению числа теоретических тарелок). Кроме того, не удается создать необходимую величину охлаждаемой поверхности, которая становится велика, из-за небольшой разницы температур, что затрудняет реализацию способа ректификации.
Частичное испарение дополнительной флегмы позволяет получить пары с высокой концентрацией легколетучих компонентов в сравнении с концентрацией поднимающегося пара, полученного из стекающей жидкости на ступени.
Проведение процесса испарения дополнительной флегмы до ее смешения со стекающей жидкостью обеспечивает более высокую концентрацию легколетучего компонента в паре, чем при испарении стекающей жидкости смешанной с дополнительной флегмой.
c
п
Испарение дополнительной флегмы теплом поднимающегося пара приводит к частичной конденсации поднимающегося пара и образованию тем самым эффекта фракционной конденсации, при котором из поднимающегося пара в большем количестве удаляются в конденсат труднолетучие компоненты, что обогащает поднимающийся пар легколетучими компонентами, а следовательно, увеличивает эффективность процесса. Именно указанный диапазон соотношения температур t/t=0,6-0,99 способствует интенсификации эффекта фракционной конденсации.
2
5
2
2
2
5
2
Создание удельной тепловой нагрузки конденсирующего пара на охлаждаемой поверхности, равной 10-10 Вт/м, позволяет обеспечить каждую ступень дополнительной флегмой исходя из требуемого числа теоретических ступеней разделения (количество которых изменяются в широком диапазоне), и позволяет проводить процесс ректификации с высокой эффективностью. При удельной тепловой нагрузке менее 10 Вт/м не обеспечивается достаточного количества флегмы на ступенях, что снижает эффективность разделения. При обеспечении удельной тепловой нагрузки более 10 Вт/м снижается расход поднимающего пара, которого становится уже не достаточно для эффективного ведения процесса ректификации, в этой связи понижается эффективность верхних ступеней и, следовательно, колонны в целом.
Неоднократное осуществление частичной конденсации паровой смеси поднимающегося и вторичного пара с получением тем самым дополнительной более концентрированной флегмы с последующим ее частичным испарением позволяет неоднократно увеличивать концентрацию легколетучего компонента в поднимающемся паре на ступени и, следовательно, увеличивать эффективность разделения, снизить число ступеней, а следовательно, и высоту (габариты) колонны.
Перемещение части поднимающегося пара в поперечном направлении относительно движения основного потока поднимающегося пара на ступени (например, за счет установки охлаждаемой поверхности параллельно движению основного пара на ступени и обеспечения тем самым за счет градиента температуры движения части основного пара к охлаждаемой поверхности в поперечном направлении относительно поднимающегося пара) обеспечивает интенсивное перемешивание и вызывает увеличение эффективности разделения. Общеизвестно, что создание перемешивания пара на ступенях особенно целесообразно в случае, когда основное сопротивление массопереносу сосредоточено в паровой фазе.
Испарение дополнительной флегмы в области пониженного давления на ступени позволяет снизить температуру кипения жидкости и интенсифицировать процесс испарения дополнительной флегмы, что приводит к увеличению в ней концентрации легколетучих компонентов.
На фиг.1 показан общий вид установки, на которой реализован способ.
На фиг.2 показаны фотографии установки, на которой реализован способ.
На фиг.3 показана схема движения потоков на ступени.
На фиг.4 показаны фотографии элементов ступени.
На фиг.5 показан вид ступени с организацией неоднократного получения дополнительной флегмы и ее частичного испарения.
На фиг.6 показано движение паров в поперечном направлении относительно основного потока поднимающегося пара на ступени.
На фиг.7 показана ступень с организацией испарения дополнительной флегмы в области пониженного давления.
Схема установки, на которой осуществлялся способ ректификации, представлена на фиг.1, а ее общий вид показан на фиг.2. Установка состоит из куба 1 снабженного теплообменной рубашкой 2, нагревателей 3, системой технологических патрубков 4 и бобышек под приборы автоматизации 5. А также включает дефлегматор 6, конденсатор 7, корпус с технологическими патрубками 8, состоящий из царг 9, в которых размещены горизонтальные перегородки 10 с отверстиями. Под горизонтальными перегородками 10 установлены охлаждаемые поверхности, выполненные в виде змеевиков 11, снабженные пластинами 12, отбортованными с торцов и горизонтально установленными с зазором под витками змеевиков 11, выполненных из медных трубок, в которых размещены дросселирующие устройства 13, выполненные в виде цилиндрической втулки с калибровочным отверстием для создания заданного расхода хладагента. Концы трубок змеевиков 11 соединены при помощи муфт с системой теплоносителя, состоящей из трубопроводов для подвода холодной воды 14 и отвода нагретой воды 15. В зазоре между горизонтальной перегородкой 10 и змеевиком 11 установлена распределительная шайба 16. Царги 9 стянуты между собой шпильками. В случае установки на контактной ступени двух и более змеевиков 11 (фиг.5) под ними устанавливаются отбортованные пластины 18. В случае организации движения поднимающегося пара параллельно установленным змеевикам 11 (фиг.6) в царгах 9 установлены перегородки 19. При организации испарения дополнительной флегмы в зоне пониженного давления на ступени на горизонтальных перегородках 10 устанавливались тангенциальные завихрители 20. Перетекание жидкости по ступеням осуществлялось при помощи желоба 21 (фиг.7) и переливных устройств 22 и 23.
Установка работает следующим образом.
Тепло от нагревателей 3, установленных в теплообменной рубашке 2, через стенку куба 1 передается в разделяемую жидкость этанол-вода, вследствие чего она вскипает с образованием поднимающегося пара, который перемещается вверх по царгам 9. Флегма, образованная в дефлегматоре 6, стекает вниз по горизонтальным перегородкам 10 и частично испаряется. Поднимающийся пар контактирует с охлаждаемой поверхностью змеевиков 11 с образованием потока дополнительной флегмы, которая стекает в отбортованные с торцов пластины 12 с образованием слоя жидкости на ней. Дополнительная флегма нагревается теплом поднимающегося пара через стенку пластин 12, вследствие чего за счет частичного испарения образуется вторичный пар, расход которого регулируется температурой охлаждаемой поверхности змеевиков 11 путем изменения расхода охлаждающей воды в трубопроводе 14 и дросселирующих устройствах 13. Далее флегма стекает на перегородки 10, а вторичный пар смешивается с поднимающимся паром, что приводит к увеличению в нем концентрации легколетучих компонентов, и поднимается в верх на вышележащие царги (ступени), а конденсат, образованный на внешней стороне отбортованных пластин 12 и повышенным содержанием ТЛК удаляется в стекающую жидкость. Не сконденсировавшиеся в дефлегматоре 6 пары поступают в конденсатор 7, а оттуда в виде дистиллята по технологическому патрубку (на фиг.1 не показано) поступает в рабочую полость куба 1 (либо осуществляется его отбор в качестве дистиллята). Изменение флегмового числа и скорости пара по сечению колонны осуществлялось путем изменения мощности нагревателей и расхода охлаждающей воды.
3
Параметры установки: количество царг до 25 шт., их диаметр 100-200 мм, высота царг  20-100 мм, толщина теплоизоляции царг  20 мм. Мощность нагревателей от 1 до 30 кВт, расход охлаждающей воды 0,03 до 1 м/ч. Использовалась бинарная смесь этанол-вода с концентрацией этанола 0,1-96 об.%.
Пример 1.
Ректификацию смеси этанол-вода осуществляли в колонне, представленной на фиг.1, при этом холодная вода подавалась только в дефлегматор 6 и конденсатор 7 (в змеевики 11 холодна вода не подавалась). В этом случае взаимодействие фаз осуществлялось только между поднимающимся паром и стекающей жидкостью на горизонтальных перегородках 10 и дополнительной флегмой, образованной за счет частичной конденсации поднимающегося пара на стенках корпуса колонны. При скорости пара в колонне от 0,1 до 3 м/с эффективность контактной ступени (одной царги) по Мерфри составила менее 0,1, что явно недостаточно.
Пример 2.
c
п
c
п
Процесс ректификации осуществляли в колонне, показанной на фиг.1 и 2, однако в ходе проведения процесса ректификации холодную воду подавали не только в дефлегматор и конденсатор, но и в змеевики 11. При этом поддерживалось отношение температуры охлаждаемой поверхности t к температуре конденсирующегося пара t равным t/t=0,6-0,99 путем подачи определенного количества воды в дросселирующие устройства 13. Измерение температуры осуществлялось при помощи термопар, установленных в стенке змеевиков 11 (охлаждающей поверхности) и паровом пространстве ступеней. Дополнительная флегма (фиг.3) образовывалась на поверхности змеевиков 11 и затем стекала на поверхность пластин 12, отбортованных с торцов (общий вид пластин 12, змеевика 11 и распределительной шайбы 16 показан на фиг.4), и нагревалась через стенку пластин теплом поднимающегося пара за счет его конденсации с получением вторичного пара. После чего дополнительная флегма переваливалась через отбортовку пластин 12 и поступала в стекающую жидкость. Удельная тепловая нагрузка поддерживалась путем установки змеевиков 11 с различной поверхностью, а также путем изменения мощности нагревателей 3.
c
п
2
5
2
Как установлено экспериментально при поддержании отношения температуры t/t=0,6-0,99 и частичном испарении дополнительной флегмы в виде вторичного пара до смешения ее со стекающей жидкостью теплом поднимающегося пара при удельной тепловой нагрузке конденсирующего пара на охлаждаемой поверхности, равной (10-10) Вт/м, величина эффективности по Мерфри составила 0,9-1,8.
c
п
c
п
При выполнении отношения температуры равным t/t<0,6 и при t/t>0,99 эффективность по Мерфри резко снижалась и составляла не более 0,3.
2
2
5
2
При поддержании удельной тепловой нагрузки конденсирующего пара на охлаждаемой поверхности равной менее 10 Вт/м или более 10 Вт/м эффективность также снижалась и составила 0,2-0,3.
Пример 3.
Часть паровой смеси поднимающегося и вторичного пара конденсировали, а полученный конденсат вновь подвергали испарению на ступени, конструктивное выполнение которой показано на фиг.5. В этом случае в царгах 9 устанавливались дополнительные змеевики 11, а под ними размещались отбортованные пластины 18. Таким образом, смесь поднимающегося и вторичного пара неоднократно конденсировалась на поверхности пластин 12 и 18, а также неоднократно нагревалась и частично подвергалась испарению, что позволило достигнуть в паре, уходящем со ступени, высокую концентрацию ЛЛК и низкую концентрацию труднолетучих компонентов в конденсате.
Согласно экспериментальным данным эффективность ступени увеличилась в 1,1-1,5 по сравнению данными, полученными в примере 2 (по пункту 1 формулы изобретения).
Пример 4.
Часть поднимающегося пара перемещали в поперечном направлении относительно движения основного потока поднимающегося пара на ступени. Для реализации этого процесса ректификации схема контактных ступеней выполнялось согласно фиг 6. За счет перегородок 19, установленных в царгах 9, основной поток поднимающегося пара перемещался вдоль поверхности змеевиков 11, что вызывало отток (поперечное движение) части поднимающегося пара к охлаждаемой поверхности и обеспечивало его интенсивное перемешивание. Эффективность контактной ступени по Мерфри (при концентрации этанола в жидкости более 20 об.%) в этом случае составила в 1,6-1,8 раза выше, по сравнению с данными, полученными при проведении способа ректификации, изложенного в примере 2 и примере 3 (по п.1 и п.2 формулы изобретения).
Пример 5.
Испарение дополнительной флегмы осуществлялось в области пониженного давления на ступени, что было реализовано в колонне по схеме, показанной на фиг.7. В этом случае на горизонтальных перегородках 10 устанавливались тангенциальные завихрители 20, которые обеспечивали вращение поднимающегося пара и область пониженного давления в осевой части змеевиков 11, установленных в царгах 9. Перетекание вращающегося слоя жидкости со ступени на ступень осуществлялось посредством желоба 21 и переливных устройств 22 и 23. Эффективность контактных ступеней увеличилась в 1,5 раза по сравнению со способом, рассмотренным в примере 2 (по п.1 формулы изобретения).
Таким образом, предлагаемый способ ректификации по сравнению с известными, позволяет резко увеличить эффективность ступеней и тем самым уменьшить габариты колонны и повысить ее разделяющую способность, что в конеченом счете снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, уменьшает себестоимость выпускаемого продукта.
Источники информации
[1] В.М.Олевский, В.Р.Ручинский, A.M.Кашников, В.И.Чернышев. Пленочная тепло- и массообменная аппаратура (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). Под ред. В.М.Олевского. - М.: Химия, 1988. 240 с. (параг. 5.7. Массообмен при неадиабатической ректификации и парциальной конденсации, стр.105).
[2] Патент №2174028 Российская Федерация, МПК B01D 3/14, C10G 7/00. Способ разделения смеси жидкостей ректификацией / Лабутин В.А., Лабутина А.В. Заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет. - Заявка №97121782/12 от 16.12.1997. Опубл. 27.09.2001.