Выбор и обоснование параметров регулирования, управляющие воздействий и схем. Описание схем

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменном между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента — из паровой фазы в жидкую.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

Важным параметром при этом является регулирование температуры ректификационных колонн. Способы регулирования температуры ректификационных колонн заключаются в регулировании теплового режима. Регулирование теплового режима – отвод тепла в концентрационной (укрепляющей) зоне, подвод тепла в отгонной (исчерпывающей) секции колонн и нагрев сырья до оптимальной температуры.

Отвод тепла осуществляется путем:

а) использования парциального конденсатора (кожухотрубчатый теплообменный аппарат; применяется в малотоннажных установках, трудность монтажа);

б) организация испаряющегося (холодного) орошения (наиболее распространена в нефтепереработке);

в) организация неиспаряющегося (циркуляционного) орошения, используется широко и не только для регулирования температуры наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. На современных установках перегонки нефти применяются комбинированные схемы орошения.

Подвод тепла в отгонной секции:

г) Нагрев остатка ректификации в кипятильнике с паровым пространством (осуществляется дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны. Особенность этого способа – наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. Этот способ широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации нефти, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.

д) Циркуляция части остатка, нагретого в трубчатой печи. В этом случае часть кубового продукта перекачивается через трубчатую печь и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает вниз колонны. Этот способ используют, если необходимо обеспечить высокую температуру низа колонны, когда применение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно.

Если температура наверху колонны выше нормы, необходимо увеличить подачу флегмы в колонну. При этом, однако, прежнего количества подводимого тепла в кубе будет недостаточно и избыток флегмы не испарится в кубе, а перейдет в остаток. Поэтому одновременно с увеличением подачи флегмы надо увеличить подвод тепла, чтобы температура внизу колонны не стала ниже нормы.

Подачу флегмы регулируют изменением отбора дистиллята: при частичной конденсации путем регулирования количества подаваемой в дефлегматор воды, при полной конденсации при помощи вентиля на линии отбора дистиллята. Подвод тепла в кубе регулируется изменением подачи греющего пара.

Регулирование процесса ректификации производится также путём изменения количества и состава подаваемой смеси. При изменении количества смеси меняется производительность установки и соответственно должно быть отрегулированы подвод тепла в кубе и подача флегмы. Существенное влияние оказывает изменение состава смеси. Для сохранения требуемого состава дистиллята надо уменьшить его отбор.

Отбор остатка регулируется обычно так, чтобы уровень жидкости в кубе был постоянным. Если, вследствие увеличения подачи смеси уровень жидкости в кубе повышается, следует увеличить отбор остатка.

В колоннах непрерывного действия наиболее целесообразно применять автоматическое регулирование, например, по следующей схеме:

1) отбор дистиллята управляется регулятором температуры верхней части колонны;

2) подача пара управляется регулятором температуры нижней части колонны;

3) отбор остатка управляется регулятором уровня жидкости в кубе.

Использование сложных колонн позволяет получить несколько фракций продуктов в одной ректификационной системе. Отпарные колонны предназначены для отделения низкокипящих компонентов из фракций нефтепродуктов, и для их нормальной работы необходимо создать паровое орошение. Нагревание кубового продукта отпарных колонн в печи приводит к ряду проблем. Происходит частичное термическое разложение продуктов и ухудшается качество продукции. Требуется усложнение конструкции основной печи или установка дополнительной печи. При использовании теплообменников-испарителей также требуется печь и высокотемпературный промежуточный теплоноситель, что существенно усложняет систему и увеличивает энергозатраты. Возможно использование в испарителях в качестве теплоносителя горячих потоков, например кубового продукта основной колонны. Однако коэффициент теплопередачи при передаче тепла от органической жидкости к кипящей органической жидкости сравнительно невелик и требуется теплообменник с большой поверхностью теплообмена. Кубовый остаток основной колонны используют для нагрева сырья или других потоков, и экономия тепла в отпарной колонне приводит к увеличению энергозатрат в других частях установки. Тепловой поток в печах или теплообменниках достаточно сложно регулировать. В куб основной колонны подают перегретый водяной пар, который обычно перегревают в основной печи. Использование этого пара в отпарных колоннах не требует дополнительного теплообменного оборудования, расход водяного пара сравнительно просто регулируется, водяной пар конденсируется в конденсаторах основной колонны и вода достаточно просто отделяется от нефтепродуктов, водяной пар взрыво- и пожаробезопасен. Поэтому в большинстве случаев для создания парового орошения в отпарных колоннах используют подачу перегретого водяного пара.

Процесс перегонки нефтепродуктов имеет ряд особенностей. Отметим, что существует большая разность температур между верхом и низом основной колонны, расход паров и жидкости существенно изменяется по высоте колонны от тарелки к тарелке. Снизу вверх по колонне расход пара и жидкости увеличивается. Часть жидкости отбирают в отпарные колонны, а из отпарных колонн в основную колонну поступают дополнительные потоки пара. Меняется соотношение между расходом пара и жидкости, что влияет на эффективность процесса ректификации. Для уменьшения расхода пара и увеличения расхода жидкости используют промежуточное циркуляционное орошение. Для повышения эффективности разделения целесообразно использовать множество циркуляционных орошений, но на практике обычно используют циркуляционные орошения только в местах отбора жидкости в отпарные колонны. Использование водяного пара для создания парового потока в отпарных колоннах имеет ряд недостатков. Повышаются энергозатраты на перегонку и конденсацию, увеличивается нагрузка по пару в колоннах, снижается производительность колонн, образуется большое количество загрязненных сточных вод. В условиях колонны водяной пар не конденсируется и практически не растворяется в нефтепродуктах, то есть он является инертным агентом. Наличие инертного агента существенно влияет на тепломассообмен и снижает качество фракционирования. Количество подаваемого пара в колоннах атмосферной перегонки нефти может достигать 3, 5% на исходное сырье, а объемная доля водяного пара в верху основной колонны часто превышает 50%. В основной колонне конденсация происходит при наличии водяного пара, а жидкость, подаваемая в отпарные колонны, практически не содержит воду. Чтобы достичь температуры кипения и обеспечить достаточно высокую долю отгона, отношение расхода водяного пара к расходу жидкости в отпарной колонне должно быть не ниже, чем в основной колонне. Долю отгона можно увеличить также за счет перегрева водяного пара, но теплоемкость водяного пара невелика, а перегрев водяного пара требует дополнительных затрат. Поэтому для достижения высокой доли отгона и обеспечения требуемого качества фракционирования расход водяного пара должен быть достаточно большим. Существует оптимальный расход водяного пара, превышение которого перестает давать ощутимый результат. То есть доля отгона, достигаемая при подаче водяного пара, ограничена, и это ограничивает возможность повышения качества фракционирования в отпарных колоннах.

Технический результат достигается также тем, что для регулирования производительности испарителя используют изменение расхода конденсата из межтрубного пространства испарителя.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: