Непрерывная дистилляция , форма дистилляции , представляет собой непрерывное разделение, при котором смесь непрерывно (без перерывов) подается в процесс, а разделенные фракции непрерывно удаляются в виде выходных потоков. Дистилляция — разделение или частичное разделение жидкой сырьевой смеси на компоненты или фракции путем селективного кипячения (или испарения ) и конденсации . В результате этого процесса получаются по меньшей мере две фракции продукции. Эти фракции включают, по меньшей мере, одну летучую дистиллятную фракцию, которая кипела и была отдельно улавливана в виде пара, конденсированного в жидкость, и практически всегда кубовую фракцию (или остаток ), которая представляет собой наименее летучий остаток, который не улавливался отдельно в виде сконденсированный пар.
Альтернативой непрерывной перегонке является периодическая перегонка , при которой смесь добавляют в агрегат в начале перегонки, фракции дистиллята последовательно во времени (одну за другой) отбирают в ходе перегонки, а оставшуюся кубовую фракцию удаляют при конец. Поскольку каждая из фракций дистиллята отбирается в разное время, для периодической перегонки необходима только одна точка выхода дистиллята (местоположение), и дистиллят можно просто переключить в другой приемник - контейнер для сбора фракций. Периодическая дистилляция часто используется, когда перегоняются меньшие количества. При непрерывной дистилляции каждый из потоков фракций отбирается одновременно на протяжении всей операции; поэтому для каждой фракции необходима отдельная точка выхода. На практике, когда имеется несколько фракций дистиллята, точки выхода дистиллята расположены на разной высоте в ректификационной колонне . Кубовую фракцию можно отбирать из нижней части ректификационной колонны или установки, но часто ее отбирают из ребойлера, соединенного с нижней частью колонны.
Каждая фракция может содержать один или несколько компонентов (видов химических соединений ). При перегонке сырой нефти или аналогичного сырья каждая фракция содержит множество компонентов с одинаковой летучестью и другими свойствами. Хотя можно провести небольшую или лабораторную непрерывную дистилляцию, чаще всего непрерывная дистилляция используется в крупномасштабном промышленном процессе.
Дистилляция — одна из единичных операций химического машиностроения . [1] [2] Непрерывная дистилляция широко используется в химической промышленности, где необходимо перегонять большие количества жидкостей. [3] [4] [5] К таким отраслям относятся переработка природного газа , нефтехимическое производство, переработка каменноугольной смолы , производство спиртов , разделение сжиженного воздуха , производство углеводородных растворителей , разделение каннабиноидов и подобные отрасли, но самое широкое применение они находят на нефтеперерабатывающих заводах. . На таких нефтеперерабатывающих заводах сырая нефть представляет собой очень сложную многокомпонентную смесь, которую необходимо разделить, и не ожидается выхода чистых химических соединений, а только групп соединений в относительно небольшом диапазоне температур кипения , которые называются фракциями . Эти фракции являются источником термина фракционная перегонка или фракционирование . Часто нет смысла далее разделять компоненты этих фракций исходя из требований к продукту и экономических показателей.
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 непрерывной перегонки тот же, что и обычной перегонки: когда жидкую смесь нагревают до кипения, состав пара над жидкостью отличается от состава жидкости. Если этот пар затем отделить и конденсировать в жидкость, он становится богаче компонентами исходной смеси с более низкой температурой кипения.
Именно это и происходит в ректификационной колонне непрерывного действия. Смесь нагревают и направляют в дистилляционную колонну. При входе в колонну сырье начинает течь вниз, но его часть, компонент(ы) с более низкой температурой кипения, испаряется и поднимается вверх. Однако по мере подъема он охлаждается, и хотя часть его продолжает подниматься вверх в виде пара, часть его (обогащенная менее летучим компонентом) начинает снова опускаться.
На изображении 3 изображена простая фракционная дистилляционная колонна непрерывного действия для разделения потока сырья на две фракции: продукт дистиллята верхнего погона и кубовый продукт. Самые «легкие» продукты (с самой низкой температурой кипения или самой высокой летучестью) выходят из верхней части колонны, а самые «тяжелые» продукты (нижние, с самой высокой температурой кипения) выходят из нижней части колонны. Поток верхнего погона может быть охлажден и конденсирован с использованием конденсатора с водяным или воздушным охлаждением . Нижний ребойлер может представлять собой теплообменник с паровым нагревом или горячим маслом , или даже печь, работающую на газе или жидком топливе .
При непрерывной дистилляции система поддерживается в устойчивом или приблизительно устойчивом состоянии. Устойчивое состояние означает, что величины, связанные с процессом, не изменяются с течением времени во время работы. Такие постоянные величины включают скорость подачи сырья, скорость выходного потока, скорость нагрева и охлаждения, флегмовое число, а также температуру , давление и состав в каждой точке (местоположении). Если процесс не нарушается из-за изменений в питании, нагреве, температуре окружающей среды или конденсации, обычно поддерживается устойчивое состояние. В этом также главная привлекательность непрерывной дистилляции, помимо минимального объема (легко инструментируемого) наблюдения; если скорость подачи и состав корма остаются постоянными, норма и качество продукта также остаются постоянными. Даже когда происходят изменения в условиях, современные методы управления технологическим процессом обычно способны постепенно снова вернуть непрерывный процесс в другое устойчивое состояние.
Поскольку в установку непрерывной перегонки сырьевая смесь подается постоянно, а не заполняется сразу, как в установку периодической перегонки, установка непрерывной перегонки не требует большого перегонного котла, сосуда 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 спроектирована таким образом, чтобы обеспечить оптимальные результаты. См. метод Маккейба-Тиля .
Непрерывная перегонка часто представляет собой фракционную перегонку и может представлять собой вакуумную перегонку или перегонку с паром .
Конструкция и работа ректификационной колонны зависит от сырья и желаемых продуктов. Учитывая простую подачу бинарных компонентов, для облегчения проектирования можно использовать аналитические методы, такие как метод МакКейба-Тиле [5] [6] [7] или уравнение Фенске [5] . При многокомпонентном питании как при проектировании, так и в последующей эксплуатации колонны используются компьютерные имитационные модели. Моделирование также используется для оптимизации уже возведенных колонн для перегонки смесей, отличных от тех, для которых изначально было спроектировано дистилляционное оборудование.
Когда работает ректификационная колонна непрерывного действия, за ней необходимо внимательно следить за изменениями состава сырья, рабочей температуры и состава продукта. Многие из этих задач выполняются с использованием современного компьютерного оборудования управления.
Колонну можно подавать разными способами. Если сырье поступает из источника с давлением, превышающим давление в дистилляционной колонне, оно просто подается в колонну по трубопроводу. В противном случае сырье перекачивается или сжимается в колонну. Сырьем может быть перегретый пар , насыщенный пар , частично испаренная смесь жидкость-пар, насыщенная жидкость (т.е. жидкость при температуре кипения при давлении колонны) или переохлажденная жидкость . Если сырье представляет собой жидкость под давлением, намного более высоким, чем давление в колонне, и протекает через клапан понижения давления непосредственно перед колонной, оно немедленно расширяется и подвергается частичному мгновенному испарению, в результате чего при входе образуется смесь жидкости и пара. дистилляционная колонна.
Хотя устройства небольшого размера, в основном сделанные из стекла, можно использовать 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 колонну обычно снабжают внутри горизонтальными тарелками или тарелками, как показано на рисунке 5, или колонну набивают насадочным материалом. Чтобы обеспечить тепло, необходимое для испарения, участвующего в дистилляции, а также для компенсации теплопотерь, тепло чаще всего добавляется в нижнюю часть колонны с помощью ребойлера , а чистота верхнего продукта может быть улучшена за счет рециркуляции части внешнего продукта. сконденсированный верхний жидкий продукт в виде флегмы. В зависимости от назначения ректификационные колонны могут иметь выпуски жидкости через определенные промежутки по длине колонны, как показано на рисунке 4.
Крупномасштабные промышленные ректификационные колонны используют рециркуляцию для более эффективного разделения продуктов. [3] [5] Под обратным холодильником понимается часть сконденсированного жидкого продукта из дистилляционной колонны, которая возвращается в верхнюю часть колонны, как показано на изображениях 3 и 4. Внутри колонны нисходящая обратная жидкость обеспечивает охлаждение и частичная конденсация восходящих паров, тем самым увеличивая эффективность дистилляционной колонны. Чем больше рециркуляции обеспечивается, тем лучше происходит отделение в колонне низкокипящих компонентов сырья от более высококипящих. Баланс нагрева с помощью ребойлера в нижней части колонны и охлаждения с помощью конденсированной флегмы в верхней части колонны поддерживает температурный градиент (или постепенную разницу температур) по высоте колонны, чтобы обеспечить хорошие условия для фракционирования сырьевой смеси. Рефлюксные потоки в середине башни называются насосами.
Изменение флегмы (в сочетании с изменением подачи и отбора продукта) также можно использовать для улучшения разделительных свойств ректификационной колонны непрерывного действия во время ее работы (в отличие от добавления тарелок или тарелок или изменения насадки, что при минимум, требуют довольно значительных простоев).
В дистилляционных колоннах (например, на изображениях 3 и 4) используются различные методы контактирования пара и жидкости для обеспечения необходимого количества стадий равновесия . Такие устройства обычно известны как «тарелки» или «лотки». [8] Каждая из этих пластин или лотков находится при разной температуре и давлении. Ступень в нижней части башни имеет самое высокое давление и температуру. Продвигаясь вверх по башне, давление и температура уменьшаются для каждой последующей ступени. Парожидкостное равновесие для каждого компонента сырья в колонне по-своему реагирует на различные условия давления и температуры на каждой из ступеней. Это означает, что каждый компонент устанавливает разную концентрацию в паровой и жидкой фазах на каждой из стадий, что приводит к разделению компонентов. Некоторые примеры лотков показаны на изображении 5. Более детальное расширенное изображение двух лотков можно увидеть в статье о теоретических тарелках . Ребойлер часто выступает в роли дополнительной ступени равновесия.
Если бы каждая физическая тарелка или тарелка была эффективна на 100%, то количество физических тарелок, необходимых для данного разделения, равнялось бы количеству равновесных стадий или теоретических тарелок. Однако это случается очень редко. Следовательно, для ректификационной колонны требуется больше тарелок, чем необходимое количество теоретических стадий равновесия пар-жидкость.
Другой способ улучшения разделения в ректификационной колонне — использование насадочного материала вместо тарелок. Их преимущество заключается в более низком перепаде давления в колонне (по сравнению с тарелками или тарелками), что полезно при работе в вакууме. Если в дистилляционной колонне вместо тарелок используется насадка, сначала определяется количество необходимых стадий теоретического равновесия, а затем также определяется высота насадки, эквивалентная ступени теоретического равновесия , известная как высота, эквивалентная теоретической тарелке (HETP). Общая требуемая высота упаковки равна количеству теоретических ступеней, умноженному на HETP.
Этот упаковочный материал может представлять собой либо случайную набивку, такую как кольца Рашига , либо структурированный листовой металл . Жидкости имеют тенденцию смачивать поверхность насадки, и пары проходят через эту смоченную поверхность, где происходит массоперенос . В отличие от традиционной тарельчатой дистилляции, 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 оценить эффективность разделения насадочной колонны по сравнению с более традиционными тарелками. Упаковки разной формы имеют разную площадь поверхности и пустое пространство между упаковками. Оба эти фактора влияют на производительность упаковки.
Другим фактором, помимо формы и площади поверхности насадки, влияющим на эффективность хаотичной или структурированной насадки, является распределение жидкости и пара, попадающих в слой насадки. Количество теоретических стадий , необходимых для данного разделения, рассчитывается с использованием определенного соотношения пара и жидкости. Если жидкость и пар неравномерно распределены по поверхностной площади башни при входе в насадочный слой, соотношение жидкости и пара в насадочном слое будет неправильным и требуемое разделение не будет достигнуто. Кажется, что упаковка работает неправильно. Высота , эквивалентная теоретической пластине (HETP), будет больше ожидаемой. Проблема не в самой насадке, а в неправильном распределении жидкостей, попадающих в насадочный слой. Неправильное распределение жидкости чаще является проблемой, чем пар. Конструкция распределителей жидкости, используемых для подачи сырья и орошения в слой насадки, имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности работы насадки. Методы оценки эффективности распределителя жидкости можно найти в справочниках. [9] [10]
На изображениях 4 и 5 предполагается, что верхний поток полностью конденсируется в жидкий продукт с использованием водяного или воздушного охлаждения. Однако во многих случаях верхний погон колонны не может быть полностью конденсирован, и в барабане для орошения должен быть предусмотрен выходной поток отходящего газа . В других случаях верхний поток может также содержать водяной пар, поскольку либо исходный поток содержит некоторое количество воды, либо некоторое количество пара впрыскивается в дистилляционную колонну (что имеет место в колоннах перегонки сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах ). В тех случаях, если продукт дистиллята нерастворим в воде, барабан для орошения может содержать сконденсированную жидкую фазу дистиллята, фазу сконденсированной воды и неконденсируемую газовую фазу, что делает необходимым, чтобы барабан с обратным холодильником также имел выходной поток воды. .
Помимо фракционной перегонки, которая в основном используется при переработке сырой нефти, обычно перерабатываются многокомпонентные смеси с целью очистки их отдельных компонентов с помощью ряда ректификационных колонн, т.е. перегонной линии.
Ректификационная линия представляет собой последовательность ректификационных колонн, расположенных последовательно или параллельно, целью которых является очистка многокомпонентных смесей.
Установка с колонной с разделительной перегородкой является наиболее распространенной установкой, интенсифицирующей процесс, связанной с дистилляцией. В частности, термодинамически эквивалентным является расположение в одноколонной оболочке конфигурации Петлюка [11] . [12]
Нефтяная сырая нефть содержит сотни различных углеводородных соединений: парафины , нафтены и ароматические соединения , 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 нефтеперерабатывающих заводах. [13]
Фракционатор сырой нефти не производит продукты, имеющие единственную точку кипения; скорее, он производит фракции, имеющие диапазоны кипения. [13] [14] Например, фракционирующая колонна сырой нефти производит верхнюю фракцию, называемую « нафтой », которая становится компонентом бензина после дальнейшей обработки в каталитическом гидрообессеривателе для удаления серы и в установке каталитического риформинга для преобразования молекул углеводородов в более сложные молекулы с более высоким октановым числом.
Нафтовая фракция, как называют эту фракцию, содержит множество различных углеводородных соединений. Следовательно, он имеет начальную температуру кипения около 35 °С и конечную температуру кипения около 200 °С. Каждая фракция, полученная в ректификационных колоннах, имеет различный диапазон кипения. На некотором расстоянии ниже верхнего погона следующая фракция отбирается со стороны колонны, и обычно это фракция реактивного топлива, также известная как фракция керосина . 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. Следующей фракцией ниже по башне является фракция дизельного топлива с температурой кипения от примерно 180°C до примерно 315°C. Диапазоны кипения между любой фракцией и следующей фракцией перекрываются, поскольку разделения при дистилляции не являются абсолютно резкими. За ними следуют фракции тяжелого мазута и, наконец, кубовый продукт с очень широким диапазоном кипения. Все эти фракции подвергаются дальнейшей обработке в последующих процессах нефтепереработки.
Типичным применением дистилляции концентратов каннабиса является бутановое гашишное масло (BHO). Дистилляция по короткому пути является популярным методом из-за короткого времени пребывания , которое позволяет минимизировать термическую нагрузку на концентрат. При других методах дистилляции , таких как циркуляционная, нисходящая пленочная и колонная дистилляция, концентрат может быть поврежден из-за длительного времени пребывания и высоких температур, которые необходимо применять.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )