Устройство и расчёт ректификационной колонны.

В ректификационных установках используют в основном аппараты двух типов: колонны со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые) и непрерывным контактом (плёночные и насадочные).

По конструкции внутренних устройств (тарелок, насадок) ректификационные колонны аналогичны абсорбционным колоннам. Расчёт также не отличается от расчёта однотипных аппаратов для процесса абсорбции. (см. рис. 6-5)

Расчёты ведут раздельно для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны, а затем определяют рабочую высоту колонны.

Большой интерес представляют многоколонные ректификационные аппараты. Разделение в них можно проводить с минимальным расходом теплоты, используя возможности испарения и конденсации при различных давлениях. В частности, двухколонные аппараты применяют в технике разделения газов. Схема двухколонной установки для разделения воздуха на кислород и азот представлена на рис. 7-5.

 

Рис.7-5.Схема двухколонной установки для разделения воздуха на кислород и азот:

1 – змеевик; 2, 4, 5 – вентили; 3 – конденсатор-испаритель

Охлаждённый сжатый воздух поступает в змеевик 1, конденсируется и отдаёт теплоту жидкости (обогащённому до 40 - 60 кислородом воздуху), кипящей в кубе колонны при . Из змеевика воздух дросселируется (дроссельным вентилем 2) в питающую секцию нижней колонны. Пары НК азота конденсируются в трубах конденсатора 3 за счёт испарения в межтрубном пространстве (в верхней колонне) жидкого кислорода. Азотная флегма из конденсатора 3 частично стекает вниз по нижней колонне, а остальное количество через дроссельный клапан 4 подаётся на орошение верхней колонны. Давление в верхней колонне составляет . Из испарителя 3 верхней колонны получают чистый газообразный или жидкий кислород (до 99.9 ), а сверху отводится чистый (до 98 ) азот.

Всё разнообразие аппаратов сводится к разнообразию контактных устройств: насадок, тарелок. Для ректификационных колонн (и абсорберов) рекомендуется семь типов контактных тарелок: ситчатая; ситчато – клапанная; клапанная; жалюзийно – клапанная; колпачковая; ситчатая многосливная; решётчатая. Расстояния между тарелками выбирают от 200 до 1200 мм, однако большей частью используют расстояние – 200, 300, 400, 500 и 600 мм.

Ситчатые – при устойчивых режимах работы при любых давлениях.

Колпачковые – более универсальны и используются при любом давлении как при устойчивых, так и при неустойчивых режимах работы.

Все типы тарелок (кроме ситчатой многосливной и решетчатой) имеют сегментные переливы, нагрузка на которые не более .

Рис.7-6.Типы интенсивных контактных устройств:

а – тарелки с двумя зонами контакта фаз; б, в - тарелки с подвижной шаровой насадкой

 

На рис. 7-6 приведены типы тарелок, на которых осуществляются режимы взаимодействия газовой (паровой) и жидкой фаз. На тарелках с двумя зонами контакта фаз газ (пар) дополнительно проходит через плёнку жидкости при сливе с тарелки и барботирует через слой жидкости на тарелке.

Слой шаров на тарелке (ситчатой или провальной) помогает образовывать плотную сепарирующую плёнку жидкости между тарелками, в следствии чего скорость газа (пара) в колонне можно повысить в 3-4 раза по сравнению с ситчатыми тарелками.

𝑋𝐼𝐼𝐼 Массообмен в адсорбционных аппаратах.

Общие сведения.

Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой фазы твёрдым поглотителем (адсорбентом). Поглощаемый компонент часто называют адсорбтивом. Процесс применим в промышленности при очистке и сушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов и паров. Например, извлечение летучих растворителей из смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих растворителей); очистки аммиака перед контактным аппаратом; осушки природного газа; выделения ароматических углеводородов из коксового газа; в производстве пластмасс, синтетического каучука; в нефтехимии и для других целей, в частности для улучшения качества сырья и продуктов.

Процесс адсорбции, как правило, тесно связаны с процессами десорбции. Десорбция - удаление адсорбированных веществ из адсорбента для его повторного использования в процессе.

В зависимости от природы сил, действующих на поверхности твёрдого тела, различают физическую адсорбцию, вызываемую силами молекулярного взаимодействия, и хемосорбцию, обуславливаемую силами химического взаимодействия.

Промышленные адсорбенты.

Адсорбционной способностью обладает любое твёрдое вещество, однако промышленное применение нашли только твёрдые адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью, включающей поры (капиллярные каналы) различного размера. В зависимости от размеров поры в адсорбентах условно разделяют на три типа: микропоры, переходные поры и макропоры.

Микропоры имеют размеры, соизмеримые с размером молекул поглощаемого компонента. Эффективные радиусы микропор, определённые рентгеновским методом, находятся в интервале от до м (верхней границей размера микропор принимают м).

Переходные поры имеют эффективные радиусы, намного превышающие размеры адсорбируемых молекул. Они колеблются в пределах от до м.

Макропоры – самые крупные поры адсорбентов. Их эффективные радиусы больше м. Они являются транспортными каналами в зёрнах адсорбента. Характер процесса адсорбции определяется размером пор.

Некоторые марки макропористых адсорбентов применяют в хроматографии. К переходно-пористым адсорбентам относят большинство марок силикагелей, алюмогелей и алюмосиликатных катализаторов, а также многие виды природных глин, используемых, в частности, для очистки масел. К числу микропористых адсорбентов относят цеолиты и некоторые типы активных углей.

Большинство промышленных адсорбентов (активные угли, силикагели) широко применяют для очистки газов и рекуперации растворителей, которые относятся к смешанным структурным типам адсорбентов, имеющим поры различного размера. Силикагели обладают ценным свойством – они не горючи.

Адсорбенты характеризуются поглотительной, или адсорбционной способностью (активностью), а также селективностью. Селективность – это избираемость поглощения компонентов разделяемой смеси – в значительной мере определяется фазовым равновесием процесса абсорбции.