Ректификационная колонна для разделения трехкомпонентной смеси

 

Изобретение относится к области разделения жидких смесей, в частности, к конструкциям ректификационных колонн, и может быть использовано в нефтехимической, химической и пищевой промышленностях, а также различных областях деятельности человека для разделения многокомпонентных жидких смесей. Ректификационная колонна содержит вертикальный корпус с тарелками и продольную вертикальную перегородку, пересекающую часть тарелок и разделяющую корпус колонны на вертикальные секторы. Колонна содержит регулятор потоков флегмы и регулятор потоков паровой фазы. Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции, состоит в уменьшении себестоимости чистых компонентов смеси за счет исключения операции доочистки получаемых продуктов. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области разделения жидких смесей, в частности, к конструкциям ректификационных колонн, и может быть использовано в нефтехимической, химической и пищевой промышленностях, а также различных областях деятельности человека для разделения многокомпонентных жидких смесей.

Известно большое количество конструкций ректификационных колонн, большей частью различающихся контактными элементами, в частности, массообменными тарелками. Преимущественно используют насадочные или тарельчатые колонны. Насадочные колонны используют, как правило, небольших диаметров, в частности, с кольцевой насадкой (например, размером насадки 25×25×3 мм, диаметром колонны до 1 м). Тарельчатые барботажные колонны диаметром до 4-6 м наиболее распространены в промышленности и их используют как с колпачковыми, так и с ситчатыми, провальными и другими тарелками.

На эффективность традиционного производства, связанного с ректификационным разделением многокомпонентных смесей, содержащих к компонентов, существенно влияет как стоимость ректификационной установки, состоящей из к-1 колонн, так и теплоэнергозатраты в процессе ректификации. В этой связи, решение технической задачи по снижению числа колонн и теплозатрат представляет важную проблему для химической, нефтехимической, пищевой промышленностей.

Известны попытки решить задачу разделения многокомпонентных смесей с использованием одной ректификационной колонны.

Известна, в частности, конструкция ректификационной колонны (SU, авторское свидетельство 255188, 1977), содержащая корпус со штуцерами, внутри которого размещены массообменные тарелки, а также коаксиально установленные корпуса, каждый из которых отличается от другого по числу расположенных в нем тарелок, кроме того, колонна содержит различные элементы - распределители потоков.

Известна также конструкция ректификационной колонны (SU, авторское свидетельство 292339, 1977), содержащая корпус со штуцерами, внутри которого расположены массообменные тарелки, а также вертикальные продольные перегородки, разделяющие колонну на сектора. Данная конструкция принята за ближайший аналог.

Недостатком обоих известных ректификационных колонн следует признать отсутствие системы распределения потоков внутри колонны, что не позволяет получить чистые продукты на выходе из ректификационной колонны.

Техническая задача решается посредством предлагаемой конструкции ректификационной колонны, позволяющей количественно разделять трехкомпонентные смеси.

Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции, состоит в уменьшении себестоимости чистых компонентов смеси за счет исключения операции доочистки получаемых продуктов.

Для получения указанного технического результата предложено использовать ректификационную колонну для разделения трехкомпонентных смесей, содержащую вертикальный корпус с тарелками, нагреватель, дефлегматор, холодильник, штуцер подачи исходной смеси, размещенный в средней части колонны, и штуцеры вывода полученных компонентов смеси, а также средства перераспределения внутренних потоков фазы и продольную вертикальную перегородку, пересекающую часть тарелок и разделяющую корпус колонны на вертикальные секторы, причем над вертикальной перегородкой установлен регулятор потоков флегмы, выполненный в виде клапанной тарелки с двумя гидрозатворами, которые соединены посредством вентилей с контактными элементами, расположенными в каждом вертикальном секторе, а под перегородкой установлен регулятор потоков паровой фазы, выполненный в виде задвижки с отверстиями, закрепленной с возможностью горизонтального перемещения под клапанной тарелкой. Предпочтительно вертикальная перегородка ограничена сверху и снизу регуляторами потоков фаз, выполненными в виде колпачковых тарелок, на верхней из которых установлены указанные гидрозатворы. В преимущественном варианте реализации гидрозатворы посредством указанных вентилей соединены с оросителями, сливные патрубки которых расположены в каждом секторе колонны над следующей по ходу жидкой фазы тарелкой. Обычно высота вертикальной перегородки составляет от 25 до 75% от высоты колонны. Преимущественно между указанными колпачковыми тарелками, а также выше и ниже них, установлены контактные массообменные элементы, выполненные в виде провальных тарелок, ситчатых тарелок, клапанных тарелок и насадочных элементов.

Предлагаемое техническое решение позволяет сократить число колонн при разделении многокомпонентных смесей, в частности, для разделения трехкомпонентной смеси использовать не две колонны, а одну. При этом, конструктивное решение предлагаемой колонны дает возможность регулирования потоков газовой и жидкой фаз и их соотношения в средней части колонны, разделенной вертикальной перегородкой на два сектора, без изменения условий работы и разделения смеси в верхней части колонны с дефлегматором и нижней части колонны с нагревателем.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемой колонны; на фиг.2 - ее горизонтальное сечение, при этом использованы следующие обозначения: верхняя часть колонны (с дефлегматором) 1, распределительная колпачковая тарелка 2, гидрозатвор 3, оросители секций колонны с регулируемой подачей 4, 5, секционирующая перегородка 6, распределительные колпачковые тарелки 7, 8, средняя часть ректификационной колонны с устройствами для подачи смеси в одну секцию и отбора одного из компонентов из другой секции 9, распределительная колпачковая тарелка 10, задвижка с отверстиями 11, крепления задвижки 12, регуляторы положения задвижки 13, распределительная колпачковая тарелка 14 и нижняя часть колонны (с нагревателем) 15.

В общем случае колонна состоит из верхней части 1 с тарелками, например, провальными (на фиг.1 не показаны), распределительной колпачковой тарелки 2 с гидрозатвором 3, расположенной в верхней части колонны, куда входит верхний край вертикальной перегородки 6. Под распределительной колпачковой тарелкой 2 установлены обычные тарелки, например, провальные (на фиг.1 не показаны). Под ними расположены оросители 4, 5 секций колонны с регулирующими расход жидкости устройствами и возможностью подачи флегмы в каждую из двух вертикальных секций колонны. Ниже расположены распределительные колпачковые тарелки 7, 8. Под ними в средней секционированной части также установлены тарелки, например, провальные либо насадка, а также устройства ввода исходной смеси и вывода одного из компонентов (среднекипящего). Ниже расположена распределительная колпачковая тарелка 10, а под ней задвижка с отверстиями 11, укрепленная с использованием креплений задвижки 12, и регуляторов положения задвижки, обеспечивающих возможность ее передвижения и фиксации в горизонтальном сечении колонны (фиг.2). Под задвижкой установлена распределительная колпачковая тарелка 14, ниже которой в кубовой части колонны установлены обычные тарелки, например, провальные, или насадка (на фиг.1 не показаны). Внизу колонны расположено устройство вывода высококипящего (тяжелого) компонента из кубовой части колонны 15. На фиг.1, 2 не показаны необходимые для работы ректификационной колонны типовые теплообменные устройства - дефлегматор, кипятильник, холодильник с нагревателем колонны.

Высота вертикальной перегородки 6, а также ее расположение относительно оси колонны и число тарелок в каждой части определяют на основе известных методов и алгоритмов расчета применительно к конкретной смеси и требуемой степени разделения компонентов. Предпочтительная высота вертикальной перегородки составляет от 25 до 75% от высоты колонны и расположена она преимущественно по оси колонны.

В зависимости от состава исходной смеси и требуемого (или получаемого по данным анализа) качества разделения и чистоты выводимых компонентов производят распределение и регулирование расходов потоков (фиг.1) x₁ и х₂ по жидкой фазе, а также у₁ и у₂ по газовой фазе. Конструктивно это реализовано представленным на фиг.1, 2 техническим решением. Жидкостной поток распределяют на две части по секторам посредством оросителей 4, 5 и вентилей, регулирующих расход жидкости.

Паровой поток разделяют и распределяют по двум секторам, разделенным вертикальной перегородкой с использованием установленной в нижней части этой перегородки задвижки 11 с отверстиями, причем указанная задвижка установлена с возможностью ее перемещения по креплениям 12 и точным регулированием ее положение регулятором 13.

Предложенная ректификационная колонна для разделения трехкомпонентной смеси работает следующим образом.

Непрерывное разделение трехкомпонентной смеси осуществляют в одной ректификационной колонне, конструкция которой охарактеризована ранее. При этом, структура организации и распределения потоков реализована внутренними элементами колонны.

Работа ректификационной колонны будет рассмотрена на примере разделения трехкомпонентной смеси “АВС”, содержащей компоненты: А - низкокипящий, В - среднекипящий, С - высококипящий.

Согласно фиг.1 смесь АВС поступает на одну из среднерасположенных 9 тарелок ректификационной колонны (конкретную точку ввода определяют детальным потарельчатым расчетом с определением числа тарелок, используя известные методы расчета процесса ректификации). Установленная в центральной части колонны вертикальная перегородка 6 делит ее на два сектора. Смесь поступает в сектор, совмещенный с устройством ввода исходной смеси, и низкокипящие компоненты поднимаются вверх в укрепляющую (эпюрационную) верхнюю часть колонны 1, охлаждаются в дефлегматоре и частично в виде флегмы поступают на орошение, а частично в виде дистиллята выводятся (компонент А) из колонны.

Часть флегмы поступает с распределительной колпачковой тарелки 2 через гидрозатвор 3 в оросители 4, 5 и с использованием регулирующих вентилей направляется двумя жидкостными потоками x₁, х₂ в секторы, разделенные вертикальной перегородкой 6. Их распределение определяется конкретным составом исходной смеси и может регулироваться в зависимости от требуемого разделения или по результатам анализа выходных потоков, путем перераспределения потоков x₁, х₂, орошающих колпачковые тарелки 7, 8.

Паровая фаза У, поднимающаяся с нижней отгонной части 15 колонны, проходит через обычные тарелки вверх и далее распределяется на колпачковых тарелках 14, 10 на два потока ₁, У₂. Посредством задвижки с отверстиями 11, перемещаемой в горизонтальном сечении по регуляторам 13, и регулятора положения 13 выставляют расчетный поток паровой фазы (нагрузку по пару) в каждом секторе. Нагрузка по пару можно также подбирать на основе анализа содержания компонентов в выходных потоках. В секторе, не соприкасающемся с устройством ввода исходной смеси, содержащем потоки (x₁, У₁), происходит ректификационное разделение и выделение среднекипящего компонента В. Высококипящий компонент С, как тяжелая фракция исходной смеси, уходит в кубовый остаток и выводится из нижней части 15 колонны.

Особенностью реализации предлагаемого технического решения является то, что при подаче исходной смеси с температурой кипения на тарелку питания колонны, суммарная нагрузка по пару в любом сечении колонны по ее высоте будет практически одинакова. Это обуславливает равное сечение или диаметр колонны по ее высоте.

В дальнейшем применение ректификационной колонны будет иллюстрировано примером реализации.

Рассмотрим разделение трехкомпонентной смеси: этиловый спирт - вода - примеси, причем ввиду малого содержания примеси взаимное влияние входящих в нее веществ не учитывается. Исходная смесь при температуре кипения подается на питающую тарелку в сектор, соприкасающийся с устройством ввода исходной смеси, средней части - 9 ректификационной колонны (фиг.1). Низкокипящие компоненты смеси - легкая фракция (уксусноэтиловый эфир, метиловый спирт и часть этилового спирта) - в виде паров поднимаются к эпюрационной, верхней, 1 части колонны, где происходит отделение более летучих веществ, чем этиловый спирт (метиловый спирт, уксусноэтиловый эфир), которые после конденсации в дефлегматоре (на фиг.1 не показан), а затем в дополнительном теплообменнике выводят из колонны в качестве головной фракции (компонент А).

Конденсат, содержащий этиловый спирт, в виде флегмы поступает на орошение колонны, последовательно орошая тарелки эпюрационной ее части, а затем распределяется на два потока в сечении колонны, где находится верхняя часть вертикальной перегородки.

Паровая фаза У, поднимаясь из кубовой части колонны 15, контактирует с жидкостью на нижних тарелках и обогащается этиловым спиртом. В сечении колонны, где расположена нижняя часть вертикальной перегородки, паровая фаза делится на два потока У₁ и У₂, которые противотоком взаимодействуют с поступающими с верхних тарелок потоками флегмы X₁, X₂. Часть потока флегмы X₂ орошает тарелки в секторе, соприкасающемся с устройством ввода исходной смеси, - бражной части колонны, а часть X₁ поступает на орошение во второй сектор - ректификационная часть колонны, где происходит доведение этилового спирта (компонент В) до требуемой степени очистки и вывод его из колонны. Высококипящую (тяжелую) фракцию (вода, уксусный альдегид) в виде кубового остатка, практически не содержащего этилового спирта, выводят (компонент С) из колонны.

В зависимости от содержания примесей и требуемой степени очистки этилового спирта возможно перераспределение потоков флегмы и паровой фазы между секторами, разделенными вертикальной перегородкой (ректификационной и бражной частями) колонны. Так, например, для повышения чистоты получаемого этилового спирта доля флегмы, поступающей на орошение в ректификационную зону 1 колонны, может быть увеличена.

Конкретный расчет высоты вертикальной перегородки, числа тарелок в каждой части колонны и соотношения потоков осуществляют по известным методикам тарельчатого расчета и алгоритмам оптимального расчета процесса ректификации.

Приведенный пример не ограничивает вариантов использования предлагаемой конструкции ректификационной колонны.

Таким образом, преимуществами предлагаемого технического решения по сравнению с базовым вариантом разделения с использованием двух ректификационных колонн являются:

1. Возможность разделения трехкомпонентной смеси в одной колонне с одним кипятильником и одним дефлегматором, что значительно (в 1,7-2 раза) снижает капитальные затраты по сравнению с традиционной установкой из двух колонн и сокращает требуемую для расположения колонн производственную площадку.

2. Снижение энергетических затрат на процесс ректификации за счет сокращения вводимых тепловых потоков не менее чем на 25-30% при тех же показателях разделения смеси.

3. Возможность регулирования качества разделения смеси путем перераспределения потоков паровой фазы и флегмы между секторами, разделенными вертикальной перегородкой, и оптимизации таким образом процесса ректификации с учетом анализа выходящих потоков.

4. Реальная возможность построения схем ректификации многокомпонентных смесей на основе предложенной конструкции ректификационной колонны.

Все вышеизложенные преимущества приводят к уменьшению себестоимости готовых продуктов ректификационного разделения.

Формула изобретения

1. Ректификационная колонна для разделения трехкомпонентных смесей, содержащая вертикальный корпус с тарелками, нагреватель, дефлегматор, холодильник, штуцер подачи исходной смеси, размещенный в средней части колонны, и штуцеры вывода полученных компонентов смеси, а также средства перераспределения внутренних потоков фазы и продольную вертикальную перегородку, пересекающую часть тарелок и разделяющую корпус колонны на вертикальные секторы, отличающаяся тем, что над вертикальной перегородкой установлен регулятор потоков флегмы, выполненный в виде колпачковой тарелки с двумя гидрозатворами, которые соединены посредством вентилей с контактными элементами, расположенными в каждом вертикальном секторе, а под перегородкой установлен регулятор потоков паровой фазы, выполненный в виде задвижки с отверстиями, закрепленной с возможностью горизонтального перемещения под колпачковой тарелкой.

2. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что вертикальная перегородка ограничена сверху и снизу регуляторами потоков фаз, выполненными в виде колпачковых тарелок, на верхней из которых установлены указанные гидрозатворы.

3. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что гидрозатворы посредством указанных вентилей соединены с оросителями, сливные патрубки которых расположены в каждом секторе колонны над следующей по ходу жидкой фазы тарелкой.

4. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что высота вертикальной перегородки составляет от 25 до 75% от высоты колонны.

5. Колонна по п.1, отличающаяся тем, что между указанными колпачковыми тарелками, а также выше и ниже них, установлены контактные массообменные элементы, выполненные в виде провальных тарелок, ситчатых тарелок, клапанных тарелок и насадочных элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2