Химия и химическая технология/5. Фундаментальные

проблемы создания новых материалов и технологий

Д.т.н. Самойлов Н.А., к.т.н. Чуракова С.К.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

Специфика работы контактных устройств в концентрационной

и отгонной частях ректификационных колонн

Эффективность работы разнообразных контактных устройств ректификационных колонн в нефтепереработке и нефтехимии оценивается их коэффициентом полезного действия — степенью приближения массопередачи на реальном контактном устройстве к массопередаче на условной теоретической тарелке, на которой достигается состояние равновесия паровой и жидкой фаз. Коэффициент полезного действия конструктивно подобных реальных тарелочных и насадочных контактных устройств варьируется в широких пределах от 10 до 90% и определяется большим числом факторов: не оптимальностью паровых и жидкостных нагрузок на контактном устройств, узким диапазоном варьирования паровых и жидкостных нагрузок, конструктивным несовершенством контактного устройства. При этом эффективность аналогичных контактных устройств в отгонной части полных колонн как правило ниже, чем в концентрационной части. Как показали результаты детального обследования 16 промышленных ректификационных колонн, работавших в широком диапазоне давлений от 0.005 до 2 МПа на установках первичной переработки нефти, во вторичных процессах, на газофракционировании с целью их последующей реконструкции и для тех же колонн, в которых тарелки были заменены на оптимально сконструированные перекрестноточные насадочные контактные устройства, коэффициенты полезного действия всех видов контактных устройств в отгонных частях колонн на 5-35 % ниже, чем в концентрационных.

На наш взгляд причиной снижения эффективности работы контактных устройств в отгонных частях ректификационных колонн являются диффузионные особенности ректификации многокомпонентных и сложных смесей, к которым относятся нефтепродукты и нефти.

Специфика диффузионного процесса при ректификации характеризуется возрастанием температуры по контактным устройствам от верха к низу колонны, что приводит к формальной интенсификации диффузии, но при этом постепенно одновременно увеличивается молекулярная масса вещества в потоках, что в итоге снижает величину коэффициента диффузии D₁₂.

Диффузионный перенос вещества в жидкой фазе при ректификации протекает в направлении движения потока (горизонтально на тарелках, вертикально на насадках), при этом жидкая фаза, как правило, достаточно интенсивно перемешивается за счет барботажа паров через слой или пленку жидкости. Например, жидкий поток, протекающий вблизи колпачка или клапана тарелки, находится в условиях близких к идеальному смешению [1], что способствует выравниванию концентраций в потоке и вблизи поверхности раздела фаз и перенос вещества в жидкой фазе происходит, в основном, за счет конвективной, а не молекулярной диффузии (рис. 1).

Рис.1. Характер переноса массы в системе жидкость-пар при ректификации

1- поток жидкости; 2 - поток пара; 3 - молекулярная диффузия в паровой фазе;

4 - молекулярная диффузия в жидкости; 5 - конвективная диффузия в жидкости.

Возникновение локальных вихрей в жидкой фазе при турбулентном режиме подъема парового пузыря, является дополнительным условием выравнивания концентрации компонентов непосредственно вблизи поверхности раздела фаз.

Постепенное увеличение концентрации высококипящих компонентов в стекающей внутри колонны жидкой фазе приводит к уменьшению величины D₁₂, так, например, для системы октан-додекан при изменении состава жидкой фазы по додекану от 0 до 100% (что соответствует переходу от дистиллята к остатку ректификационной колонны) величина D₁₂ уменьшается на 26% [2].

Перенос вещества внутри газового пузыря при впитывании им паров низкокипящих компонентов и выделении конденсата высококипящих компонентов описывается, в основном, молекулярной диффузией.

Для численного анализа изменения коэффициента диффузии компонентов по высоте ректификационной колонны был выполнен расчет диффузии в четырехкомпонентной системе пропан-бутан-пентан-гексан при атмосферном давлении в диапазоне температур 230.93-341.74 К, охватывающем возможность получения любых составов дистиллята и остатка. Расчеты показали, что величина коэффициента диффузии пропана D_1m уменьшается по мере перехода по контактным устройствам сверху колонны вниз (табл. 1). При этом повышение четкости разделения в ректификационной колонне при переходе от первого варианта разделения ко второму приводит к интенсификации относительного уменьшения коэффициента диффузии и, как следствие, должно привести к большей разности коэффициентов полезного действия контактных устройств в концентрационной и отгонной частях ректификационной колонны. К уменьшению D_1m должно приводить и увеличение давления в колонне. Расчеты показывают, что причиной ухудшения эффективности контактных устройств в отгонной части ректификационных колонн является именно лимитирующее диффузионное сопротивление массопереносу в паровой фазе.

Увеличение диапазона температур кипения (или молекулярной массы) компонентов разделяемой смеси в ректификационных колоннах должно приводить к увеличению разницы в коэффициентах полезного действия контактных устройств в концентрационной и отгонной частях колонн (рис. 2).

Таблица 1

Потенциальные изменения коэффициента диффузии пропана в паровой фазе

Параметры	Вариант 1	Вариант 2
Состав дистиллята, мольные доли -пропан -бутан -пентан -гексан	0.950 0.030 0.015 0.005	0.990 0.005 0.004 0.001
Коэффициент диффузии пропана вверху колонны, см^2/с	4.15^.10^-2	4.27^.10^-2
Состав остатка, мольные доли -пропан -бутан -пентан -гексан	0.05 0.30 0.30 0.35	0.01 0.30 0.30 0.39
Коэффициент диффузии пропана внизу колонны, см^2/с	3.91^.10^-2	3.89^.10^-2
Уменьшение коэффициента диффузии пропана по высоте колонны сверху вниз, % отн.	5.78	9.13

Рис.2. Влияние разности температур в колонне (dT) на разницу в коэффициентах полезного действия (dE) тарельчатых (а) и перекрестноточных насадочных (б) контактных устройств в концентрационной и отгонной частях

Литература :

1.Самойлов Н.А. Производство этиленгликоля. Математическое моделирование реакционно-ректификационной колонны. Saarbruchen: Palmarium Academic Publishing,- 2013. - 86 с.

2. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия. - 1971. - 702 с.