IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Актуальность темы

В настоящее время одним из важнейших приоритетов энергетической стратегии России является модернизация и коренная реконструкция нефтеперерабатывающей промышленности для выведения ее на современный технологический и экономический уровни и обеспечения страны качественным моторным топливом, соответствующим мировым стандартам и требованиям.

Разделение нефти на компоненты происходит в ректификационных колоннах. Контакт жидкой и паровой фаз может происходить как на тарелках, так и на насадках. От вида, типа и конструкции массообменных контактных устройств зависит качественный и количественный выход продукта. Использование нерациональной конструкции ректификационной колонны приводит к падению качества продукции и экономической нерентабельности в целом процессе ректификации, что отражается на всех последующих этапах глубокой переработки нефти.

Цель работы

Изучить способ повышения производительности ректификационных колонн путем замены тарелок на насадочные контактные устройства. Произвести патентный поиск и сделать выводы о изученном материале.

Методы исследования

Исследование выполнено с помощью теоретических методов. Теоретическое исследование выполнено на основе использования опыта, теории и накопленного экспериментального материала. Выводы сформулированы по результатам анализа литературы, патентов и интернет источников.

Задачи исследования

Произвести мониторинг литературных источников (книг, журналов, научных публикаций и интернет статей), определить основные направления данного вопроса и произвести патентный поиск с целью изучения новых конструкций насадочных контактных устройств.

Глава 1 Литературный обзор современного состояния вопроса

1.  

   1. Обзор технической литературы

Произведя обзор технической литературы таких авторов как:

Касаткин. А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии;

Ахметов. С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Найдено предложение по улучшению технико-экономических показателей работы ректификационных колонн. Процесс заключается в реконструкции колонны путем замены массообменных тарелок на насадочные контактные устройства.

В настоящее время энергосбережение является одной из основных задач эффективного развития промышленности. Так как процессы ректификации очень энергоемкие и распространенные массообменные процессы в химической технологии, то их энергоэффективность определяет экономику производства в целом.

Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий должна базироваться на использовании контактных устройств с высокой эффективностью, и низким перепадом давления. Для решения этих вопросов вместо массообменных тарелок применяют насадочные контактные устройства.

Реконструкция ректификационных колонн требует больших финансовых затрат и значительное время работы. Исходя из этого на НПЗ реконструкция колонны проводится по этапам, с частичной замены массообменных тарелок на насадочные контактные устройства. В этом случае от одного капитального ремонта до другого колонна эксплуатируется с различным типом контактирующих устройств и возникает задача согласования паровых и жидкостных нагрузок при переходе от тарелок к насадкам и наоборот. В таких случаях должна соблюдаться следующая очередность реконструкции: зона питания, зона конденсации (верхнего циркуляционного орошения), зона ректификации укрепляющей и отгонной частей колонны.

К насадке предъявляются следующие основные требования:

• большая поверхность;

• нечувствительность к загрязнениям и осадкам;

• малое гидравлическое сопротивление

• простота изготовления;

• малая стоимость.

Данные авторы предлагают насадки следующих типов: насыпные (из отдельных листов) и хордовые (из полос, пластин, решеток).

Основные типы насыпных насадок: кольца Рашига (рисунок а), кольца Палля (рисунок б) и седловидная насадка (рисунок в).

Рисунок 1 – Типы насыпных насадок

Элементы насадки изготавливают из керамики, фарфора или тонколистового металла.

В промышленных колоннах в основном применяют насадочные кольца диаметром 25 и 50 мм.

Насадка должна быть засыпана ровным слоем. Образование пустот или щелей резко ухудшает работу колонны.

Насыпную насадку укладывают на опорную решетку (колосник), которая должна иметь минимальное гидравлическое сопротивление и обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдержать вес насадки и удерживаемой ею жидкостью.

Основные типы хордовых насадок: плоскопараллельная (рисунок а), сотовая (рисунок б) и загзообразная (рисунок в).

Рисунок 2 – Типы хордовых насадок

Они обеспечивают хороший контакт между жидкостью и газом и в то же время имеют малое гидравлическое сопротивление.

Авторы утверждают, что насадочная ректификационная колонна, в отличие от тарельчатой, обеспечивает меньший перепад давления на высоте аппарата, более широкий диапазон устойчивой работы, высокий КПД и более высокую разделительную способность. Такие колонны позволяют решить вопросы углубления переработки нефти и нефтепродуктов, энергосбережения и повышения гибкости как существующих, так и проектируемых технологий

1.2 Обзор по публикациям

Произведя обзор современных журналов и статей по данному вопросу, найдены статьи:

1 “Результаты внедрения в промышленность разработок по регулярным перекрестноточным насадкам учеными Уфимского государственного нефтяного технического университета” авторов – Л.А. Марешова, К.Ф. Богатых, Л.З. Рольник, Г.Г Ягафарова.

2 Грошиков О.Г, Леденев С.М., Грачев С.В. “Повышения эффективности процесса вторичной ректификации бензиновой фракции” из журнала “Успехи современного естествознания”.

Данные авторы предлагают увеличить эффективность работы ректификационной колонны путем замены массообменных тарелок на регулярные насадки.

Тарельчатые ректификационные колонны имеют большое гидравлическое сопротивление. Поэтому наиболее распространенные типы этих колонн можно использовать лишь в тех случаях, когда падение давления в аппарате не является решающим фактором.

Насадочные ректификационные колонны имеют меньшее по сравнению с тарельчатыми колоннами гидравлическое сопротивление. По этому показателю они вполне пригодны для разделения смесей под вакуумом. Важнейшей частью колонн этого типа является насадка, служащая для развития поверхности контакта фаз, которая образуется жидкостью смачивающей насадку. Важнейшими характеристиками насадки являются удельная поверхность, т.е. поверхность единицы объема насадки, и свободный объем. Увеличение удельной поверхности насадки благоприятствует повышению ее разделяющего действия.

В 1993-1994 годах колонны К-2 ЭЛОУ-АВТ-3 и ЭЛОУ-АВТ были реконструированы на насадочные перекрестноточные аппараты . Подробный анализ результатов реконструкции с обследованием работы колонны был проведен в 1994 году на примере колонны К-2 установки ЭЛОУ АВТ при ее работе на легких казахстанских нефтях. Данные обследования подтвердили перспективность модернизации атмосферных колонн с заменой тарельчатых контактных устройств на перекрестноточные насадки. Разделительная способность колонны возросла примерно на 30%, тепломассообменный КПД был оценен на уровне 0,5 - 0,85. Среднее значение КПД в укрепляющей части колонны составило 0,66.

Реализация технологии отбензинивания нефти в перекрестноточной насадочной колонне с двойным питанием по сырью и подачей водяного пара в низ колонны показала перспективность такой технологии с точки зрения повышения производительности по нефти, увеличения отбора бензина и повышения его качества. Обследование реконструированной колонны при работе ее на легких казахстанских нефтях дало возможность оценить КПД контактных устройств. КПД насадочных блоков, расположенных в верхней части колонны, оказался на уровне 0,75, а КПД в средней части на уровне 0,7. Эти значения КПД для таких типов колонн достаточно высокие.

Обобщая результаты внедрения в промышленности разработок ученых УГНТУ по регулярным перекрестноточным насадкам за период с 1992 по 2006 годы, следует отметить, что во всех десяти рассмотренных объектах внедрения получены значительные положительные результаты, что подтверждает перспективность их применения в качестве контактных устройств в разработках новых современных энергосберегающих технологий и нефтепереработке и нефтехимии.

1.3 Обзор по научным работам

В диссертации на тему «Разработка энергосберегающих технологий в нефтегазопереработке на основе перекрестноточных насадочных контактных устройств» – автор научной работы : Чуракова Светлана Константиновна, были предложены актуальные исследования по разработке и реализации ресурсо-энергосберегающих технологий в процессах нефте- и газопереработки под различными давлениями, базирующихся на применении насадок.

На основе систематизации данных по ректификации непрерывных и многокомпонентных смесей на контактных устройствах различных типов, с точки зрения организации взаимодействия потоков пара и жидкости, проанализированы преимущества применения насадок, позволяющих одновременно обеспечивать высокую эффективность массообмена; низкий перепад давления и широкий диапазон устойчивой работы, высокая производительность, большая гибкость конструкции, малая задержка жидкости, простота конструкции.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли различные модификации колец Рашига, Паля, кольца Плексиринг, седка IMPT, Миниринг (конические), Борада (цилиндрические), Перформинг, S-образные, кольца Хай-Пак (цилиндрические с перегородками). Все они имеют примерно одинаковую эффективность ВЭТТ до 0,6м и гидравлическое сопротивление на 1 теоретическую тарелку до 2,5 гПа.

Результатами промышленных обследований доказана целесообразность применения насадочных контактных устройств, для реализации энергосберегающих технологий фракционирования в вакуумных, атмосферных колонных и колоннах, работающих при высоких давлениях, получены их эксплуатационные характеристики, которые могут быть использованы при реконструкции действующих и проектировании новых ректификационных колонн.

В следующей диссертации «Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке» – автор научной работы : Лаптев А.Г. была рассмотрена модернизация массообменных аппаратов на примерах установок разделения углеводородных смесей Сургутского ЗСК; колонны щелочной очистки пирогаза в производстве этилена и ректификационной колонны в производстве изопрена.

На предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности в настоящее время для разделения смесей широко применяются ситчатые, провальные и клапанные тарелки, имеющие узкий диапазон работы, в то время как имеются теоретические разработки и практический опыт применения более эффективных контактных элементов. Так, например, многие отечественные и зарубежные фирмы работают в направлении создания новых насадок и массообменных тарелок.

Насадочные контактные устройства принято подразделять на два типа: регулярные и нерегулярные.

Регулярные насадки, изготавливаемые из сетки, перфорированного металлического листа, многослойных сеток и т.д., обеспечивают более однородное, по сравнению с нерегулярными насадками из колес и седел, распределение жидкости и пара (газа) в колоннах. Кроме того, они обладают исключительно важным достоинством, таким как низкое гидравлическое сопротивление – в пределе от 1 до 2 мм рт. ст. (130-260 Па) на одну теоретическую тарелку .

По этому показателю они значительно превосходят любой из известных типов тарельчатых контактных устройств. В связи с этим в последние годы за рубежом и в нашей стране начаты широкие научно-исследовательские работы по разработке самых эффективных и перспективных конструкций регулярных насадок и широкому применению их в крупнотоннажных производствах, в том числе в таких процессах нефтепереработки, как вакуумная и глубоковакуумная перегонка мазутов.

Глава 2 Патентные исследования

Патентные исследования - это целый комплекс мероприятий, выполняемых разработчиком для выявления путем сопоставления определенных признаков и показателей разрабатываемого объекта техники с показателями аналогичных по назначению и функционированию объектов, содержащихся в патентных и других источниках информации.

Основную роль в проведении этих исследований играет анализ патентной информации, представляющей собой совокупность сведений научно-технического и экономико-правового характера. К ее достоинствам следует отнести, прежде всего, подтвержденную патентной экспертизой достоверность, новизну и практическую полезность содержащихся в ней сведений. Важно отметить подробность описаний изобретений, сопровождаемых необходимыми графическими материалами в виде чертежей, схем и графиков. Кроме того, существенным для патентной документации является сравнительная легкость ее поиска и обработки благодаря единой международной систематизации с помощью МПК, где принята лаконичная и унифицированная форма изложения.

Для оценки результатов поиска создаются определенные правила-критерии соответствия, устанавливающие, при какой степени формального совпадения поискового образа документа с поисковым предписанием текст следует считать отвечающим информационному запросу.

Анализ литературы по вопросам конструкции тарельчатой ректификационной колонны показал, что, наряду с рассмотрением в научно-технической литературе отдельных вопросов проблема реконструкции колонны до сих пор не закрыта.

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой МАХП Сарилов М. Ю.

«01»сентября 2016 г.

ЗАДАНИЕ № ОН7

на проведение патентных исследований

Наименование работы (темы) Технико-экономическое обоснование замены тарелок на

насадки в ректификационной колонне ­ шифр работы (темы) __3ОНб1-7______________

Этап работы курсовое проектирование, сроки его выполнения 01.09.2016 – 22.12.2016__

Задачи патентных исследований: нахождение аналогов и прототипов по данной тематике, их анализ, нахождение их достоинств и недостатков

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Виды патентных исследований	Подразделения-исполнители (соисполнители)	Ответственные исполнители (Ф.И.О.)	Сроки выполнения патентных исследований. Начало. Окончание	Отчетные документы
Патентный поиск на тему «Технико-экономическое обоснование замены тарелок на насадки в ректификационной колонне»	www.freepatent.ru www.fips.ru	Сенотрусов А.С.	1.09.2016- 18.11.2016	Заполнение таблицы 6.1 – Патентная документация
			18.11.2016- 1.12.2016	Заполнение таблицы 6.2 – Научно- техническая и нормативная документация
			1.12.2016- 22.12.2016	Заполнение таблицы 6.3 – Тенденции развития объекта исследования

Руководитель ___________ Т.И. Башкова _______________

патентного подразделения ^{личная подписьрасшифровкадата}

^{подписи}

Руководитель подразделения ___________ М.Ю. Сарилов__ _______________

исполнителя работы ^{личная подписьрасшифровкадата}

^{подписи}

К заданию № ОН7 от 01. 09. 2016 г.

2.2 Регламент патентного поиска

Студенту Сенотрусову Артему Сергеевичу

Группы 3ОНб-1 по теме

Технико-экономическое обоснование замены тарелок на насадки в ректификационнойколонне

Стадия Курсовое проектирование

Цель поиска информации: изучение технического уровня и тенденций развития объекта разработки. Обоснование регламента поиска: Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектно-конструкторских работ. Такой же обязательной частью они становятся сегодня при выполнении курсовых и дипломных проектов, так как дипломные работы представляют собой одну из составляющих вышеперечисленных этапов. Предмет поиска представляет собой устройство в целом в соответствии с заданием на дипломное проектирование, классификационные рубрики определены по ключевым словам, характеризующим объект разработки, страны поиска определены в результате проведения предварительного поиска по журналам и являются ведущими в данной отрасли техники, глубина поиска достаточна для определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки, источники информации соответствуют минимуму технической документации, которую необходимо просмотреть с целью определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки.

Руководитель подразделения исполнителя М.Ю. Сарилов

Подпись ____________

Руководитель патентного подразделения Т.И. Башкова

Подпись ___________

2.3 Формы отчета о патентном поиске

1 Поиск проведен в соответствии с заданием ОН7 от 01.09. 2016 г. и Регламентом поиска № 3ОНб1.2. от 01.09.2016 г.

2 Начало поиска 01.09 2016 г. Окончание поиска _22.12.2016 г.

3 Сведения о выполнении регламента поиска (указывают степень выполнения регламента поиска, отступления от требований регламента, причины этих отступлений)

4 Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований

5 Материалы, отобранные для последующего анализа:

Таблица 2.1 - Патентная документация

Предмет поиска (объект исследования, его составные части)	Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификационный индекс*	Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации*	Название изобретения (полной модели, образца)	Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)
Виды и конструкции насадок Виды и конструкции насадок	Патент РФ 2480273 B01J 19/32 B01D 3/32	ФГБОУ ВПО “Московский государственный машиностроитель-ный университет (МАМИ)” (RU) 2010154223/05 27.04.2013	Регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов	Действует до 27.04.2028
	Патент РФ 2506125 B01J 19/32	ФГБОУ ВПО “Ангарская государственная техническая академия” (RU) 2012140978/05 10.02.2014	Регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов из горизонтальных элементов	Данных нет
	Патент РФ 2515330 B01J 19/32	ФГБОУ ВПО “Ангарская государственная техническая академия” (RU) 2012140979/05 10.05.2014	Регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов с периодическим орошением	Действует до 10.05.2029
	Патент РФ 2431522 B01J 19/32	ГОУ ВПО “Московский государственный университет инженерной экологии” (RU) 2010111894/05 20.10.2011	Регулярная сетчатая насадка	Не действует

Таблица 2.2 – Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчеты о научно-исследовательских работах)

Предмет поиска	Наименование источника информации с указанием страницы источника	Автор, фирма (держатель) технической документации	Год, место и орган издания (утверждения, депонирования источника)
Виды и конструкции насадок	www.freepatent.ru стр. 8	Пушнов А.С. (RU) Масагутов Д.Ф. (RU)	10.07.2012
	www.freepatent.ru стр. 8	Бальчугов А.В. (RU) Залилеев М.Ш. (RU) Бадеников А.В. (RU) Кузора И.Е. (RU)	10.02.2014
	www.fips.ru стр. 9	Бальчугов А.В. (RU) Залилеев М.Ш. (RU) Бадеников А.В. (RU) Кузора И.Е. (RU)	10.05.2014
	www.freepatent.ru стр. 7	Ваганов А.А. (RU) Пушнов А.С. (RU) Тимонин А.С. (RU)	20.10.2011

Таблица 2.3 – Тенденции развития объекта исследования

Выявленные тенденции развития объекта исследования	Источники информации	Технические решения, реализующие тенденции
		в объектах организаций (фирм)	В исследуемом объекте
Увеличе-ние поверх-ности контакта жидкой и паровой фаз	Патент РФ 2480273	НПЗ, хим. производ-ства	Изобретение предназначено для тепло- массообмена. Регулярная насадка выполнена в виде секций, установленных в несколько ярусов по высоте аппарата, собранных из параллельно уложенных в ряды наклонных пластин, расположенных в шахматном порядке. Каждые две пластины соединены посредством стержня с образованием «V» образного элемента. Поверхность каждой пластины выполнена из держащих форму лавсановых мононитей в виде сетки. Острая кромка профиля ориентирована навстречу газовому потоку, а концы пластин навстречу потоку жидкости. Пластины в соседних по высоте рядах расположены со смещением друг относительно друга по горизонтали на величину, равную 0.1-1.0 ширины элемента насадки. Шаг элементов насадки в каждом ряду равен 1.0-2.0 ширины элемента насадки. Высота элемента насадки составляет 2.0-5.0 его ширины. Элементы насадки секции в аппарате прямоугольного сечения расположены под углом 90° относительно элементов насадки в соседних секциях.
Увеличе-ние интенсив-ности процес-сов тепло- и массооб-мена Обеспе-чение развитой поверхно-сти контакта фаз и вы-сокой интенсив-ности массооб-мена	Патент РФ 2506125 Патент РФ 2515330	НПЗ, хим. производ-ства НПЗ, хим. производ-ства	Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, применяемых для проведения тепло- и массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, таких как процесс ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также насадка может найти применение в технологических процессах химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности. Насадка состоит из собранных в пакеты горизонтальных элементов, сформованных из керамики или пластика. Элементы насадки обладают криволинейной поверхностью, состоящей из регулярно расположенных конических выпуклостей и впадин, причем на вершине выпуклости и дне впадины имеются круглые сквозные отверстия. Выпуклости и впадины располагаются в шахматном порядке так, что одна выпуклость окружена четырьмя впадинами. Горизонтальные элементы укладываются друг на друга, соединяясь между собой так, чтобы отверстия на вершинах выпуклостей соседних элементов накладывались друг на друга, при этом образуются вертикальные каналы с переменным сечением для прохождения газа и жидкости. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности работы насадки и интенсивности процессов тепло- и массообмена. Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, применяемых для проведения тепло- и массообменных процессов в системе газ(пар) - жидкость, таких как процесс ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также насадка может найти применение в технологических процессах химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности. Насадка состоит из вертикальных параллельных листов, которые с обеих сторон покрыты синтетическим (полимерным) ворсом, длина ворсинок составляет 0,007-0,01 м, расстояние между соседними ворсинками на листе 0,002-0,003 м, диаметр ворсинок 0,001-0,002 м, расстояние между поверхностями листов до 0,02-0,03 м, при этом жидкость на поверхность листов подается сверху периодически так, чтобы на поверхности листа образовались волны. Расстояние между ворсинками на поверхности листа не менее 0,002 м для того, чтобы не происходило слипания ворсинок. Очередная волна смачивает ворсинки, при этом ворсинки покрываются пленкой жидкости, и образуется развитая поверхность контакта между газом и жидкостью. Затем приходит новая волна, которая уносит старую пленку и, в то же время, образует новую пленку на ворсинках. Данная конструкция насадки позволяет обеспечить развитую поверхность контакта фаз и высокую интенсивность массообмена.
Повыше-ние эффекти-вности процес-сов тепло- и массооб- мена	Патент РФ 2431522	НПЗ, хим. производ-ства	Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются при процессах абсорбции и ректификации, и может найти применение в технологических процессах нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслях промышленности. Регулярная сетчатая насадка, равномерно перекрывающая поперечное сечение аппарата, содержит элементы, выполненные в виде свернутого в рулон гофрированного рукава из сетки, связанной "кулирной гладью", и распределяющие элементы, выполненные в виде кусков гофрированного рукава из сетки, связанной "кулирной гладью", сложенных "гармошкой" поперек образующей этого рукава и соединенных в полосу, плотно сложенную зигзагообразно. При этом элементы из свернутого в рулон гофрированного рукава чередуются по высоте с распределяющими элементами. Изобретение позволяет увеличить поперечное перераспределение жидкости в насадке и повышает эффективность процессов тепло- и массообмена.

2.4 Анализ достоинств и недостатков найденных аналогов и прототипов

В патенте РФ 2480273 основным достоинством является то, что выполнение насадки в виде V-образного профиля позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление со стороны воздуха и обладает свойством равномерно перераспределять потоки жидкости по всему поперечному сечению секции насадки. Недостатком является недостаточно интенсивная турбулизация контактирующих потоков внутри секции насадки и, как следствие, несущественное повышение эффективности тепло- и массообменных процессов.

В патенте РФ 2506125 основным достоинством перед другими является то, что данная конструкция насадки позволяет обеспечить развитую поверхность контакта фаз и высокую интенсивность тепло- и массообмена, повысить эффективность работы насадки, снизить гидравлическое сопротивление насадки и снизить эксплуатационные затраты на преодоление гидравлического сопротивления. Недостатком может быть сложная конструкция насадки.

В патенте РФ 2515330 данная конструкция насадки позволяет обеспечить развитую поверхность контакта фаз и высокую интенсивность массообмена, что является ее достоинством. Недостатком являются большие габаритные размеры.

В патенте РФ 2431522 основным достоинством является то, что при угле поворота соседних распределяющих элементов относительно друг друга, равном 90̊, перераспределение жидкости происходит наиболее интенсивно. Недостатком такой конструкции является то, что удовлетворительное распределение жидкости по сечению эта насадка обеспечивает лишь при диаметре колонны до 0,3 м, что сужает область применения известной насадки, в промышленных колоннах большего диаметра требуется установка специальных распределителей жидкости.

Глава 3 Основы процесса ректификации

3.1 Описание процесса ректификации

Ректификация — процесс разделения смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, путем противоточного многократного контактирования неравновесных жидкости и пара. Контактирование осуществляется, как правило, в колонных аппаратах на тарельчатых или насадочных контактных устройствах противоточно — пар снизу вверх, жидкость сверху вниз.

Колонный аппарат представляет собой вертикальную стальную трубу с размещенными внутри контактными устройствами. В тарельчатых колоннах контакт происходит ступенчато на отдельных ступенях, называемых тарелками (ситчатые, колпачковые, клапанные и т.д.), обычно путем барботажа пара сквозь слой жидкости или путем распылительного перемешивания, или другим способом, обеспечивающим максимально эффективный тепло- и массообмен. В насадочных колоннах контакт осуществляется непрерывно между паром и жидкой пленкой в слое насадки с развитой поверхностью, которой заполнена колонна (щебень, кольца, пружины, сетки и т.п.).

Жидкость, относительно богатая легкокипящими компонентами, имеющая относительно более низкую температуру, поступает на контактное устройство сверху. Пар, богатый высококипящими компонентами, имеющий более высокую температуру, поступает на контактное устройство снизу. На контактном устройстве жидкость и пар стремятся к равновесию путем тепло- и массообмена. Если равновесие между паром и жидкостью, покидающими контактное устройство достигается, то такое контактное устройство называется теоретической ступенью или теоретической тарелкой.

Простая дистилляция («самогонный аппарат») обеспечивает однократный хороший контакт жидкости и пара и эквивалентна одной теоретической ступени. Реальные тарелки промышленных колонн имеют эффективность 0,3...0,8 теоретической ступени. Для насадочных колонн есть величина, называемая высотой эквивалентной теоретической тарелке, — это высота слоя насадки, массообменная эффективность которого эквивалентна одной теоретической ступени. Эта высота может быть 100...600мм. На контактных устройствах пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высококипящим. Проходя последовательно ряд ступеней, жидкость и пар достигают заданных концентраций компонентов. Вверху колонны концентрируется низкокипящие компоненты, внизу — высококипящие. Наращивая число ступеней, можно получить любую заданную четкость разделения компонентов. По высоте колонны концентрации компонентов меняются иногда весьма нелинейно.

В аппаратах непрерывной ректификации сырье вводят примерно на середине высоты колонны, т.е. на ту тарелку, где концентрации компонентов примерно равны таковым у сырья. Сверху колонны отбирают дистиллят, богатый низкокипящими компонентами. Снизу отбирают остаток, богатый высококипящими компонентами. Пары с верхней тарелки колонны охлаждаются в конденсаторе, часть в виде паров или жидкости отбирается как дистиллят, остальное возвращается в колонну в виде жидкости. Жидкость с нижней тарелки нагревается в кипятильнике, часть жидкости отбирается как нижний продукт (остаток), остальное в виде пара возвращается в колонну.

Отношение массового расхода жидкости, поступающей из конденсатора в колонну, к массовому расходу дистиллята называется флегмовым числом. Отношение массового расхода паров из кипятильника к массовому расходу остатка называется паровым числом. Эти числа характеризуют режим работы верхней (выше питания) и нижней (ниже питания) секций колонны. Чем выше флегмовое (и паровое) число, тем легче (меньшим числом ступеней) достигается заданная четкость раделения смеси ректификацией, но также возрастают удельные затраты энергии и уменьшается производительность колонны. Флегмовое (и паровое) число не может быть меньше определенного минимального, при котором заданная четкость ректификации не достигается при сколь угодно большом числе ступеней.

При периодической ректификации в кипятильник соответствующего объема (называемый кубом колонны) загружается порция сырья, в процессе ректификации сырье не добавляют и состав кубового остатка непрерывно меняется от состава сырья до заданного высококипящего остатка. Соответственно сверху колонны отбирают дистиллят изменяющегося по времени состава. Если число компонентов смеси невелико (2...5), а количество ступеней и флегмовое число достаточны для сравнительно четкого разделения, то состав дистиллята и температура на верхней тарелке изменяется ступенчато, вначале дистиллят состоит из концентрированного самого низкокипящего компонента (назовем его первым компонентом), затем следует короткий переходный период, когда дистиллят представляет собой смесь переменного состава, в которой концентрация первого компонента убывает, а концентрация второго компонента возрастает, далее дистиллят состоит из концентрированного второго компонента, и т.д. для всех компонентов. Дистиллят переходных периодов традиционно называют bad cuts, его смешивают со следующей порцией сырья.

Если четкость разделения невелика и/или количество компонентов велико (нефтяные смеси), то ступенчатость состава дистиллята становится незаметной, состав дистиллята и температура на верхней тарелке меняются непрерывно. Многокомпонентные смеси могут быть разделены на индивидуальные компоненты повторной ректификацией узких фракций дистиллятов, содержащих уже небольшое число компонентов. Особенности ректификации нефтяных смесей обусловлены требованиями к качеству разделения на фракции и тем, что нефтяные смеси состоят из тысяч компонентов. Многокомпонентность нефтяных смесей обуславливает непрерывный состав дистиллята при периодической ректификации для любого практически достижимого числа ступеней и флегмового числа.

3.2 Конструкция насадочной ректификационной колонны

Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции, очистки, охлаждения и увлажнения газов, а также для ректификации.

Различают 2 основных режима работы насадочных аппаратов:

1. Пленочный, при котором жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки;

2. Эмульгационный, когда весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами насадки барботирует газ.

Основные элементы насадочных колонн:

- насадка;

- опорные колосники;

- устройства для орошения и распределения жидкости.

По способу расположения насадки по высоте аппарата колонны подразделяют на:

- полностью насаженные (рисунок а);

- разделенные на секции (рисунок б);

- частично насаженные (рисунок в).

Колонны с насадкой, загружаемой навалом, имеют обычно высоту слоя не более (6 ÷ 8) × D. Когда требуется высота слоя более (6 ÷ 8) × D, насадку в аппарате располагают отдельными слоями (секциями).

Колонны, частично загруженные, имеют над слоем насадки значительное свободное пространство, в котором жидкость реагирует с газом в распыленном состоянии.

Заключение

В данной научно-исследовательской работе рассмотрена проблема интенсификации работы ректификационных колонн. Проблема интенсификации работы ректификационных колонн существовала всегда: меняется сырье, производительность установок и поставленные задачи. Самым эффективным методом повышения работоспособности ректификационных колонн – замена в колонне массообменных тарелок на насадки различных типов.

Были рассмотрены основные виды насадок и требования, предъявляемые к ним. Также был произведен обзор литературных источников (книг, журналов, научных публикаций и интернет статей), дано определение основным понятиям данного вопроса и произведен патентный поиск с целью изучения наиболее эффективных насадок, применяемых для ректификационных колонн.

Я предлагаю применить на современных ректификационных колоннах насадку которая состоит из собранных в пакеты горизонтальных элементов, сформованных из керамики или пластика. Данная конструкция насадки позволяет обеспечить развитую поверхность контакта фаз и высокую интенсивность тепло- и массообмена, повысить эффективность работы насадки, снизить гидравлическое сопротивление насадки и снизить эксплуатационные затраты на преодоление гидравлического сопротивления, уменьшить габаритные размеров аппарата.

Но для доказательства того, что эта насадка действительно способна повысить эффективность работы ректификационных колонн, необходимо произвести подробный анализ данной насадки и на основе этого сделать соответствующие выводы о ее применении.

Списокиспользованных источников

1 Глаголева, О.Ф. Технология переработки нефти : учеб.пособие / О.Ф. Глаголева. – М. : Химия, Колос, 2006. – 400 с.

2 Рудин, М.Г. Карманный справочник нефтепереработчика / М.Г. Рудин. – М. : ОАО ЦНИИТЭнефтехим, 2004. – 332 с.

3 Ахметов, С.А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: учеб.пособие / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков. – М. : Недра, 2006. – 868 с.

4 Айнштейн, В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии : 1 –2 кн. : Учебник для вузов / Под общ. ред. В.Г. Айнштейна. – М. : Химия, 1999. – 869 с

5 Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб.пособие / Н.И. Гельперин – М.: Химия, 1981. – 811 с.

6 Плановский, А.Н. Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский – М.: Химия, 1987. - 496 с.

7 Перри, Дж. Справочник инженера-химика. Т 1, 2 / Дж. Перри – Л.: Химия, 1974. – 430 с.

8 Кафаров, В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров – М.: Высш. школа, 1979. – 439 с.

9 Магарил, Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти / Р.З. Магарил – М.: Химия, 1976. – 313 с.

10 Патентный поиск в РФ, новые патенты, заявки на патент, библиотека патентов на изобретения. – URL: http:// http://www.freepatent.ru.

11 ГОСТ Р 15.011-96. Патентные исследования. – Введ. 1996-01-01. – М: ЦНИИ «ЦЕНТР»

12 Поникаров, И. И. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки / И. И. Поникаров, М. Г. Гайнуллин. – М. : Альфа-М, 2006. – 605 с.

13 Сафиева, Р.З. Химия нефти и газа. Нефтяные дисперсные системы: состав и свойства (часть 1) / Р.З. Сафиева. – М. : РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004 – 112 с.

14 Уильям, Л. Переработка нефти / Л. Уильям – М.: ЗАО “Олимп–бизнес”, 2004. – 224 с.

15 Рябов, В.Г., Кудинов А.В., Федотов К.В. «Сборник номограмм для проведения технологических расчетов процессов нефтепереработки», часть 1/ В.Г. Рябов, 2002. – 230 с.

16 Мановян, А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа / А.К. Мановян – М.: Химия издание 2, 2001. – 568 с.

17 Федеральное государственное бюджетное учреждение. Федеральный институт промышленной собственности. – URL: http://www1.fips.ru.

18 Бабитский, И.Ф. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов / И.Ф. Бабитский, Г.Л. Вихман, С.И. Вольфсон. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1965. – 905 с.

19 Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков.–2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1991. –4 96 с.

20 Кузнецов, А.А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности / А.А. Кузнецов, С.М. Кагерманов, Е.Н. Судаков.–2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1974.– 344 с.

21 Травень, В.Ф. Органическая химия: Учебник для вузов в 2-х томах / В.Ф. Травень − М.: Академкнига, 2004. – 727 с.

22 Романков, П.Г Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): учебное пособие для вузов / П.Г. Романков. – СПб: Химия, 1993. – 496 с.

Код для цитирования: Скопировать