Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

Конденсация – процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое; осуществляется путем охлаждения или сжатия и охлаждения пара при температурах ниже критических для данного вещества. При этом происходит выделение теплоты конденсации, а объем среды резко уменьшается, и образуется вакуум. Это обстоятельство обусловило использование конденсаторов для создания вакуума. Конденсация применяется для: получения в жидком виде продуктов, выводимых из аппаратов в парообразном состоянии; сжижения природных и попутных газов, паров хладагентов в холодильных установках и т. п.

Если процесс происходит только частично, то пары содержат высокую концентрацию низкокипящего компонента, а жидкая фаза обогащена высококипящим компонентом. Процессом перегонки будет называться дальнейшая конденсация паров в отдельную емкость. Если же целевым продуктом оказывается жидкая фаза с высокой температурой кипения, то процесс обозначается как выпаривание.

Испарение может быть однократным и многократным, то же верно и в отношении обратного процесса – конденсации. На рисунке 2 показаны варианты этих процессов.

Рисунок 2. Варианты испарительного и конденсатного процессов

Ранее испарение и конденсация рассматривались нами как теплообменные процессы (без изменения состава смеси). Однако те же явления могут быть и массообменными, если меняется компонентный состав. В качестве примера теплообменного процесса можно привести нагрев воды в кастрюле, а массообменного – выпаривание влаги из ягод при варке варенья. В первом случае мы получаем фазовый переход, а во втором – избавляем ягоды от лишней влаги, оставляя только мякоть.

Но тем не менее оба этих процесса дали начало главному процессу в нефтехимической отрасли – ректификации.

Итак, ректификацией называется массо- и теплообменный процесс разделения жидких смесей, взаимно растворимых друг в друге и различающихся по температуре кипения, путем осуществления непрерывного контакта паровой и жидкой фазы.

Из предыдущего раздела мы выяснили, как работает схема ректификации. Существуют простые и сложные варианты исполнения колонн, например с выносными колоннами. Сырье может подаваться в разные секции колонны, а целевые продукты – выводиться с определенных контактных устройств – тарелок. Если говорить об орошении с верхней части колонны, то существуют три основных варианта орошения верхней части.

Первый вариант называется «орошение парциальным конденсатом». Суть такого орошения следующая: в холодильнике происходит конденсация паров, отводимых с верхней части колонны в теплообменном аппарате. Из этого аппарата конденсат отправляется на питание верхней части колонны, а несконденсировавшийся газ – на другие процессы. Контроль количества конденсата зависит от количества хладагента, подаваемого в теплообменник.

Второй и самый распространенный вариант орошения – холодное испаряющееся. Его схемы были рассмотрены ранее.

Третий вариант – циркуляционное неиспаряющееся орошение. Жидкость с низа верхней тарелки поступает в холодильник, охлаждается и возвращается на верх той же тарелки. Такое орошение наиболее эффективно в промежуточных секциях колонны. Газ при этом отводится на следующий этап без дополнительного охлаждения.

Но помимо отвода тепла орошением и конденсации низкокипящих компонентов, нельзя забывать о кубе колонны. Здесь также есть несколько вариантов осуществления подвода тепла и испарения высококипящих компонентов.

Самое простое исполнение включает встраиваемый змеевик с отводом жидкой фракции напрямую из куба. Однако такой вариант имеет очень большой недостаток. Змеевики в кубе могут образовывать кокс на поверхности трубок, что усложнит теплообмен и в лучшем случае ухудшит подвод тепла, что приведет к перерасходу теплоносителя. При плохом сценарии колонна может потерять функциональность.

Существует исполнение с выносными подогревателями. При подогреве с паровым пространством жидкий высококипящий компонент выводится из теплообмен-ника-сепаратора, а газ направляется на питание под нижнюю тарелку.

Третий случай – метод «горячей струи». Этот способ подвода тепла применяется в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями не представляется возможным или целесообразным. Для сообщения тепла циркулирующему потоку жидкости служит теплообменный аппарат той или иной конструкции. Тепло в низ колонны подводится при помощи циркулирующей горячей струи, нагретой до определенной температуры. При этом часть жидкости из низа колонны прокачивается через теплообменный аппарат, где ее температура увеличивается. Далее жидкость возвращается из теплообменника под нижнюю тарелку колонны, где происходит ее однократное испарение и смешение с потоком стекающей с нижней тарелки жидкости, что необходимо для образования потока паров. Из низа колонны часть потока жидкости выводится в качестве остатка, а остальная часть возвращается в подогреватель. Под нижнюю тарелку поступает пар, образовавшийся при смешении испарившейся части остатка и паров.

Варианты различного орошения и подвода тепла представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Виды обвязки куба и головы колонны

Теперь объясним роль давления в ректификационных колоннах. Выбор давления обусловлен необходимым температурным режимом: давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне, или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена.

При разделении низкокипящих фракций следует прибегнуть к повышенному давлению для увеличения температуры кипения. Это делает процесс более контролируемым и позволяет достичь требуемой чистоты разделения, а также упрощает орошение. Как мы выяснили, для создания орошения требуется конденсировать низкокипящий компонент. Так, при разделении фракции, где самый легкий компонент – пропан, при нормальных условиях требуется подавать хладагент температурой ниже –42,1 °C, но при увеличении давления всего до 0,1 МПа достаточно около 20 °C. Для достижения отрицательных температур требуются колоссальные экономические и энергетические затраты, гораздо бóльшие, нежели снабжение холодильника оборотной водой.

Для тяжелых компонентов требуется пониженное давление или вакуум. Известно, что вода на Эвересте кипит не при 100 °C, а при 69 °C. То же правило характерно и для высококипящих компонентов. Но есть погрешность на другие химические реакции: например, температура разложения газойля ниже температуры его кипения при нормальных условиях. При снижении давления температура кипения снижается, что помогает проводить процесс ректификации без побочных реакций.

Не только в теоретические условия упирается подбор давления в ректификационных колоннах – немалую роль играют и последующие процессы и аппараты. А также оптимальные условия подбираются из экономических и энергетических соображений.

Контактные устройства ректификационных колонн – это элементы, которые обеспечивают контакт между жидкой и паровой фазами, что интенсифицирует тепломассообмен. Назначение – обеспечить наиболее тесное соприкосновение фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.

Тарельчатые устройства представляют собой горизонтальные перегородки внутри колонны, на которых происходит взаимодействие газовой и жидкой фаз. Жидкость движется по тарелке от питающего патрубка к сливному устройству, в то время как газ проходит снизу вверх через специальные элементы в полотне тарелки. Тарелки классифицируются по способу организации контакта фаз на перекрестноточные, прямоточные и противоточные.

Тарелки могут иметь разные варианты исполнения. Так, самыми простыми