вакуумная колонна для чего нужна
Ректификация нефти в колонне
Что такое ректификация
Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах.
Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей). 
Анализ фракций нефти и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.
Поэтому процесс ректификации представляет собой массообмен, протекающий в обе стороны между 2-мя фазами смеси, одна из которых – жидкость, а другая – пар. Иными словами, это многократно повторяющееся контактное взаимодействие неравновесных фаз в виде жидкой нефти, а также пара.
Процесс ректификации осуществляется в результате контакта потоков пара и жидкости. При этом непременным условием является перемещение пара и жидкости навстречу друг другу по высоте (длине) ректификационного аппарата. Движущей силой тепло- и массообмена между паром и жидкостью в аппарате является разница температур по высоте (длине) аппарата.
Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.
Но одна ректификационная колонна не может справиться с задачами по разделению фракций. На нефтеперерабатывающих предприятиях колонна тесно связана со множеством другого оборудования – насосного, теплообменного, печного, сепарационного.
Наиболее удобно иллюстрировать принцип действия ректификационного аппарата на примере колонны с колпачковыми тарелками.
Ректификационные колонны
Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”.
В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого – конденсационными устройствами (холодильники – конденсаторы, холодные циркуляционные орошения).
В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая – тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения.
Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей:
Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.
Принцип работы ректификационной колонны
Конструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации.
В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести.
Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части:
Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен.
Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз.
Классификация ректификационных колон
Колонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса:
Характеристика ректификационных колонн различных установок НПЗ
Типы контактных устройств ректификационных колон
Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства:
Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.
Тарелка с колпачковыми контактными устройствами
Видео: устройство и работа ректификационной колонны
Инструменты пользователя
Инструменты сайта
Содержание
Вакуумная перегонка
Перегонку нефти на промышленных установках непрерывного действия осуществляют при температуре не выше 370 °С, так как при более высокой температуре начинается крекинг (разложение УВ). В данном случае крекинг нежелателен, так как при этом образуются непредельные УВ, которые резко снижают качество нефтепродуктов. 1)
В результате атмосферной перегонки нефти при 350-370 °С остается мазут.
Перегонка в вакууме – метод выделения фракций из мазута. Вакуум понижает температуру кипения УВ и тем самым позволяет при 410-420 °С отобрать дистилляты, имеющие температуру кипения до 500 °С (в пересчёте на атмосферное давление). Нагрев мазута до 420 °С сопровождается некоторым крекингом УВ, но если получаемые дистилляты затем подвергаются вторичным методам переработки, то присутствие следов непредельных УВ не оказывает существенного влияния. При получении масляных дистиллятов разложение их сводят к минимуму: увеличивают расход водяного пара, уменьшают перепад давления в вакуумной колонне и т. д. Существующими методами удается поддерживать остаточное давление в ректификационных колоннах 20-60 мм рт. ст. Наиболее резкое снижение температуры кипения УВ наблюдается при остаточном давлении ниже 50 мм рт. ст. Следовательно, целесообразно применять самый высокий вакуум.
Чтобы увеличить отбор дистиллятов из мазутов, в вакуумную колонну подают перегретый водяной пар или перегоняют полученный остаток (гудрон) с испаряющим агентом – лигроино-керосиновой фракцией. 2)
Типичная колонна вакуумной перегонки первой стадии может производить газойли, базовые компоненты смазочных масел и тяжёлые остатки для деасфальтизации пропаном. Колонна второй стадии, работающая при более низком вакууме, дистиллирует избыточный остаток из колонны атмосферной перегонки, который не используется при изготовлении исходного сырья смазки, и избыточный остаток из первой башни вакуумной перегонки, не использующийся для деасфальтизации. 4)
Вакуумные колонны
Вакуумные колонны применяют для ректификации высоко-кипящих смесей УВ в глубоком (свыше 700 мм рт. ст.) вакууме и при высоких (до 430 °С) температурах. При общей высоте этих аппаратов 15-30 м диаметр их достигает 12 м. Для работы с коррозионно-неагрессивной нефтью вакуумные колонны изготовляют из углеродистой стали. При переработке сернистого сырья вакуумные колонны выполняют из биметалла, а внутренний слой и тарелки – из легированной стали. В отгонной (нижней) части диаметр корпуса вакуумных колонн в 1,5-2 раза меньше, чем в концентрационной. Это объясняется меньшим объёмом восходящего потока нефтяных паров и стремлением уменьшить разложение гудрона, снизив время его пребывания в зоне высоких температур.
При постоянных температуре и расходе водяного пара увеличение числа тарелок приводит к повышению давления в питательной секции и к снижению глубины отбора. В отгонной части (секции) вакуумной колонны обычно установлено 4-6 тарелок. Остаточное давление в эвапорационном пространстве 5) современных колонн достигает 15-17 мм рт. ст., а на выходе паров из колонны 5 мм рт. ст. Над вводом сырья в колоннах устанавливают отбойные тарелки из спрессованной проволочной сетки. Тарелка орошается флегмой, что почти полностью устраняет проскок капель гудрона через сетку в концентрационную часть колонны. Для борьбы со вспениванием вместе с сырьём из печи вводят силикон (около 0,75 мг/л сырья). Подобно атмосферным, вакуумные колонны снабжаются внутренними, а чаще выносными отпарными колоннами.
В итоге получается основной продукт – тяжёлый вакуумный газойль (с концом кипения 550 °С). Он прозрачен, имеет низкую коксуемость и ничтожное содержание металлоорганических соединений ванадия, никеля и железа. 6)
Тяжелый продукт, который остается на дне колонны, называется остаток вакуумной перегонки и используется в качестве сырья для производства битума или термического крекинга, а также как компонент для получения остаточного топлива. 7)
Поскольку на практике вакуумная перегонка тоже имеет свои ограничения, точку выкипания прямогонного остатка — т.е. температуру полного выкипания сырой нефти — определить невозможно. При столь высоких температурах вакуумную перегонку не проводят. 8)
Вакуумная дистилляция. Погоня за качеством на «космическом корабле».
Медный самогонный аппарат от Пьяного Снайпера.
«Cuprum Gun». Дистиллятор и колонна.
Сторонники и продавцы вакуумных дистилляторов отмечают главный плюс данных систем — получение продукта высшего качества.
Это утверждение несколько спорно и требует доказательств, тех же самых хроматограмм, которые ими не предоставляются. Упор делается исключительно на «вкусовые анализаторы», что очень субъективно. А хороший дистиллят можно получить и на более простом и дешёвом оборудовании при грамотном подходе.
Вакуумная перегонка
Теперь более подробно о процессах и принципах вакуумной дистилляции (ВД).
Классический дистиллятор изначально герметичен, но приёмная ёмкость всегда открыта. Если на эту приёмную ёмкость одеть также герметичную крышку и подключить насос для откачки воздуха, то получится система, которая находится под разряжением. Останется воткнуть датчик давления для управления насосом — и аппарат для вакуумной дистилляции условно готов.
Такая количественная разница приводит к тому, что полученный продукт должен быть чище, чем при обычной двойной перегонке до 100 °С (белковые дрожжи не варятся, химический состав «голов» формируются несколько по другому, «хвосты» начинают идти менее размазано).
Другие плюсы вакуумной перегонки:
«Схлопнутые» вакуумом кубы
Эта была теория, теперь некоторые практические нюансы вакуумной дистилляции, которые существенно сказываются на цене оборудования.
Что надо знать, перед тем как купить вакуумный дистиллятор.
Понятие, преимущества и недостатки вакуумной дистилляции
Уже несколько лет винокуры-энтузиасты осваивают новое направление в перегонке – вакуумную дистилляцию, которую еще романтически называют «космической». Сам принцип известен химикам давно и применяется в нефтяной промышленности, но для самогоноварения это новая тема, успевшая из-за своей специфики обрасти мифами и легендами. Пришло время разобраться, что это такое.
Внимание! Я никогда не практиковал вакуумную перегонку и даже не пробовал вакуумного самогона. Эта статья всего лишь взгляд со стороны.
Теория
При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба или 1 атмосфере) температура кипения воды – 100 °C, спирта – 78,37 °C. Физика процесса такова, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкостей. Установлено, что при снижении давления на 0,5 атмосферы (380 мм рт. ст.) температура кипения спирта понижается на 15 °C, то есть закипание происходит при 63 °C.
Вакуумная дистилляция – это процесс отделения этилового спирта из других компонентов браги при пониженном давлении в замкнутой системе, которая не имеет связи с атмосферой. Нужно отметить, что название «вакуумная» неточно передает суть процесса, поскольку создать вакуум (то есть пространство, свободное от любого вещества) в домашних условиях не получится, да и не нужно. Чтобы не вводить пользователей в заблуждение, сторонникам этого метода перегонки правильнее называть его «разряженным», «низко атмосферным» и т.д., но не «вакуумным».
Вакуумная дистилляция бывает однопроходной (брага – готовый дистиллят) и двухпроходной (брага – спирт-сырец – готовый дистиллят, это аналог второй перегонки в классической схеме). Интересно, что большинство сторонников вакуумной перегонки самогона используют однопроходной метод, считая, что для удаления вредных примесей этого достаточно. Некоторые винокуры сначала получают спирт-сырец вакуумным методом, а потом делают повторную дробную перегонку на классическом дистилляторе (при атмосферном давлении), получается комбинированная схема.
Самогонный аппарат для вакуумной дистилляции
Если сравнивать с обычным дистиллятором, то дополнительно требуются датчик давления и вакуумный насос с хотя бы простейшей автоматикой, также герметизируют все соединения и приемную емкость самогона, делая дистиллятор замкнутой системой. В большинстве конструкций датчик снимает показания с приемной емкости, к ней же подсоединен и насос.
Процесс вакуумной перегонки происходит следующим образом: винокур задает на датчике нужное давление в системе, насос выкачивает воздух из аппарата до требуемой величины, создавая разряжение. Далее брагу нагревают и перегоняют как обычно.
Для разделения дистиллята на фракции («головы», «тело» и «хвосты») используют несколько приемных емкостей, в которые пускают готовый продукт через «делитель потоков» — несколько трубок, ведущих от холодильника в разные приёмные емкости. При сборе «голов» открывают краник к первой емкости, а при сборе «тела» первую трубку перекрывают и направляют дистиллят во вторую емкость.
Если в теории всё просто, то на практике аппарат для вакуумной дистилляции существенно отличается от классического, поскольку нужно решить ряд проблем, вот только некоторые из них:
Всё это отразилось на стоимости вакуумных дистилляторов. На момент написания статьи (23.03.2020) я видел самый дешевый комплект для вакуумной перегонки по цене 29981 рублей, при этом объем его куба всего 12 литров. Более продвинутые и объемные модели стоят 60-165 тысяч рублей.
Преимущества вакуумной дистилляции самогона
Продавцы оборудования главными преимуществами вакуумной перегонки считают высокое качество и выдающиеся органолептические свойства напитка. Правда, мне не удалось найти ни одного объяснения, в котором отличия от классического варианта были бы четко и подробно описаны. Считается, что низкая температура лучше сохраняет вкус и аромат исходного сырья, поэтому дистиллят получается «свежее» традиционного «компота», сваренного ближе к 100 °C.
Однако здесь тоже всё туманно. Например, адептами метода заявлено, что вакуумная дистилляция одинаково хороша как для зерновых, так и фруктовых браг. Думаю, в случае с зерновым сырьем «свежесть» будет вредить. Например, если виски имеет нотки хлеба как раз за счет высокой температуры перегонки, то получается, что из этой же браги «свежий» низкотемпературный вакуумный самогон будет с нотками проросшего зерна. Но это всего лишь предположение…
В теории более высокое качество возможно получить за счет меньшего времени и температуры кипячения. В результате белок не денатурируется, эфиры почти не разлагаются, а тяжелых примесей в готовый продукт попадает меньше. Но теорию всегда нужно доказывать практикой, например, хроматограммой двух дистиллятов из одной и той же браги. Производители вакуумных аппаратов, продавая свои комплекты для дистилляции за космические деньги, пока не удосужились сделать сравнительно копеечную с их ценами хроматограмму, что странно…
Более высокое качество вакуумного самогона вызывает сомнения
Также преимуществом вакуумной дистилляции является экономия на энергоносителях и меньшее время перегонки в сравнении с классическим методом.
Внимание! В некоторых статьях о вакуумной дистилляции написано, что полученный напиток абсолютно безопасен и не вызывает похмелья. Это откровенная дезинформация, потому что спорить можно о степени вредности и тяжести похмелья, но никак об их отсутствии. Природа спирта такова, что он сам по себе вредит организму, даже без учета других примесей в составе.
Недостатки вакуумной дистилляции
Главный и самый очевидный недостаток вакуумной перегонки – высокая цена оборудования. Оплатить это хобби могут позволить себе единицы. И это при том, что преимущества метода пока не доказаны.
Также сложная система требует понимания процессов и предварительной подготовки винокура – в неумелых руках вакуумный самогонный аппарат может быть опасным, впрочем, как и любой другой.
Перспективы вакуумной перегонки самогона
Для меня показателем является тот факт, что за десятки лет существования этого метода ни один мощный алкогольный концерн так и не внедрил вакуумную дистилляцию в свои технологические процессы.
Да, ирландские и шотландские виски, французские коньяки и многие другие алкогольные напитки имеют строго регламентированную, неизменную технологию производства, где сделать это нереально.
Однако компаниям по силам наладить серийный выпуск виноградного бренди или солодового дистиллята в странах, где контроль осуществляется по конечному продукту (содержанию веществ в составе), а не по технологии производства. Причем выгоды очевидны: экономия на энергии и времени перегонки в сочетании с таким же уровнем качества (или даже выше) как у традиционных напитков сулит хорошую прибыль. Видимо, есть барьеры…
Из крупных компаний робкие попытки в направлении вакуумной дистилляции делает Bacardi со своей маркой джина Oxley, но это небольшие партии, как пишет сам производитель, крафтового джина, а о более-менее массовом производстве речь пока не идет.
Мой интерес к вакуумной дистилляции может возродить только появление промышленных аналогов водки, виски или бренди от именитых алкогольных концернов, а сейчас это всё больше похоже на маркетинговые уловки продавцов оборудования и хвастовство владельцев дорогих аппаратов, типа они избранные и пьют то, чего не могут позволить себе все остальные.
Вакуумная колонна
Основное назначение вакуумного блока – перегонка мазута с целью получения узких масляных фракций заданной вязкости являющихся сырьем для дальнейших процессов переработки и гудрона. Ректификацию проводят в вакуумной колонне, где температуру кипения углеводородов искусственно снижают под действием вакуума.
Рис.1 – Вакуумная колонна
Вакуумные колонны работают под остаточным давлением от 15 до 50 миллиметров ртутного столба, то есть уровень вакуума до 750 миллиметров ртутного столба и отличаются сравнительно большим диаметром корпуса от 6 до 10 метров.
Корпус вакуумной колонны укреплен снаружи кольцами жесткости имеющими двутавровое сечение. Колонна своей опорой установлена на высоком железобетонном постаменте выполненном заодно с фундаментом.
В вакуумную колонну мазут подается в виде парожидкостной смеси с температурой примерно от 390 до 415 градусов Цельсия.
Рис. 2 – Подача мазута в колонну
Перегонка осуществляется при остаточном давлении 15 миллиметров ртутного столба наверху колонны в присутствии водяного пара. Пары проходя через пакеты насадки поднимаются вверх.
В верхней части вакуумных колонн устанавливают отбойные устройства обеспечивающие эффективное отделение капель от паров. Вакуум в колонне создается эжектором.
Эжектор состоит из сопла, всасывающей камеры и диффузора. Через сопло проходит поток жидкости, который называют эжектирующим активным потоком. Этот поток движется с большой скоростью и турбулентностью. В качестве активного потока используется циркулирующая жидкость. Необходимое давление создается центробежным насосом. Приводимая в движение смесь является эжектируемой – пассивной смесью.
В результате их смешения в камере пассивная смесь принимает энергию активного потока. Пониженное давление активного потока вызывает подсос в камеру пассивного потока, который затем выносится от места всасывания энергии циркулирующей жидкости.
Рис.4 – Смешение в эжекторе жидкостей
В вакуумной колоне для сбора и вывода флегмы применены специальные тарелки с патрубками прямоугольного сечения для прохода паров полуглухие тарелки.
Компонент дизельного топлива отбирается со сборной тарелки под первой насадочной секцией насосом, прокачивается через теплообменники и аппарат воздушного охлаждения. Далее поток разделяется на два потока: первый поток с температурой от 40 до 110 градусов цельсия возвращается в колонну в качестве орошения, второй поток выводится с установки.
Первая маловязкая масляная фракция пройдя через теплообменники разделяется на два потока: первый поток с температурой от 60 до 125 градусов цельсия возвращается в колонну на орошение, второй поток выводится с установки.
Рис.5 – Первая маловязкая масляная фракция
Вторая средневязкая масляная фракция отбирается со сборной тарелки под 4-той секцией насадки в отпарную колонну стриппинг.
Стриппинг предназначен для отпарки легких фракций водяным паром с целью получения фракции необходимого качества. Сырье подается в верхнюю часть отпарной колонны снабженной массообменными контактными устройствами – тарелками, на которых происходит взаимодействие с поступающим снизу водяным парам. Сверху стриппинга выводят примеси легколетучих компонентов, которые возвращаются обратно в основную колонну. Освобожденная от примеси легколетучих компонентов жидкость – основной продукт выводится снизу колонны поступает к насосу, прокачивается через теплообменники, аппарат воздушного охлаждения и выводится с установки.
Третья вязкая масляная фракция отбирается со сборной тарелки под пятой секцией насадки во вторую секцию отпарной колонны. Процесс отпарки аналогичен предыдущему.
Четвертая фракция высоковязкая отбирается со сборной тарелки под 6 секцией насадки. Она объединяется в один поток с 3 масляной фракцией после чего выводится с установки.
Рис.6 – Четвертая фракция
В кубе вакуумной колонны собирается самая тяжелая фракция гудрон. Гудрон из куба колонны отбирается насосом пройдя через теплообменники часть потока в качестве охлаждающей жидкости квенча возвращается обратно в куб колонны. Оставшаяся часть гудрона прокачивается через водяной холодильник и выводится с установки.