Wprowadzenie
Kolumny Destylacyjne wykorzystują proces ogrzewania i chłodzenia do rozdzielania dwóch (lub więcej) zmieszanych składników (cieczy i/lub gazów) na ich odpowiednie oddzielne lub pierwotne stany. W uproszczeniu, proces ten polega na podgrzewaniu zmieszanych składników cieczy do temperatury pomiędzy ich odpowiednimi temperaturami wrzenia, co pozwala na odparowanie cieczy o niższej temperaturze w celu ich rozdzielenia przez parowanie.
Kolumny Destylacyjne Rafinerii
Historia
Proces destylacji jest jednym z najstarszych i najczęściej stosowanych metod rozdzielania i oczyszczania. Jego historyczne korzenie sięgają Rzymian, Arabów, Chińczyków, Hindusów i Babilończyków z Mezopotamii ponad 5000 lat temu, gdzie dowody destylacji perfum i alkoholu zostały zapisane na tabliczkach akadyjskich (około 1200 p.n.e.), przez okres średniowiecza, aż do XIX wieku Rewolucji Przemysłowej, kiedy to rozwinięto bardziej współczesne zastosowania.
Destylarnia Whisky
Kolumna Destylacyjna Ciągła
Istnieje wiele typów projektów kolumn destylacyjnych, takich jak kolumna ‘wsadowa’ lub kolumna ‘ciągła’. Podstawowa kolumna wsadowa to taka, w której wsad wejściowy (składnik ciecz/gaz) jest destylowany w całości, a następnie kolejna partia wsadu jest dodawana do kolumny i przetwarzana po kolei. Kolumna ciągła ma stały strumień wejściowy i wyjściowy, co umożliwia znacznie większą przepustowość, a proces nie zatrzymuje się, chyba że wymagane jest utrzymanie lub naprawa.
Oba typy kolumn mają specyficzne zastosowanie związane z rozdzielaniem dwóch lub więcej składników ciecz/gaz, a oba zawierają różne poziomy złożoności i powiązane urządzenia, aby ułatwić ogólny proces destylacji.
Jakie są główne części kolumny destylacyjnej?
Typowa Kolumna Destylacyjna Ciągła ma kilka komponentów, które ułatwiają ogólny proces. Te cztery główne komponenty to:
- Kolumna (zawierająca sekcje wzbogacania i strippingu), gdzie zachodzi rozdział faz ciecz/gaz.
- Reboiler (wymiennik ciepła), który dostarcza energię cieplną do częściowego odparowania wsadu kolumny (cieczy) w celu przeprowadzenia procesu rozdzielania (destylacji). Wsad wejściowy przepływa do środka kolumny i w dół przez sekcję strippingu do podstawy, zanim wejdzie do reboilera, gdzie ciecz wsadowa jest podgrzewana w celu wytworzenia pary wsadowej (przez parowanie). Ta para wsadowa przemieszcza się w górę przez kolumnę przez konwekcję, aby kontynuować proces rozdzielania składników wsadowych.
- Kondensator, który chłodzi i kondensuje rozdzieloną i wzbogaconą parę wsadową na szczycie kolumny, zanim wejdzie do bębna zwrotnego.
- Bęben zwrotny, który zbiera skondensowaną parę wsadową (jako ciecz) i dzieli ją na dwa strumienie: 1. wyjście procesu destylacji (destylat), i 2. recyrkulowaną ciecz bębna zwrotnego (reflux), która jest wprowadzana z powrotem na szczyt kolumny, aby dalej wzbogacać i oczyszczać destylat.
Główne Komponenty Ogólnej Kolumny Destylacyjnej
Aby uczynić ten proces bardziej wydajnym, kolumna destylacyjna zazwyczaj ma wewnątrz serię ułożonych płyt lub tac. Te płyty mają okrągłe perforacje i/lub faliste metalowe wypełnienia, aby poprawić powierzchnię kontaktu ciecz/para, a tym samym efektywność procesu parowania cieczy wsadowej. Tego typu kolumna nazywana jest kolumną destylacyjną frakcjonującą i wspiera usuwanie/rozdzielanie kilku składników (cieczy lub gazu) na różnych poziomach w kolumnie.
Kolumna Destylacyjna Frakcjonująca
Podstawowa Operacja Kolumny Destylacyjnej i Terminologia
Składniki wsadowe, które mają być przetwarzane w kolumnie destylacyjnej, są wprowadzane blisko lub na środku kolumny, na centralną tacę/płytę znaną jako taca wsadowa (płyta).
Schemat Przepływu Procesu Kolumny Destylacyjnej
Ta centralna taca wsadowa dzieli kolumnę na górną (wzbogacającą) sekcję i dolną (strippingową) sekcję. Ciecz wsadowa przepływa do kolumny i przez tacę/płytę, a następnie w dół przez kolumnę (grawitacyjnie) do następnej tacy/płyty przez jej przewód zrzutowy, gdzie wzbogacona ciecz wsadowa ‘składnik parowy’ jest usuwana przez proces destylacji, gdy unosi się przez ciecz wsadową. Pozostała ciecz wsadowa opada w dół kolumny i zbiera się u podstawy kolumny, a następnie przepływa z powrotem do reboilera, który odparowuje lżejszy składnik do składnika parowego cieczy wsadowej. Ta para kontynuuje proces destylacji, unosząc się na szczyt kolumny, przez płyty kolumny, gdzie styka się z cieczą wsadową, usuwając lżejszy składnik (parę) i stając się bardziej wzbogacona w miarę tego procesu. U podstawy kolumny ‘ciężki’ (nie odparowany) produkt cieczy wsadowej jest usuwany z kolumny jako składnik ‘denny’.
Ścieżki Przepływu Cieczy i Pary w Kolumnie Destylacyjnej
Podgrzana para wsadowa, przepływająca z powrotem do podstawy kolumny z reboilera, jest wzbogacana, gdy unosi się przez kolumnę i ‘kontaktuje się’ z opadającą cieczą wsadową, zanim opuści kolumnę na szczycie, wchodząc do chłodzącego kondensatora. Ta skondensowana ciecz następnie wchodzi do zbiornika znanego jako bęben zwrotny.
Kolumna Destylacyjna i Bęben Zwrotny
Część tej cieczy bębna zwrotnego, tj. współczynnik zwrotu, jest recyrkulowana z powrotem na szczyt kolumny, dalej wzbogacając i oczyszczając ją przez kontakt ze składnikiem parowym wsadowym, który unosi się przez płyty kolumny. W końcu, skondensowany składnik parowy wsadowy, który jest teraz schłodzony do postaci cieczy przez system kondensatora i bębna zwrotnego, jest wyjściem kolumny (destylat), który jest odzyskiwany przez cały proces destylacji.
Profil Operacyjny Kolumny Destylacyjnej
Istnieją pewne parametry operacyjne i trendy, które są wspólne dla procesu kolumny destylacyjnej, a zrozumienie tych aspektów pomoże w uzyskaniu ogólnego zrozumienia procesu. W uproszczeniu, projekt kolumny (średnica i wysokość, liczba tac/płyt, wypełnienia itp.) oraz parametry operacyjne (temperatura, ciśnienie, etap wejściowy cieczy wsadowej itp.) są optymalizowane przez projektantów, aby osiągnąć ogólną wewnętrzną równowagę ciecz-par (równowagę), opartą na lotności (temperaturach wrzenia) składników cieczy wsadowej. Profil Operacyjny Kolumny Destylacyjnej.
Temperatura i Ciśnienie
Ogólny profil temperaturowy w kolumnie jest taki, że jest cieplej na szczycie i chłodniej u podstawy. Na przykład, w prostym procesie, który ma ciecz wsadową z dwoma składnikami, temperatura u podstawy kolumny jest nieco chłodniejsza niż temperatura wrzenia cięższego składnika wsadowego, a temperatura na szczycie jest nieco wyższa niż temperatura wrzenia lżejszego składnika, ponieważ pożądane jest stworzenie środowiska dla równowagi ciecz-par w kolumnie. U podstawy kolumny wymagamy, aby ciężki składnik wsadowy pozostał jako ciecz, a lżejszy składnik pozostał jako gaz, dopóki nie dotrze na szczyt kolumny, zanim wejdzie do kondensatora i bębna zwrotnego. Aby kontrolować te temperatury, temperatura wymiennika ciepła reboilera jest dostosowywana do kontrolowania temperatury ciężkiego składnika wsadowego u podstawy; przepływ zwrotny bębna zwrotnego (przepływ z powrotem na szczyt kolumny) jest używany do kontrolowania temperatury lżejszych składników na szczycie kolumny.
Ogólny gradient ciśnienia kolumny jest ‘wyższy’ u podstawy i ‘niższy’ na szczycie. Ten gradient jest determinowany przez ciecz etapu wsadowego (wejściowego) opadającą przez płyty kolumny i utrudniającą unoszenie się pary przez ciecz wsadową.
Ogólnie rzecz biorąc, dla stabilnego procesu destylacji gradient ciśnienia kolumny jest utrzymywany tak stały, jak to możliwe, używając temperatury reboilera i przepływu bębna zwrotnego do kontrolowania składu strumieni lekkich i ciężkich składników.