Linas Technology - Distillation of 21 century
Технология ЛИНАС - ректификация ХХI века

English
version

Анализ современной промышленной ректификации и ректификационная технология Линас

Введение

     Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. Причем наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля составляет около 90 %.
      Объясняется это достаточной универсальностью процессов ректификации или дистилляции и способностью перерабатывать огромные массовые потоки веществ. Достаточно вспомнить процессы нефтепереработки.
      Однако современные дистилляционные процессы отличаются огромным потреблением энергии, затрачиваемой на испарение и охлаждение смеси веществ и разделяемых продуктов. Очень часто расходы энергии на дистилляцию составляют более 50 % потребления энергии от всего производства. Кроме того, современные дистилляционные колонны отличаются огромными размерами. Часто высота ректификационных колонн достигает 30-50 и более метров и, по сути, они определяют внешний вид многих современных химических и нефтехимических предприятий.
      Современная промышленная ректификация сложилась около 40-50 лет назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений. Усилия тысяч инженеров и ученых были направлены на достаточно мелкие улучшения промышленных процессов дистилляции, но сами основы существующего дистилляционного процесса до сих пор остались без изменений.

     Небольшая группа высококвалифицированных специалистов, объединенных в компании Линас-Техно, в конце 90-х годов 20 века предприняла попытку разработать новую промышленную ректификационную технологию. Не смотря на кажущий авантюризм этого мероприятия, им удалось разработать принципиально новую высокоэффективную промышленную ректификационную технологию. В настоящий момент уже устоялось название этой технологии как ректификационная технология Линас или просто Технология Линас.
      Технология Линас позволяет резко снизить высоту ректификационных колонн в 3-10 раз и уменьшить содержание разделяемых веществ в объеме колонн в 50-100 раз. Только это перечисление преимуществ технологии Линас говорит о перевороте в промышленной дистилляции.

     Совершенно очевидно, что технология Линас является революционным переходом промышленной ректификации на новый уровень. Напрашивается аналогия с электронной промышленностью при переходе от ламповых устройств на транзисторы. Однако этот переход в промышленной дистилляции не может быть быстрым в силу особенностей процессов разделения и огромных финансовых затрат на строительство новых производств.
     Тем не менее, технология Линас постепенно вытеснит традиционную технологию, и это объясняется тем, что технология Линас лучше и дешевле традиционных ректификационных технологий.

1. Физические основы дистилляции

     В основе ректификации лежит возможность разделения веществ путем превращения их из жидкости в пар (испарение) и обратно (конденсация). Это происходит благодаря тому, что каждое вещество имеет свое, отличное от других, давление насыщенных паров. Давление насыщенных паров вещества определяет его температуру кипения, содержание в смеси паров с другими веществами, иными словами - степень его летучести.
     На Fig.1 показан простейший случай разделения веществ - однократное испарение.

     При кипении смеси двух веществ 'A' и 'B' в паровой фазе будет преобладать вещество 'A' с более высоким давлением насыщенных паров, то есть более летучее, с меньшей температурой кипения. И чем больше летучего вещества 'A' в исходной смеси, тем больше будет его содержание в парах. Если мы теперь сконденсируем паровую смесь в холодильнике, то полученная жидкость будет содержать больше летучего вещества 'A', чем было его в первоначальной смеси. Этот метод очистки веществ широко применяется на практике. Для этого используют простейшие перегонные устройства, называемые перегонным кубом (смотри Fig.1). Процесс перегонки в кубах ведется периодически.

     Этот способ имеет большой недостаток. Он заключается в следующем. Максимальная разность концентраций в жидкости и парах существует в перегонном кубе только в первый момент кипения. По мере отбора из куба дистиллята, содержание летучего компонента в исходной смеси снижается. Соответственно, снижается его концентрация в парах и получаемом дистилляте. Поэтому из куба мы можем отогнать лишь небольшую долю высоко обогащенного дистиллята.
     Однако перегонка в кубе не позволяет достигать высокой степени очистки веществ и по другой, более важной причине. Чтобы понять это, обратимся к Fig.2.

     Каждой концентрации летучего компонента в смеси веществ соответствует определенная концентрация этого вещества в парах. Как упоминалось выше, для летучего компонента она всегда выше, чем в исходной смеси. Если построить график зависимости концентрации летучего компонента в парах (обозначим ее через 'Y') от концентрации этого компонента в исходной жидкости (обозначим ее через 'X'), то получим некую выгнутую кривую.
     Допустим, мы испаряем смесь с летучим компонентом с концентрацией 'X1'. В парах этой смеси летучий компонент будет содержаться с более высокой концентрацией 'Y1'. На графике Fig.2 этот процесс испарения показан вертикальными стрелками. Если мы сконденсируем получившиеся пары (процесс показан горизонтальными стрелками), то получим дистиллят с новой концентрацией летучего компонента 'X2'. Не трудно заметить, что она будет точно соответствовать концентрации компонента в парах. То есть X2=Y1.
      График наглядно иллюстрирует невозможность получения дистиллята с концентрацией летучего компонента свыше 'X2' путем однократного испарения. Например, при перегонке в кубе десяти процентной водно-спиртовой смеси невозможно получить дистиллят с содержанием этилового спирта выше 50% (объемных).
      Чтобы получить из смеси 'X1' более чистое вещество с концентрацией 'XD', необходимо произвести три последовательных цикла испарения-конденсации.
     Один такой цикл испарения-конденсации называют теоретической ступенью разделения (график действительно напоминает ступени лестницы). А метод получения чистых веществ, основанный на многократной перегонке, называют ректификацией. Ректификация применяется для получения чистых веществ из жидкой смеси путем многократного испарения и конденсации паров этой смеси.
      На Fig.3 показано, как с помощью простых перегонных кубов из смеси с концентрацией летучего компонента 'X1' можно сразу получить дистиллят с концентрацией 'XD'. Для этого кубы соединяются последовательно, чтобы дистиллят из предыдущего куба поступал на перегонку в следующий куб. В каждом кубе происходит подъем концентрации на одну теоретическую ступень.

     Для каждой смеси, в зависимости от конечной концентрации летучего компонента в дистилляте, количество ступеней может очень сильно различаться, от нескольких ступеней до многих сотен (для изотопов).
     Описанный выше способ последовательной перегонки имеет два существенных недостатка:

• большой расход тепла на каждой ступени (в каждом кубе);
• чрезвычайно низкий выход полезного продукта 'A', обусловленный невозможностью отбора из куба большой порции дистиллята, высоко обогащенного летучим компонентом; при этом количество дистиллята на каждой последующей ступени стремительно уменьшается.

2. Анализ современных методов ректификации

     С изобретением первых ректификационных колонн первая вышеуказанная проблема была решена. На Fig.4 показано устройство такой колонны. Тарелки колонны выполняют функцию последовательно соединенных перегонных кубов, в которых нагрев и испарение жидкости с последующих тарелок происходит за счет тепла, выделяющегося при конденсации паров, поступающих с предыдущей тарелки (так осуществляется процесс теплообмена). При этом жидкость каждой последующей тарелки обогащается летучим компонентом, а температура кипения смеси, соответственно, понижается и достигает в верхней части колонны температуры кипения дистиллята (так осуществляется процесс массообмена). Таким образом, в такой колонне процесса теплообмена и массообмена оказались совмещены в пространстве и во времени.

     Однако в процессе работы такой колонны происходит постепенное снижение концентрации летучего компонента по всем тарелкам, аналогично простому перегонному кубу. Это снижает выход дистиллята.
     Проблема увеличения степени выхода дистиллята в свое время была решена с помощью дефлегматора. Схема такой колонны показана на Fig.5. Дефлегматор - это конденсирующий холодильник, возвращающий часть дистиллята, называемого флегмой, обратно в колонну. Поток флегмы, богатой летучим компонентом, непрерывно возвращается от верхних тарелок к нижним. Физический смысл возврата флегмы заключается в поддержании постоянного фазового равновесия по всем тарелкам колонны в процессе всего периода работы. Именно это позволяет непрерывно отбирать с верха колонны высокообогащенный дистиллят постоянного состава.

     Высота, на которой происходит один полный цикл испарения-конденсации (акт однократного разделения), называют высотой теоретической ступени разделения. На Fig.4 она обозначена символом 'H'. Это очень важный показатель, характеризующий размеры колонны.
     Обычно расстояние между тарелками составляет приблизительно 0,4…0,5 метра. Теоретически количество тарелок колонны должно соответствовать числу теоретических ступеней разделения. Однако эффективность тарелок колонны обычно не превышает 50%. Поэтому реальная высота разделения в тарельчатой колонне примерно в 2 раза превышает теоретическую. Таким образом, цикл однократного испарения-конденсации "размазывается" по высоте колонны на две и более тарелок. Соответственно растет высота колонны.
     Следующим шагом в повышении эффективности процесса ректификации стало использование насадочных колонн. На Fig.6 показана работа такой колонны.

     Весь рабочий объем такой колонны заполнен насадкой - материалом, имеющим высокую удельную поверхность. Классическим примером насадки являются кольца Рашига. Поток флегмы стекает по поверхности насадки вниз. Пары смеси поднимаются вверх по колонне, и на смоченной поверхности насадки происходят процессы теплообмена и массообмена, то есть циклы испарения-конденсации, аналогично как в тарельчатой колонне.
     Главное отличие от тарельчатой колонны заключается в том, что эти циклы происходят не ступенчато от тарелки к тарелке, а непрерывно по всей высоте колонны. Это в сочетании с огромной площадью контакта пара и жидкости обеспечивает более интенсивное протекание процессов теплообмена и массообмена. Следствием этого является снижение реальной высоты теоретической ступени разделения. Например, для лабораторных насадочных колон малой производительности высота ступени достигает 15…20 мм.
     Высота теоретической ступени разделения для промышленных насадочных колонн большой производительности составляет уже от 0,4 м и выше. Такое различие в эффективности обусловлено большими размерами промышленных колонн. При больших сечениях насадочной колонны возникает так называемый байпас-эффект. То есть части потоков пара и жидкости перемещаются по сечению колонны раздельными потоками, не взаимодействуя друг с другом.
     Попытки выравнивания потоков с применением специальных методов их равномерного распределения и с использованием регулярных насадок несколько улучшают ситуацию. Однако это не решает проблему радикально.
     Главное противоречие насадочных колонн заключается в том, что повышение эффективности процессов тепломассообмена требует неуклонного увеличения удельной поверхности насадок. А это неизбежно приводит к росту гидравлического сопротивления колонны и к снижению ее производительности. Кстати, именно этим объясняется высокая эффективность лабораторных насадочных колонн при крайне малой производительности.

3. Пленочная дистилляция

     Проблема снижения гидравлического сопротивления колонн с непрерывным тепло- и массообменом была решена в пленочных колоннах. Эта разновидность насадочных колонн отличается высокоорганизованным режимом взаимодействия жидкости и пара.
     Фрагмент типичной пленочной колонны представлен на Fig.7. Вверх по трубке поднимается смесь паров, а по стенкам трубки в виде тонкой пленки стекает жидкая флегма. Процессы тепло- и массообмена происходят на стенках трубки, аналогично выше описанным вариантам. Оптимальный диаметр трубок пленочной колонны составляет 6…25 мм.

     Пары конденсируются на тонкой пленке жидкости. Тепло, выделяющееся при их конденсации, вызывает испарение части жидкости, которая преимущественно содержит летучие компоненты. Этот процесс повторяется многократно и непрерывно по всей высоте колонны. Исследования и теоретические расчеты, выполненные в середине 20 века, показали, что минимальная высота теоретической ступени разделения в пленочных колонных может достигать 5 мм.
     Казалось бы, рецепт идеальной колонны найден. Но вскоре выяснилось, что столь высокая эффективность пленочной колонны осуществляется только при крайне низких нагрузках по жидкости и пару. Например, скорость пара в этом случае не должна превышать 1 см/сек.
     Оказывается, что высота теоретической ступени разделения в пленочной колонне в очень большой степени зависит от скорости восходящего газового потока. Fig.8 иллюстрирует этот процесс. Скоростной поток газа "размазывает" по высоте зону диффузионного контакта пленки. Это приводит к непропорционально большому увеличению высоты теоретической ступени разделения.

     Помимо выше сказанного есть еще один аспект процесса ректификации, который не позволяет приблизиться к идеальным условиям процесса. Дело заключается в том, что обычно при расчетах и конструировании колонн не принимается во внимание тепловой микробаланс процессов, протекающих на поверхностях тепло- и массообмена. Их анализ показывает, что теплообмен и массообмен в каждой конкретной точке колонны, как правило, рассогласованы между собой, снижая общую эффективность процесса ректификации. Причина состоит в различии теплофизических свойств летучих и малолетучих компонентов смеси.
     На Fig.9 показан один из примеров такого рассогласования. Для нормальных условий процесса необходимо строго дозированное количество тепла, необходимого для испарения части жидкости на следующую ступень разделения. Теперь предположим, что летучий компонент имеет, например, более высокую теплоту испарения, чем малолетучий компонент.

     При этом в точке конденсации выделится тепла больше, чем необходимо. Избыток тепла вызовет испарение лишнего количества малолетучего компонента, который также перейдет на следующую ступень. Результатом этого является увеличение высоты циклов испарения-конденсации, то есть рост фактической высоты теоретической ступени испарения.

На Fig.10 показан обратный случай, когда тепла конденсации недостаточно для испарения необходимого количества летучего компонента из смеси. При этом излишняя часть летучего компонента уходит вниз с потоком флегмы. Результатом этого является неполнота циклов испарения-конденсации, сокращение их высоты и рост количества этих циклов относительно теоретически необходимого количества ступеней разделения. Следствием этого также является общий рост фактической высоты теоретической ступени испарения.

Общие недостатки всех типов современных ректификационных колонн

     Приведенный выше анализ современной дистилляции показывает несколько принципиально нелогичных моментов ее организации.
     Начнем наш анализ с организации тепло- и масса обмена.
     Очевидно, что основой дистилляции являются два процесса, теплообмен и массообмен между двумя или несколькими веществами.
     В современной промышленной колонне основное и на самом деле главное внимание уделено процессу массообмена. Все усилия технологов и инженеров направлены на улучшения массообмена между веществами. Создаются сложные и дорогостоящие насадки и тарелки самой сложной формы. При этом обмену теплом между веществами не уделяется должного внимания.
     С нашей точки зрения основная проблема состоит в отсутствии контроля над энергией конденсации веществ. Более того, контроль над энергией испарения и конденсации является первичным процессом, и он позволяет управлять массообменном.
     Рассмотрим простейший случай дистилляции воды и спирта. После испарения обоих веществ, происходит их конденсация на поверхности насадки или тарелки. При этом выделяется большое количество тепла конденсации. Современная дистилляция практически не уделяет внимания теплу конденсации и не оперирует им. Это приводит к тому, что некоторая часть сконденсировавшей воды может вновь испарится и подняться выше по колонне. В идеале после протекания первого акта испарения и конденсации вся вода должна быть выведена в низ колонны, а весь спирт должен испариться вновь и быть удаленным в виде паров вверху колонны. Это означает, что всю энергию конденсации воды необходимо вывести из объема дистилляции. Однако в современной колонне нет устройства или технологии, которая бы контролировала этот процесс. Таким образом, энергия конденсации не контролируется и не управляется, и это приводит к снижению эффективности разделения, увеличению высоты колонн и затрат энергии. Необходимо организовать в колонне некое устройство, которое бы контролировало и перераспределяло энергию конденсации разделяемых веществ. Введение такого механизма привело бы к резкому снижению высоты колонны и эффективности разделения.
     Вторым слабым местом современной дистилляции является организация процесса флегмообразования и распределение флегмы по высоте колонны.
     В качестве флегмы обычно используется чистый дистиллят. Флегму, как правило, вводят через специальное распределительное устройство в самый верх колонны.
     Самый простой анализ процессов массообмена в колонне показывают, что не требуется огромный избыток чистого дистиллята на верху колонны. Более того, флегма вверху колонны вообще не нужна. Количество и состав флегмы должны быть различными по высоте колонны. В нижней части колонны требуется большее количество флегмы с более высоким содержанием высококипящего компонента. С увеличением высоты колонны содержание высококипящего компонента в флегме должно уменьшаться и количество флегмы тоже должно уменьшаться.
     Так можно эффективно использовать флегму.
     Современная же промышленная дистилляция использует практически противоположный вариант флегмораспределения. Это приводит к резкому увеличению затрат энергии и увеличению высоты колонн.
     Таким образом, с нашей точки зрения основными недостатками современной промышленной ректификации являются следующие:

1. При проектировании современных ректификационных колонн не уделяется должного внимания микро балансу тепло- и массообменных процессов на поверхностях тепло и массообмена.
2. Тщательный анализ показывает, что тепло и массообменные процессы в каждой точке пространства колонн не коррелируют друг с другом как из-за различий в физических свойствах высоко и низкокипящих соединений, так и из-за отсутствия механизма контроля и управления этим процессом.
3. Традиционная организация процесса флегмообразования не соответствует реальному распределению высоко и низкокипящих компонентов по высоте ректификационной колонны.

     Основным недостатком известных процессов дистилляции является неспособность организовать качественный массо- и теплоперенос в нужном месте и в нужное время.

4. Основы технологии Линас

     Технология Линас включает в себя целый комплекс know-how. Поэтому мы даем только общий подход к принципам технологии Линас, позволяющим понять каким образом удается достичь резкого улучшения эффективности ректификации. По понятным коммерческим причинам более детальное описание технологии Линас не может быть дано в ближайшее время. Разработчики технологии Линас ответственно заявляют, что все основные принципы технологии Линас проверены на промышленном уровне и во время реальной работы промышленные колонны Линас показали заявленные результаты.

     Технология ЛИНАС устраняет выше перечисленные недостатки. Эта технология базируется на пленочных колоннах. Сутью технологии является метод термостабилизации массообменных поверхностей трубок.
     На Fig.11 в упрощенном виде показана идея новой колонны. В колонну поступает смесь паров летучего компонента 'A' и малолетучего компонента 'B'. Температура кипения летучего компонента ниже, чем у малолетучего. Стенки массообменной трубки нагреты до температуры, которая выше температуры кипения (конденсации) летучего компонента, но ниже температуры кипения (конденсации) малолетучего компонента. Причем температура нагрева стенки трубки всегда поддерживается постоянной.

     В колонне ЛИНАС происходит непрерывный тепло- и массообмен, аналогично насадочной и пленочной колонне. Причем стенка трубки одновременно является горячей для летучего компонента и холодной для малолетучего компонента. При этом на стенке трубки создаются такие условия, которые на каждой ступени испарения-конденсации способствуют преимущественному испарению летучего компонента и преимущественной конденсации малолетучего компонента.

     Чтобы оценить преимущества такого подхода, необходимо указать на основные проблемы, возникающие при работе традиционной пленочной колонны:

1. Влияние гидродинамических характеристик потока паров на режим течения пленки и на параметры тепло- и массообмена.
2. Взаимное ослабление процессов теплообмена и массообмена.
3. Неоптимальное количественное и пространственное распределение флегмы по колонне.

     Следует отметить, что эти проблемы характерны и для других видов колонн.

     На Fig.12 показаны две обобщенные величины, характеризующие интенсивность тепло- и массообмена в колонне (это не векторы скорости!).

     Вертикальная составляющая интенсивности процесса 'V1' в основном определяется гидродинамикой потоков и количеством теоретических ступеней разделения. Горизонтальная составляющая 'V2' складывается из интенсивности массообмена и скорости теплообмена между паром и пленкой жидкости. В совокупности они определяют общую интенсивность процесса ректификации.
     Степень нашего влияния на вертикальную составляющую частично ограничена, так как она определяется экономикой процесса (производительностью, стоимостью колонны, степенью очистки веществ на колонне и т.п.). Исключение составляют вертикальное распределение теплообмена по колонне и поток флегмы, оказывающий существенное влияние на работу колонны. О рассогласованности процессов теплообмена и массообмена уже упоминалось в комментариях к Fig.9, 10. Вопроса о распределении флегмы коснемся чуть позже.
     Используя принцип термостабильной стенки, мы можем существенно повлиять на горизонтальную составляющую процесса. В первую очередь это влияние сказывается на интенсивности теплообмена, как в горизонтальной составляющей, так и на правильности его распределения по высоте колонны. Через эти процессы опосредованно мы влияем и на процесс массообмена. Хотя в значительной степени он определяется геометрией колонны и диффузионными свойствами веществ и их потоков.
     Как показано на Fig.13, увеличение горизонтальной составляющей процесса даже при сохранении неизменной вертикальной составляющей дает общее увеличение интенсивности процесса ректификации.

     Следует отдельно упомянуть о третьей проблеме традиционных колонн, связанной с вопросом о распределения флегмы по колонне. Подобно вопросу о рассогласовании теплообмена, ему в настоящее время также уделяется мало внимания.
     На Fig.14 показана работа традиционной колонны с подачей флегмы в верхнюю часть колонну. Такая колонна имеет прямоугольный профиль распределения потоков. То есть по всей высоте колонны, в каждом ее сечении количество потоков пара и жидкости постоянно. С точки зрения общего баланса традиционной колонны это оправдано. Чтобы на верху колонны получить паровой поток чистого вещества 'A', мы вынуждены задавать такой большой поток жидкой флегмы 'F', который обеспечивает фазовое равновесие по всей высоте колонны. Но расплатой за это является неоправданно большая перегрузка колонны в ее верхних частях.

     На Fig.15 показано распределение потоков пара 'A' и жидкости 'F' в колонне с термостабилизацией стенки. То есть в такой колонне флегма образуется в необходимом для поддержания фазового равновесия количестве непосредственно в каждом ее сечении. При этом отпадает необходимость в возврате и регулировании флегмы в голову колонны. Также из сравнения распределения потоков в колоннах на Fig.14 и Fig.15 очевиден энергетический выигрыш последнего варианта.

     В этом варианте затраты энергии на создание и поддержание потока флегмы ниже, чем в традиционном варианте с верхним орошением.

    Количество и состав флегмы в колонне Линас постоянно меняется по высоте колонны и прямо зависит от состава исходной смеси и физических свойств разделяемых компонентов.  Таким образом, реализуется высокоэффективная схема внутреннего флегмообразования и распределения флегмы.

     В промышленных реалиях это приводит к достаточно непривычной, но простой технологической схеме, изображенной ниже. В этой схеме отсутствует привычный возврат флегмы в голову колонны.

     На практике степень влияния термостабилизации стенки на интенсивность процессов теплообмена и массообмена в колонне настолько значительна, что это дает возможность существенного форсирования работы пленочной колонны. Различие традиционной пленочной колонны и колонны ЛИНАС можно проиллюстрировать сравнением Fig.7 и Fig.16. Степень форсирования пленочной колонны в режиме термостабилизации позволяет приблизиться к рабочим нагрузкам, ранее характерным лишь для промышленных насадочных колонн. При этом сохраняются ее главные достоинства - низкие значений высоты теоретической ступени разделения и низкое гидравлическое сопротивление.

     Итак, главная идея новой технологии заключается в реализации идеальных условий для процессов теплообмена и массообмена в колонне. Особо следует обратить внимание на то, что для реализации ноу-хау, которые обеспечивают эти условия, не требуются высоких затрат и применение уникальных и/или дорогостоящих материалов.
     При этом обеспечивается высокая степень эффективности колонны при значительно меньших габаритах, относительно традиционно применяемых тарельчатых и насадочных колонн.
     Таким образом, в технологии Линас впервые в мировой практике на промышленном уровне реализованы два основных фундаментальных принципа идеальной ректификации:

1. Согласование процессов теплообмена и массообмена с ведущей ролью теплообмена.
2. Реализация процесса внутреннего флегмообразования с образованием определенного количества флегмы определенного состава в каждой элементе ректификационного объема.

     Конструктивно колонна Линас представляет аппарат сходный с вертикально расположенным кожухотрубным теплообменником. Пары разделяемой смеси поднимаются вверх по трубкам, флегма стекает по стенкам трубок вниз. В межтрубном пространстве находится устройство, регулирующее процесс массообмена внутри трубок. Схематично это показано на Fig.17.

      Таким образом, ректификационная колонна Линас представляет собой пленочную колонну с внутренним флегмообразованием. На fig.18 показано относительное распределение флегмы (ее количества) по высоте такой колонны, а также относительное распределение летучих компонентов А и малолетучих компонентов В.

      Более подробно с теоретическими основами технологии Линас можно ознакомиться в статье Сайфутдинова А.Ф. "Теоретические основы работы колонны с внутренним флегмообразованием. Сравнительный анализ внешнего и внутреннего флегмообразования".

вверх^