Номер 4, страница 57 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. §12. Дистилляция, или перегонка. Глава IV. Физические явления в химии - номер 4, страница 57.

4. Как устроена ректификационная колонна нефтеперерабатывающего завода?

Ректификационная колонна является центральным аппаратом на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ), предназначенным для разделения сырой нефти на фракции (компоненты) с различными диапазонами температур кипения. Этот процесс называется ректификацией или фракционной перегонкой.

Принцип действия

Работа ректификационной колонны основана на том, что различные углеводороды, входящие в состав нефти, имеют разные температуры кипения. При нагревании нефти сначала испаряются более легкие компоненты (с низкой температурой кипения), а затем — более тяжелые (с высокой температурой кипения). В колонне создается температурный градиент: самая высокая температура внизу и самая низкая — вверху. Поднимающиеся пары постепенно охлаждаются, и компоненты конденсируются на разных уровнях (тарелках) в соответствии со своими температурами кипения, что и позволяет их разделить.

Конструкция ректификационной колонны

Ректификационная колонна представляет собой высокий вертикальный цилиндрический аппарат, высота которого может достигать 60 метров. Основные элементы конструкции:

• Корпус колонны: Стальной цилиндр, внутри которого происходит процесс разделения.
• Внутренние контактные устройства: Элементы, необходимые для обеспечения максимального контакта между поднимающимися парами и стекающей жидкостью (флегмой). Это ключевая часть для эффективности разделения. Существует два основных типа:
  • Тарелки: Горизонтальные перфорированные диски, установленные друг над другом по всей высоте колонны. На тарелках задерживается слой жидкости, через который проходят (барботируют) пары. Наиболее распространены колпачковые, клапанные и ситчатые тарелки.
  • Насадка: Специальные элементы различной формы (кольца, спирали и т.д.), которыми заполняется объем колонны для создания большой поверхности контакта фаз.
• Кубовая часть (низ колонны): Самая горячая часть, куда подается нагретая нефть и где скапливается самый тяжелый продукт — мазут (кубовый остаток).
• Верхняя часть колонны: Самая холодная часть, откуда выходят самые легкие пары.
• Вспомогательное оборудование:
  • Трубчатая печь: В ней сырая нефть нагревается до температуры 350-370°C перед подачей в колонну.
  • Конденсатор-дефлегматор: Теплообменник наверху колонны, предназначенный для охлаждения и конденсации выходящих паров.
  • Емкость для флегмы: Сборник для сконденсированной жидкости (дистиллята). Часть этой жидкости (флегма) возвращается на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения для улучшения процесса разделения, а остальная часть отводится как готовый продукт.
  • Штуцеры: Патрубки для ввода сырья и вывода продуктов с разных уровней колонны.

Процесс разделения нефти (ректификация)

1. Нагрев сырья: Подготовленная сырая нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры, превращаясь в парожидкостную смесь.
2. Подача в колонну: Горячая смесь подается в нижнюю часть колонны (так называемую зону питания или испарительную секцию). При этом происходит резкое снижение давления, что вызывает дополнительное испарение легких фракций.
3. Разделение фаз: Жидкая фаза (наиболее тяжелые углеводороды) стекает в кубовую часть колонны, образуя мазут. Паровая фаза, состоящая из более легких углеводородов, начинает подниматься вверх.
4. Подъем паров и конденсация: Поднимаясь по колонне, пары проходят через тарелки или насадку и постепенно охлаждаются. При достижении определенной высоты (и температуры) пары углеводородов с более высокой температурой кипения конденсируются на тарелках, образуя жидкость.
5. Сток флегмы и тепломассообмен: Сконденсированная жидкость (флегма) стекает вниз, с тарелки на тарелку, навстречу поднимающемуся потоку горячих паров. При их контакте происходит тепло- и массообмен: из горячего пара в жидкость переходят более тяжелые компоненты, а из жидкости в пар испаряются более легкие. Этот многократный процесс испарения и конденсации позволяет добиться четкого разделения.
6. Отбор фракций: На разных уровнях колонны, где скапливаются жидкости определенного состава, установлены отводы для продуктов. Сверху вниз отбираются:
   • Бензиновые фракции (самые легкие, выходят в виде паров с верха колонны и конденсируются).
   • Керосиновые фракции.
   • Дизельные фракции (газойль).
   • Мазут (кубовый остаток, отводится снизу).

Таким образом, ректификационная колонна за один непрерывный процесс позволяет разделить сложную смесь, какой является нефть, на ряд ценных нефтепродуктов.

Ответ: Ректификационная колонна на НПЗ представляет собой высокий вертикальный цилиндрический аппарат с внутренними тарелками или насадкой, предназначенный для разделения нагретой нефти на фракции. Разделение происходит за счет многократного испарения и конденсации компонентов смеси при их движении в противотоке: пар поднимается вверх, а жидкость (флегма) стекает вниз. В результате вдоль высоты колонны устанавливается градиент температур, что позволяет отбирать на разных уровнях различные нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут), отличающиеся температурами кипения.