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

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

Условие.

4. Как устроена ректификационная колонна нефтеперерабатывающего завода?

Решение.

Решение 2.

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.