КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ БАРБОТАЖНЫХ КОЛОНН (ТАРЕЛОК)

При количественном расчёте работы ректификационных колонн используется понятие теоретическая тарелка (гипотетическое контактное устройство, в котором устанавливается термодинамическое равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, то есть концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэффициентом распределения). Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок, входные и выходные потоки которой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Исходя из этого, определяют КПД. колонны как отношение числа теоретических тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретических тарелок, которым он эквивалентен по своему разделительному действию.

Используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.

1. Ситчатые тарелки.

Применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции. Массо - и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия, ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8--8,0 мм.

Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками (Рисунок 3.), в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. ситчатые тарелки устойчиво работают довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Рисунок 3.

2. Колпачковые тарелки.

Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью (Рисунок 4). Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования уровня жидкости на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. Достоинством колпачковых тарелок является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации.

При барботаже пара через жидкость различают три режима барботажа:

Ш Пузырьковый режим (пар пробулькивается в виде отдельных пузырьков, образующих цепочку около стенки колпачка);
Ш Струйный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в непрерывную струйку);
Ш Факельный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела).

Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.

Пар, образовавшийся в испарителе колонны, поступает на первую тарелку и проходит через паровые патрубки колпачков. Колпачки погружены на некоторый уровень в жидкую фазу. В результате этого паровая фаза проходит через прорези колпачков и барботирует в виде пузырьков в жидкой фазе, обеспечивая тем самым поверхность контакта между паровой и жидкой фазами и протекание на этой поверхности тепло- массообменных процессов. Поскольку пар имеет более высокую температуру чем жидкость, то при взаимодействии с жидкой фазой пар охлаждается и из него частично конденсируется легколетучий компонент, который присоединяется к жидкой фазе. Таким образом, она обогащается труднолетучим, а в паре повышается содержание легколетучего компонента.

Рисунок 4.

3. Клапанные тарелки.

Занимают среднее положение между колпачковыми и ситчатыми. Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем (Рисунок 5). Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12-20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Принцип действия клапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.

Рисунок 5. а, б - с круглыми колпачками; в, с пластинчатым клапаном; г - балластная; 1 - клапан; 2 - кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.

При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна ограничителя и обычно не превышает 8 мм.

Достоинства клапанных тарелок : сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.

4. Каскадные тарелки Вентури

Собирают из отдельных листов, выгнутых так, чтобы направление потока пара было горизонтальным. Каналы для прохода пара имеют профиль сечения трубы Вентури, что способствует максимальному использованию энергии пара и снижению гидравлического сопротивления. Потоки пара и жидкости направлены в одну сторону, что обеспечивает хорошее перемешивание и контакт фаз. По сравнению с колпачковыми тарелками скорость пара может быть увеличена более чем вдвое. Конструкция гибкая, не допускает провала жидкости и снижения за счет этого эффективности. Небольшая удерживающая способность (30-40% по сравнению с колпачковой тарелкой) является ценным качеством при переработке чувствительных к нагреву жидкостей. Расстояние между тарелками выбирается в пределах 450-900 мм. Каскадные тарелки успешно применяются в установках, где необходимо обеспечить высокие скорости пара и жидкости.

5. Решетчатые тарелки

Изготавливают из штампованных листов с прямоугольными прорезами или набираются из полос. Необходимость опорной конструкции определяется толщиной металла и диаметром колонны. Расстояние между тарелками обычно 300-450 мм. Лучшая работоспособность, по сравнению с колпачковыми тарелками, при максимальных нагрузках.

6. Волнистые тарелки

Изготовляются штамповкой из перфорированных листов толщиной 2,5-3 мм в виде синусоидных волн. Жесткость конструкции позволяет использовать тонкий металл. Направление волн на соседних тарелках перпендикулярное. Глубина волн выбирается в зависимости от перерабатываемой жидкости. За счет большой турбулизации жидкости эффективность волнистой тарелки выше. А опасность засорения меньше, чем для плоской тарелки. Размеры волн увеличиваются с увеличением расчетной нагрузки по жидкости. Отношение высоты волны к ее длине выбирается в пределах от 0,2-0,4. Тарелки в колонне располагаются на расстоянии 400-600 мм друг от друга.

НАСАДОЧНЫЕ КОЛОННЫ

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз (Рисунок 6).

Нерегулярная насадка. Нерегулярную насадку применяют в процессах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого вакуума. Эта насадка обладает рядом преимуществ, одно из которых состоит в практическом отсутствии проблемы выбора материала. Насадку можно изготовить из металлов, полимеров, керамики.

Кусковая насадка. В качестве кусковой насадки применяют дробленные горные породы (кварц, андезит, кокс). Размеры кусковой насадки - 25-100 мм при беспорядочной засыпке. Достоинством насадки являются: дешевизна, химическая стойкость. Недостатком: малая удельная поверхность, малый свободный объем.

Кольцевая насадка . Наиболее распространенный тип кольцевой насадки - кольца Рашига. Изготавливаются из керамики, фарфора, пластмассы, металлов, углеграфитовых масс. Диаметр колец 25-150 мм. Кольца диаметром до 50 мм загружаются навалом. При больших диаметрах кольца укладываются рядами.

Существуют и другие кольцевые насадки: кольца с простой и крестообразной перегородкой, с прободенными стенками и т. д.

Насадка Рашига имеет небольшую стоимость, но малоэффективна. Для повышения эффективности массообмена кольцевую насадку изготовляют перфорированной и с внутренними перегородками - кольца Палля и их модификации. К кольцевой насадке с перфорированной цилиндрической частью и внутренними перегородками относится насадка «Каскад-мини-ринг».

Седлообразная насадка. Имеет большую удельную поверхность (на 25 % больше, чем кольцевая) и большой свободный объем. Такую насадку выпускают, главным образом, в виде седел «Инталокс» и седел Берля из керамики и пластмассы размером 37Ч37 мм и 50Ч50 мм. Особое место среди седловидных насадок занимает насадка «Инталокс метал», обладающая высокой эффективностью.

Регулярная насадка. Правильно уложенная насадка отличается от нерегулярной меньшим гидравлическим сопротивлением и поэтому особенно пригодна для процессов вакуумной ректификации. К недостаткам следует отнести их высокую чувствительность к равномерности орошения.

Простейшая регулярная насадка - плоскопараллельная - представляет собой пакеты, набираемые из плоских вертикальных, обычно металлических пластин толщиной 0,4-1,2 мм, расположенных параллельно с одинаковым зазором 10-20 мм. Высота пакета пластин 400-1000 мм. Наружный диаметр пакета соответствует внутреннему диаметру колонны. Для повышения равномерности распределения жидкости в колонне, пакеты устанавливают один над другим, взаимно повернутыми на угол 45-900. Недостатки этой насадки: высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно низкая эффективность.

Рисунок 6.

СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Ректификационная колонна периодического (ступенчатого) действия, представлена на Рисунке 7.

Рисунок 7. 1.Куб; 2 Ректификационная колонна; 3Дефлегматор; 4 Холодильник; 5 Сортировочный фонарь.

Куб выполняет одновременно две функции: служит емкостью для спирта подвергающегося ректификации и преобразователем спиртового пара.

Ректификационная колонна непрерывного действия, представлена на рисунке

2. Ректификационная колонна непрерывного действия, представлена на Рисунке 8.

Рисунок 8.1 Верхняя часть колонны; 2 Нижняя часть колонны; 3 Куб; 4 Дефлегматор; 5 Охладитель флегмы; 6 Холодильник; 8 Выход готового продукта.

Также ректификационные колонны делятся на полные и неполные.

Неполные колонны делятся на два вида:

· Бражные (отгонные) колонны действуют по следующему принципу: на верхнюю тарелку подается питание в виде пара, а из куба выходит практически чистая вода. Из верхней части отводится пар обогащенный спиртом. Дефлегматор в такой колонне не устанавливается, поэтому паровая фаза конденсируется в холодильнике.
· В спиртовых (концентрационных) колоннах пар подается в куб (под нижнюю тарелку). Из верхней части отводится спирт, а из нижней остаток обогащенный водой. Дефлегматор, установленный в таких колоннах выполняет функцию питания жидкостью.

Спиртовые (концентрационные) колонны не предусмотрены для получения чистой воды, а в бражной (отгонной) колонне невозможно получение чистого спирта.

Полная колонна является собирательным вариантом бражной и спиртовой. Данный вид состоит из нижней (исчерпывающей) и верхней (концентрационной) частей. Питание на верхнюю отгонную часть поступает через среднюю. В полных колоннах возможно получить оба компонента разделяемой смеси, но это допустимо только в том случае если эта смесь состоит из двух частей. Для того чтобы разделить брагу (многокомпонентную смесь) меняют несколько колонн, установленных последовательно. Каждая колонна разделяет смесь на дистиллят, представляющий собой один или несколько компонентов и остаток (труднолетучую смесь).

ПОЛНАЯ КОЛОННА

Рисунок 9. Принципиальные схемы ректификационных колонн: а - полная; б - неполная отгонная; в - неполная концентрационная

В полной ректификационной колонне 1 создается возможность для получения практически в чистом виде обоих компонентов разделяемой бинарной (двухкомпонентной) смеси. В неполной отгонной колонне из нижней части отводится практически чистый труднолетучий компонент, а из верхней - пар, несколько обогащенный легколетучим компонентом. Из верхней части неполной концентрационной колонны отводится практически чистый легколетучий компонент, а из нижней - остаток S, несколько обогащенный труднолетучим компонентом.

БРАГОПЕРЕГОННЫЕ УСТАНОВКИ

Рисунок 10.

В спиртовой промышленности применяются брагоперегонные установки двух типов - одноколонные и двухколонные. В одноколонной установке бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре 4, поступает на верхнюю тарелку колонны 1. Нижняя часть колонны называется бражной, куда снизу подводится греющий пар. Из бражной колонны водно-спиртовые пары направляются в нижнюю часть спиртовой колонны 2; здесь пары укрепляются. Из колонны 2 укрепленные пары поступают в межтрубное пространство дефлегматора 4.

Конденсируясь, пары отдают теплоту бражке, протекающей в трубах дефлегматора. Конденсат водно-спиртовых паров возвращается в колонну 2 в виде флегмы. Не сконденсировавшиеся пары направляются в холодильник 5, где они конденсируются и образуют спирт-сырец. Спирт-сырец содержит не только воду и спирт, но и другие летучие продукты, входящие в состав бражки. Брагоректификационные установки бывают прямого, полупрямого и косвенного действия.

1. ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 11.

Установка состоит из эпюрационной колонны 3 с концентрационной частью 4 и ректификационной колонны 9, в состав которых входят дефлегматоры 5 и 7, а также конденсаторы 6 и 8. Бражка поступает в бражную колонну 1. Здесь из бражки выделяются этиловый спирт, хвостовые примеси и остатки головных и промежуточных примесей. Основную массу паров из бражной колонны 1 направляют в ректификационную колонну 9. Некоторая часть паров из бражной колонны 1 поступает в эпюрационную колонну 3 для ее обогревания. Для этой цели служит труба 2, снабженная дроссельным клапаном. Количество пара, поступающего в эпюрационную колонну, регулируется дроссельным клапаном. Хвостовые и промежуточные продукты, а также остатки головных продуктов отбирают в ректификационной колонне. Ректификат отводят в жидком виде с одной из верхних тарелок ректификационной колонны.

2. ПОЛУПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 12.

В установке полупрямого действия бражка, не подвергаясь предварительной эпюрации, поступает непосредственно в бражную колонну 1. В этой колонне выделяются спирт и все примеси. Пары направляются через ловушку-сепаратор 3 в эпюрационную колонну 2 с концентрационной частью 4, дефлегматором 5 и конденсатором 6, где из них выделяются головные примеси.

Очищенный от головных примесей спирт, содержащий хвостовые и промежуточные примеси (эпюрат), в жидком виде поступает в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7. Отбор спирта-ректификата, сивушного масла и промежуточных продуктов производится так же, как и в аппаратах прямого действия.

3. КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 13.

Водно-спиртовые пары, поднимающиеся из бражной колонны 7, полностью сгущаются в дефлегматоре 2 и конденсаторе 3, после чего в жидком виде поступают на эпюрацию в эпюрационную колонну 4 с дефлегматором 5 и конденсатором 6.

Эпюрат направляется в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7, где выделяются промежуточные продукты, сивушное масло и спирт-ректификат. Данная установка принята как типовая из-за высоких эксплуатационных показателей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Для разделения простых бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с небольшим числом тарелок устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число тарелок в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними. Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется. Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Физико-химические основы процесса

2. Физические свойства веществ, участвующие в процессе

3. Технологический расчёт

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

4.2 Расчётная часть

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

5.2 Расчётная часть

6. Конструктивный расчёт

6.1 Условные обозначения

6.2 Расчётная часть

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Перегонка и ректификация относятся к числу ведущих процессов химической технологии и составляют основу многих технологических процессов нефтегазопереработки. При этом нельзя не отметить, что из всех процессов ректификации, применяемых в химической технологии, более 80% приходится на нефтегазопереработку.

Перегонка и ректификация основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка - это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация - это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Принципиальная схема ректификационной колонны выглядит следующим образом:

Рисунок 1 - ректификационная колонна.

Ректификационная колонна? противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте осуществляется процесс тепломассообмена между стекающей вниз жидкостью (флегмой) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высоко кипящим компонентом, а паровая фаза - более низко кипящим.

Рассмотрим схему ректификационной установки непрерывного действия на рисунке 1. Внутри ректификационной колонны 1 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба-испарителя 2 (куб-испаритель может располагаться непосредственно под колонной). На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счёт конденсации - частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

Этот процесс имеет большое значение в химической технике. Достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жилкой смеси.

Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.

Суть процесса ректификации заключается в многократном повторяющемся по высоте колонны цикле испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний).

Для проведения процесса ректификации в основном используют два типа колонн:

· тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;

· насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.

Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется.

Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

Для успешного взаимодействия флегмы, стекающей вниз по колонне, и пара, движущегося вверх, можно использовать любые другие контактные элементы, увеличивающие площадь и эффективность этого взаимодействия.

Для ректификационных колонн сверхмалого диаметра (10-70мм) более эффективным, по сравнению с тарелкой, контактным элементом является насадка. Насадка заполняет собой весь внутренний объем ректификационной части колонны. Существует множество различных типов насадок, например, регулярные насадки -- Спрейпак, Зульцер, Стедман; хаотичные (насыпные) -- керамические кольца Лессинга, Паля, Берля, наиболее распространенная - проволочная спирально-призматическая насадка.

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадок, например, спирально- призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.

Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).

В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью.

1. Фи зико-химические основы процесса

В рассмотренных процессах разделения бинарных жидких смесей обогащение достигается ректификацией восходящего потока паровой смеси, а накопление высококипящего компонента (исчерпывание низкокипящего) в кубовой жидкости - простой дистилляцией. Процесс разделения можно осуществить непрерывно, если производить обе операции ректификацией, использовав для этой цели две последовательно соединённые колонны: укрепляющую и исчерпывающую. В первом из этих колонн будет происходить обогащение паров, образующихся при частичном испарении жидкости смеси, низкокипящим компонентом (ректификация паров), а во второй - извлечение (отгонка, исчерпывание) этого компонента из стекающей вниз жидкой фазы (ректификация жидкости). Обе колонны располагаются чаще всего друг над другом, имея общий корпус, но могут также устанавливаться отдельно.

В ректификационной установке непрерывного действия исходная жидкая смесь состава X1 подаётся на нижнюю тарелку укрепляющей колонны, являющуюся одновременно верхней тарелкой исчерпывающей колонны; эта тарелка называется тарелкой питания. Укрепляющая колонна снабжена конденсатором и орошается потоком флегмы, обеспечивающим получение дистиллята требуемого постоянного состава.

С тарелки питания, где флегмы объединяются с исходной смесью, поток жидкости стекает в исчерпывающую колонну навстречу паровому потоку, образующемуся в дистилляционном кубе. Благодаря контакту с паром, обогащённым высококипящим компонентом, жидкость обедняется низкокипящим компонентом и стекает в дистилляционный куб, где часть её испаряется, а остальное количество непрерывно отводится в качестве кубового остатка. При подаче исходной смеси с температурой кипения и отсутствии потерь тепла в окружающую среду поток пара по высоте обеих колонн остаётся практически постоянным (D=const). Потоки жидкости в обеих колоннах различны: в укрепляющей колонне он равен количеству поступающей флегмы (W=const), а исчерпывающей он слагается из W и количества притекающей исходной смеси W1, поэтому W=W+W1.

Мы предполагали до сих пор, что разделяемая смесь поступает на тарелку питания ректификационной колонны при температуре кипения. В практике, однако, встречаются отклонения от этого режима; разделяемая смесь может иметь начальную температуру ниже точки кипения или находиться в парожидкостном и даже в парообразном состояниях. ,

2. Физические свойства веществ, участвующих в процессе

Исходные данные к расчёту.

Рассчитать ректификационную установку непрерывного действия для разделения F (кг/с) бинарной смеси с содержанием легко летучего компонента XF (% мольных), содержание низкокипящего компонента в дистилляте XP (% мольных), в кубовом остатке XW (% мольных). Продолжительность операции ф часов, давление в аппарате атмосферное, температурами охлаждающей воды в дефлегматоре и греющего пара обосновано задаться.

Выпишем необходимые справочные данные для веществ, участвующих в процессе:

Таблица 1 - Задание на курсовой проект.

Таблица 2 - Физические свойства веществ, участвующих в процессе.

3. Технологический расчёт

Таблица 3 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных %, температуры кипения (t) в ° С двойных смесей при 760 мм. рт.ст.

По данным о равновесных составах двойных смесей составим графики:

t - x - y диаграмму и x - y диаграмму.

Построение рабочей линии процесса.

XF=40 XP=90 XW=5

R - рабочее флегмовое число. Для вычисления рабочего флегмового числа, минимальное флегмовое число умножают на коэффициент избытка флегмы, который находится в пределах 1.2ч 2.5.

R=Rmin(1.2ч2.5).

Rmin - минимальное флегмовое число соответствует режиму работы колонны, когда весь получаемый конденсат идёт на орошение.

1.2ч2.5 - коэффициент избытка флегмы.

Основными параметрами, определяющими заданное разделение в процессе ректификации, являются флегмовое число (кратность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего орошения, вводимого в колонну, к количеству вещества. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить количество тарелок и наоборот. При минимальном флегмовом числе Rmin необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соответствуют оптимальному флегмовому числу и оптимальному числу тарелок.

Rmin =XP -YF/ YF -XF

max t - min t/10 = 56.2-39.3/10=2

Из графиков находим:

YF=57% tF=40 ° С

YP=78% tP=39.7 ° С

YW=19% tW=85 ° С

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

F - выход сходной смеси;

P - продукционный выход дистиллята;

W - выход кубовой жидкости;

aF, aP, aW - массовые доли низкокипящего компонента в потоке;

XF, XP, XW - мольные доли низкокипящего компонента в потоке;

YF, YP, YW - содержание низкокипящего компонента в парах над жидкостью;

Ф - расход флегмы.

4.2 Расчётная часть

1. колонна ректификации, точка водоисходной смеси условно делится на две части: нижняя - исчерпывающая колонна, верхняя - укрепляющая колонна;

Переведём мольные доли низкокипящего компонента в жидкой фазе в массовые.

1) aF=Мн.к.* XF / Мн.к.* XF+Мв.к.(1- XF)

aF=80*0.4/80*0.4+58(1-0.4)=0.48

2) aP= Мн.к.* XP / Мн.к.* XP+Мв.к.(1- XP)

aP=80*0.9/80*0.9+58(1-0.9)=0.93

3) aW= Мн.к.* XW / Мн.к.* XW+Мв.к.(1- XW)

aW=80*0.05/80*0.05+58(1-0.05)=0.068

Переведём массовый расход исходной флегмы в кг/с:

F` = =1.45 кг/с

Выход продукта вычисляем по формуле:

P=F`(aF-aW)/ aP - aW (4.2)

P=1.45(0.48-0.068)/0.93-0.068=0.7 кг/с

Выход кубовой жидкости вычисляем по формуле:

W=1.45-0.7=0.75 кг/с

Выход флегмы вычисляем по формуле:

Ф=0.7*4=2.8 кг/с

Расход паров в верхней части колонны вычисляем по формуле:

G=0.7+2.8=3.5 кг/с

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

Q - количество тепла, отданное греющим паром;

D` - расход пара, поступающего в рубашку колонны;

r - теплота конденсации паров (определяется по температуре греющего пара, который на 15-20 ° С выше температуры tW).

D`` - расход тепла в подогревателе;

rP - теплота конденсации паров;

g - расход охлаждающей воды;

G - выход паров в верхней части колонны;

C - теплоёмкость пара низкокипящего компонента;

tr - температура пара;

t1 - температура флегмы;

CВ - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг*К;

CF - теплоёмкость исходной смеси;

5.2 Расчётная часть

Тепло, пришедшее с исходной смесью:

Q1=F`*CF*tF (5.1)

CF=Cн.к.*aF/ Cн.к.*aF+Cв.к.(1- aF)

CF=946.625*0.48+2300(1-0.48)=1650.38 Дж/кг*К

Q1=1.45*1650.38*40=95722.04 Вт

Количество тепла, поступившее с флегмы:

Q2=Ф*Cф*tф (5.2)

Cф=Cн.к.* aP+ Cв.к.(1- aP)

Cф=946.625*0.93+2300(1-0.93)=1041.36 Дж/кг

tф=tp-15=39.7-15=24.7 К

Q2=2.8*1041.36*24.7=72020.46 Вт

Количество тепла, ушедшее с парами в верхней части колонны:

JP= rp+CP*tP (5.4)

rp=rн.к.*aP+ rв.к.(1-aP)

rp=334750*0.93+516000(1-0.93)=67257.5 Дж/кг

JP=67257.5+1041.36*39.7=108599.5 Дж/кг

Q3=3.5*108599.5=380098.5 Вт

Количество тепла, ушедшее с кубовой жидкости:

Q4=W*CW*tW (5.5)

CW=Cн.к.*aW+Cв.к.(1- aW)

CW=946.625*0.068+2300(1-0.068)=67257.5 Дж/кг

Q4=0.75*2208*51.3=84952.8 Вт

Потеря тепла составляет 3% от тепла, отданного греющим паром.

Qпотерь=0.03*D`*r (5.6)

Qпотерь=0.03*0.13*2321000=9052 Вт

D`==0.13 кг/с

Тепловой баланс дефлегматора.

Q 1 =G*r P =3.5*67257.5=235401.25 Вт (5.8)

Q 2 =G*C P (t P -t Ф)= 3.5*1041.36*(39.7-24.7)=54671.4 Вт (5.9)

Q= Q 1 + Q 2 =235401.25+54671.4=290072.65 Вт

Q=g*C воды (t 2 -t 1), температурами охлаждающей воды обоснованно задаться: t2=32 ° С и t 1 =22 ° С

g=Q/C воды* 10 ° С =290072.65 /4200*10=7 кг/с (5.10)

Q= 7*4200*10=294000 Вт

Определение общего расхода греющего пара на ректификацию.

Так как исходная смесь поступает нагретой до температуры кипения, определим расход пара на подогрев исходной смеси:

Qподогрева=F`*C F (t F -t), где t- температура хранения исходной смеси.

Qподогрева=1.45*1650.38(40-20)=47861.02 Вт

Q подогрева =D``*r пара, отсюда D``= Q под / r пара (5.11)

D``=47861.02 /2273*10 3 =0.021 кг/c

Общий расход пара на реакцию определяется:

D=0.13+0.021=0.151 кг/c

6. Конструктивный расчёт

6 .1 Условные обозначени я

ректификационный тарельчатый пар дистиллят

Д - диаметр колонны;

w - оптимально допустимая скорость паров в колонне;

с - коэффициент, учитывающий конструкцию тарелки;

с P - плотность дистиллята в жидком состоянии;

V - объёмный расход паров;

R - постоянная Больцмана;

Р - давление;

Т - температура дистиллята;

М ср. - средняя молекулярная масса.

6.2 Расчётная часть

Определение диаметра колонны:

1. Находим объёмный расход пара в верхней части колонны.

V=G*R*T/М ср. *Р, где R=8314 Дж/моль*К, P=10 5 Па (6.1)

T=t P +273 ° С (6.2)

М ср =М н.к. *X P +М в.к. (1- X P) (6.3)

T=39.7+273=312.7 К

М ср =80*0.9+58(1-0.9)=80 моль

V=3.5*8314*312.7/80*10 5 =1.14 м 3 /c

2. Определим оптимальную допустимую скорость пара в колонне

w=cv с P -с пара / с P (6.4)

По графику находим значение коофициента c, Выбираем колпачковые тарелки. Принимаем расстояние между тарелками HТ=300 мм, c=0.052 [Павлов, с. 323]

w=0.052v829.68-2.2/2.2=1.0088 м/с

3. Определим внутренний диаметр колонны

Принимаем стандартный диаметр колонны 1200 мм

Гидравлический напор.

Предварительно принимаем расстояние между тарелками HТ=0.3 м и коофициент вспениваемости ц=0.8

Скорость пара в рабочем сечении колонны равна:

w P =ц*w о (6.6)

w P =0.8*1.0088=0.81 м/с

Объёмный расход пара в колонне равен:

VП=G/ с P (6.7)

VП=3.5/2.7=1.3 м 3 /c

Рабочая площадь тарелки составит:

FP= VП/ w P (6.8)

FP=1.3/0.81=1.6 м 2

По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны диаметром:

Д=1200мм; периметр слива П=0.818 м; площадь слива F сл =0.099 м 2 ; площадь прохода пара F о =0.129 м 2 ; длину пути жидкости по тарелке l ж =0.856 м; зазор под сливным стаканом а=0.06 м; количество колпачков т=43; диаметр колпачка d к =100 мм

В задачу дальнейших гидравлических расчётов основных параметров тарелки входит определение высоты сливного порога h пор. , подпора жидкости над сливным порогом h сл. , высоты прорезей колпачка h пр. и, если это необходимо сопротивление тарелки ДP.

Из исходных данных имеем отношение ==1.25‹2. Следовательно, при определении величины h сл. Можно было бы не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности рассмотрим расчёт h сл. с учётом уноса жидкости.

Для того, чтобы найти величину У по уравнению (6.16), необходимо знать высоту пены на тарелке h пн. , которая рассчитывается по формуле (6.15), включающему, в свою очередь, величину h сл. и высоту h пор. .

Величину h сл рассчитываем предварительно без учёта уноса жидкости, тогда

h сл. =0.68(V ж. /П) 0.67 (6.9)

V ж =Ф/ с P (6.10)

с P =сН.К.* aP+сВ.К.(1-aP) (6.11)

с P =1263*0.93+792(1-0.93)=1230.04 кг/ м 3

V ж =2.8/1230.04=0.0023 м 3 /c

h сл. =0.68 () 0.67 =0.014 м

Для определения высоты сливного порога рассчитаем по уравнению (6.12) высоту прорезей в колпачках.

Примем колпачок с прямоугольными прорезями шириной b=4 мм. Количество прорезей в одном колпачке zКН=26. Общее количество колпачков на тарелке m=43.

h пр =0.46* (V П /mzb) 2 *с П /с ж -с П (6.12)

h пр =0.46* =0.03 м

Принимаем по таблице высоту прорези h пр =30 мм

В этом случае пар будет проходить через полностью открытые прорези и частично через нижнюю кромку колпачка. Для обеспечения этого примем высоту установки колпачка h у =10мм. Глубина барботажа при абсолютном давлении Р=98100Па, согласно уравнению (6.13) составит:

h г.б. =(0.7/с ж)р 0.35

h г.б. =()*(98100) 0.35 =0.028 м (6.13)

Найдём по уравнению (6.14) высоту сливного порога:

h пор. = h г.б -h сл. +h пр. +h у (6.14)

h пор. =0.028-0.014+0.03+0.01=0.054 м

Высота пены, образующейся на тарелке, в соответствии с формулой (6.15), составит:

h пн =К 2 /у 0.33 (К 3 *w р 2 *с П +К 4 *h сл +h пор) (6.15)

К 1 =23.0*10 -5

h пн =0.23/0.02 0.33 (4.4*10 -2 *(0.81) 2 *2.7+4.6*0.014+0.054)=0.2 м

Величина относительного уноса жидкости согласно уравнению (6.16) составит:

У=К 1 /у(w P /H Т -h пн.) n 1 (6.16)

У=23*10 -5 /0.02(0.81/0.3-0.2) 1.16 =0.010.1

Следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно.

Действительную нагрузку сливного устройства по жидкости рассчитываем по уравнению (6.17):

V ж.д. =V ж +G*У/с ж (6.17)

V ж.д. =0.0023+=0.00233 м 3 /c

Действительная величина подпора жидкости над сливным порогом

h сл. =0.68() 0.67 =0.013 м

мало отличается от ранее рассчитанной h сл. =0.014 м

Проверим работоспособность сливного устройства тарелки. Для этого рассчитаем скорость жидкости в сливном устройстве по формуле (6.18):

w ж.сл. =V ж.д. /F сл. <К 5 Н Т n 2 (6.18)

В соответствии с формулой (6.18) и данным таблицы комплекс:

F сл =0.099м 2

w ж.сл. ==0.024 м/с

К 5 Н Т n 2 =0.250(0.3) 0.65 =0.115

Следовательно, условие формулы (6.18) соблюдается и захлёбывания сливного устройства не произойдёт.

Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана рассчитываем по формуле (6.19):

w ж.з. =V ж.д. /(Па)<0.45 (6.19)

w ж.з ==0.0466 м/с <0.45

Из приведённых расчётов следует, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.

Сопротивление сухой тарелки определяем по формуле (6.20):

ДP c =ж c *с П *w о 2 /2 (6.20)

где скорость пара в паровых патрубках равна

w о =V П /F о (6.21)

w о ==6.6 м/с

Коэффициент сопротивления для колпачка диаметром D кл =100мм составит:

ж=1.73* D кл -0.25 (6.22)

ж=1.73*0.1 -0.25 =3.1

ДP c =3.1*2.7*(6.6) 2 /2=182.3 Па

Величина перепада уровня жидкости на тарелке в соответствии с формулой (6.23) составит:

Дh=0.1*лЭ*(lж*V ж 2 /П 2 (h пор + h сл.) 3 g (6.23)

Дh=0.1*16*(0.856*(0.0023) 2 /(0.818) 2 *(0.054+0.014) 3 *9.81=0.0023 м

Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по формуле (6.24):

ДPж=(h г.б + h пр + Дh/2) с ж *g (6.24)

ДPж=(0.028+)1230.04*9.81=532.8 Па

Общее сопротивление тарелки равно:

ДP= ДP c +ДPж (6.25)

ДP=182.3+532.8=715.1 Па

Найдём общую высоту колонны:

H=(n-1)h+Hверх.+Hнижн. (6.26)

H=(9-1)0.3+1+2=5.4 м

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Диаметры штуцеров рассчитываются по формуле (7.1)

1. Штуцер для ввода исходной смеси.

сF=сн.к.* aF+св.к.*(1- aF)

сF=1263*0.48+792*(1-0.48)=1018.08 кг/м 3

VF==0.0014 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=100 мм

2. Штуцер для выхода паров.

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=2.7*0.93+2.2*(1-0.93)=2.665 кг/м 3

Vпар==1.3 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=400 мм

3. Штуцер для входа флегмы.

VФ=Ф/ сP (7.5)

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=1263*0.93+792*(1-0.93)=1230.04 кг/м 3

VФ==0.0023 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY3=100 мм

4. Штуцер для выхода кубовой жидкости.

сw= сн.к.* aw+св.к.*(1- aw)

сw=1263*0/068+792(1-0.068)=824.028 кг/м 3

Vw==0.001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY4=100 мм

5. Штуцер для подачи греющего пара в рубашку аппарата.

V=D`/ сгр.п. (7.8)

сгр.п. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С выше, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 71.2 ° С.

сгр.п.=0.198 кг/м 3

Примем стандартный диаметр DY5=200 мм

6. Штуцер для выхода конденсата греющего пара

V=D`/ сконд. (7.9)

сконд.. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С ниже, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 31.2 ° С.

сконд.=998 кг/м 3

V==0.0001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY6=50 мм

Общая масса аппарата:

M=mобеч.+mдн. +mкр. (7.10)

mобеч.=*Дк*S* сст*H (7.11)

Подбираем днище и крышку аппарата:

V=421*10 -3 м 3

mдн.=mкр.=137 кг

Находим массу обечайки:

mобеч.=3.14*1.2*0.01*7850*5.4=1597.3 кг

По формуле (7.10) находим массу аппарата:

M=1597.3+137+137=1871.3 кг

Находим массу загрузки:

mзагр.=(Vкр.+Vдн.+Vк.) сср. (7.12)

сср.= сн.к+ св.к./2 (7.13)

сср.==1027.5 кг/м 3

Vк=*Дк 2 /4*H (7.14)

Vк=*5.4=6.1 м 3

По формуле (7.12) находим массу загрузки:

mзагр.=(0.421+0.421+6.1)1027.5=7133 кг

Масса нагрузки на опору с учётом запаса нагрузки 20 % :

P=(Mап.+ mзагр.)1.2*g/1000000 (7.15)

Заключение

Целью расчёта является расчёт ректификационной колонны тарельчатого типа. В ходе расчёта определили выход продукционного дистиллята и кубовой жидкости, расход флегмы, расход греющего пара, расход охлаждающей воды в дефлегматоре, габариты проектируемого аппарата, диаметр штуцеров, массу аппарата, а также максимальную загрузку на опору.

Список использованной литературы

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию, М., Химия, 1991 год.

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефте-химической технологии, М., Химия, 1987 год.

3. Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств, Л., 1970 год.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Описание технологической схемы, эксплуатация и конструкция аппарата ректификационной колонны. Материальный и тепловой баланс установки. Определение высоты и массы аппарата, подбор тарелок и опоры. Гидравлическое сопротивление насадки и диаметр штуцеров.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011

Общее описание процесса ректификации. Разработка ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол. Технологический, гидравлический и тепловой расчет аппарата. Определение числа тарелок и высоты колонны, скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011

Схема ректификационной установки. Определение массовых и объемных расходов пара и жидкости вверху и внизу тарельчатой колонны. Гидравлическое сопротивление тарелок. Расчет теплообменных аппаратов: диаметра, изоляционного слоя и стенки корпуса колонны.

курсовая работа , добавлен 04.06.2015

Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Средняя плотность пара в ректификационной колонне. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, получаемой в кубе-испарителе, в водяном холодильнике кубового остатка, в водяном холодильнике дистиллята. Расчет удельных диаметров фланцев.

курсовая работа , добавлен 13.10.2011

Способы определения расхода поглотительного масла, концентрации бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера. Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера. Определение требуемой поверхности нагрева в кубе колонны и расхода греющего пара.

контрольная работа , добавлен 07.06.2011

Технологическая схема процесса ректификации. Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок. Равновесные составы жидкости и пара. Материальный баланс процесса ректификации. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара.

курсовая работа , добавлен 19.09.2014

Теоретические основы процесса выпаривания. Устройство, принцип работы выпарного аппарата с выносной греющей камерой. Определение расхода охлаждающей воды, диаметра и высоты барометрического конденсатора. Расчет вакуумнасоса, теплообменного аппарата.

курсовая работа , добавлен 19.06.2015

Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Определение средних физических величин пара и жидкости. Высота газожидкостного слоя. Скорость пара в свободном сечении тарелки. Расчет гидравлического сопротивления колонны.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

Колонны по внутреннему устройству подразделяются на две основные группы: тарельчатые (рис. 10.2) и насадочные.

Наибольшее распространенные тарельчатые колонны - вертикальные цилиндрические сосуды, внутри которых расположены поперечные перегородки - барботажные тарелки. Каждая тарелка - это ступень контакта между поднимающимися газами (парами) и стекающей жидкостью. Степень извлечения компонентов из газа, четкость разделения углеводородов, а также отпарка поглощенных компонентов из жидкости зависит от числа ступеней контакта и от того, насколько хороший контакт обеспечивает конструкция тарелок.

К тарелкам ректификационных и абсорбционных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малую массу.

Тарелки классифицируют по числу потоков, типам и конструкции контактных элементов, характеру взаимодействия фаз в зоне контакта, организации перелива жидкости. По числу потоков тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными (рис. 10.3) и тарелки с каскадным расположением полотна.

По типу контактных элементов тарелки разделяются на тарелки колпачковые, из S-образных элементов, клапанные, ситчатые, решетчатые, чешуйчатые, язычковые и др.

В зависимости от направления движения паровой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки с перекрестным током, прямоточные и противоточные. По организации перелива жидкости тарелки разделяют на переливные и беспереливные (провального типа).

В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным полотном и разборной конструкции. Тарелки разборной конструкции собирают из отдельных полотен, ширина которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках.

Рис.10.3. Схемы тарелок:

а- однопоточной; б- двухпоточной; в- трехпоточной; г- четырехпоточной; д- каскадной

Варианты крепления секций полотна тарелок и полотна тарелок к корпусу аппарата приведены соответственно на рис. 10.3. и 10.4

Рис.10.4. Варианты крепления секций полотна тарелки:

1- полотно; 2- прокладка; 3- планка; 4- прижимной уголок; 5- клин; 6- скоба

Рис. 10.2 Атмосферная ректификационная колонна.

Рис.10.4. Варианты крепления полотна тарелки к корпусу:

а- сваркой; б- на прокладке с прижимной планкой сверху; в- на прокладке со струбциной; г- на сальнике с набивкой

Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояния между ними принимают не менее 450 мм, а в местах установки люков в корпусе колонны - не менее 600 мм .

В настоящее время на старых эксплуатируемых колоннах преобладают колонны с колпачковыми тарелками. Они сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других видов. Некоторые их показатели уступают более современным типам тарелок, но они хорошо освоены. Схема работы колпачковых тарелок показана на рис. 10.5.

Газ барботирует через слой жидкости, распыляясь на мелкие пузырьки, которые образуют слой пены с большой удельной поверхностью над жидкостью, находящейся на тарелке. Каждая тарелка имеет множество круглых или прямоугольных отверстий, в которые ввальцованы или вварены патрубки определенной высоты. Патрубки накрывают колпачками, имеющими круглое или шестигранное сечение. Между верхним срезом патрубка и колпачком имеется зазор для прохода паров или газов, поступающих из-под тарелки. Нижняя часть колпачков при работе колонны находится в жидкости. Нижняя кромка колпачка имеет зубчики и прорези.

Уровень жидкости на тарелке поддерживается специальными сливными перегородками, нижняя часть которых доходит до нижележащей тарелки. Благодаря этому образуется гидравлический затвор, и газы (пары) проходят только через патрубки под колпачки и барботируют через слой жидкости, а не идут через сливные трубы или сегменты.

На рис. 10.6. показаны две верхние тарелки ректификационной колонны.

Положение колпачков можно регулировать, т. е. устанавливать определенный зазор между колпачками и верхними срезами патрубков.

Рис. 10.6. Рис. 10.7.

Рис. 10.6.Схема работы колпачковых тарелок: 1- тарелка; 2 – колпачки; 3 – сливная перегородка; 4 – патрубки для прохода паров; 5 – сливной карман.

Рис. 10.7. Общий вид двух верхних тарелок: 1 – патрубок для выхода паров из колонны; 2 – выходная перегородка; 3 – входная перегородка; 4 – патрубок для ввода орошения; 5 – колпачок.

Каждая тарелка должна быть строго горизонтальной; положение колпачков должно быть отрегулировано так, чтобы газы или пары встречали на своем пути слой жидкости одинаковой высоты. Если в какой-либо части тарелки высота слоя жидкости окажется меньшей, то все пары, или преобладающая часть их, будут проходить в этой части тарелки. Здесь из-за повышенной скорости паров колпачки будут работать плохо, жидкость будет оттесняться парами, контакт между фазами ухудшается и эффективность процесса снижается.

Сливные карманы и сегменты соседних тарелок (см. рис. 10.6.) расположены на противоположных сторонах, поэтому жидкость, перед тем как поступить на нижележащую тарелку, проходит через всю площадь тарелки. Высоту слоя жидкости на тарелке регулируют с помощью переливной планки, укрепленной болтами на краю выходной перегородки

Во время работы колонны высота уровня жидкости при поступлении в колонну больше высоты перед сливным порогом. Эта разница высот уровней называется гидравлическим градиентом. Чем больше диаметр колонны, тем длиннее путь жидкости и тем выше гидравлический градиент.

Рис. 10.8. Рис. 10.9.

Рис. 10.8. Распределение жидкости на одно - сливных (а), двух - сливных (б), и четырех – сливных (в) тарелках

Рис. 10.9. Схема работ тарелки из S – образных элементов

В колоннах большого диаметра при больших нагрузках по жидкости создается значительный гидравлический градиент, вследствие чего большая часть паров (газов) может проходить через колпачки, расположенные у сливного порога, вызывая усиленный унос жидкости вплоть до «захлебывания», одновременно на противоположной тарелке возможен перелив через паровые патрубки. Для уменьшения гидравлического градиента в колоннах большого диаметра тарелки делают двухпоточными или четырехпоточными.

При увеличении поточности тарелки (рис. 10.3.) расход жидкости и градиент уменьшаются, допустимая максимальная скорость паров возрастает, однако рабочая площадь тарелки уменьшается. При сдаче колонны колпачковые тарелки испытывают на барботаж. После закрытия люка той части колонны, которая находится ниже испытуемой тарелки, последнюю тарелку заливают водой. Снизу в колонну подается под небольшим давлением воздух от вентилятора или компрессора. При правильной сборке тарелки воздух должен равномерно барботировать по всему сечению. Если воздух проходит неравномерно, тарелка собрана неправильно: допущен уклон в какую-либо сторону или колпачки опущены неравномерно или перекошены. Испытания тарелки продолжают после устранения ошибок в сборке. Эти операции (испытание и устранение неполадок и неплотностей) продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто равномерное барботирование воздуха по всему сечению тарелки и устранены все пропуски воздуха помимо прорезей колпачков.

Тарелки S - образных элементов (рис. 10.10)предназначены для создания возможно лучшего контакта между паром и жидкостью и поэтому должны иметь развитую поверхность контакта.

Рис. 10.10. Тарелка из S - образных элементов.

На тарелках этого типа желоба и колпачки образуются при сборке S - образных элементов с одинаковым поперечным сечением. Сборку производят таким образом, чтобы колпачковая часть элемента покрывала желобчатую часть соседнего, образуя замок для гидравлического затвора при работе тарелки. Колпачковая часть элемента по концам закрыта заглушками, предотвращающие проскок паров и жидкости через торцы.

Основными преимуществами тарелок этого типа являются:

большая жесткость профиля, что позволяет изготовлять S - образные элементы из листовой стали малой толщины - 2,5 - 3,0 мм ; малый удельный расход металла; малая трудоемкость работ по изготовлению, монтажу и ремонту; возможность применения тарелок без промежуточных опор в аппаратах диаметром до 4 м ; незначительная чувствительность к неравномерности загрузки и допустимость значительных перегрузок режимного характера.

К недостаткам тарелок этого типа следует отнести:

малое живое сечение колонны (11-12 % от общего сечения); значительное сопротивление прохождению паров, что делает нежелательным их применение для колонн, работающих под вакуумом; чувствительность к загрязнениям и осадкам при переработке загрязненных или полимеризующихся продуктов.

Клапанные тарелки представляют собой цельные или собранные из нескольких секций диски, в которых имеются продолговатые щели или круглые отверстия. Щели прикрываются пластинчатыми клапанами, а отверстия - круглыми (рис.10.12.). В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т. е. при неизменном расстоянии между конструктивными элементами, клапанные тарелки работают в динамическом режиме.

При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара (рис.10.13), вследствие чего клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару. Благодаря простоте конструкции, малой массе и устойчивой работе клапанные тарелки являются весьма перспективной конструкцией. Они менее склонны к загрязнениям, но загрязнения и коксоотложения могут нарушить их работу, так как в результате закоксовывания, клапана “прихватываются” и перестают работать в динамическом режиме.

Рис.10.12. . Конструкции клапанов:

а- типа «Глитч»; б- типа «Флекситрей

Рис.10.13. Схема работы клапана прямоточной тарелки стандартной конструкции при нагрузках по парам:

а- малых; б- средних; в- больших.

При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара, вследствие чего клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару.

Клапанные тарелки обладают еще такими преимуществами перед колпачковыми тарелками, как:

Равномерное распределение пара по площади тарелки;

Малая масса;

Простота конструкции.

Все это делает применение клапанных тарелок перспективным. Клапаны изготовляют штамповкой из листового металла толщиной 2-3 мм. Клапанные тарелки имеют сливные устройства того же типа, что колпачковые и ситчатые.

Ситчатая тарелкапредставляет собой плоский перфорированный лист со сливными устройствами с круглыми или щелевидными отверстиями диаметром (шириной) 3 - 4 мм и более, t = (3-5) d (рис. 10.14). Суммарная площадь отверстий в зависимости от производительности по пару составляет от 8 до 30 % от площади сечения колонны. Скорость пара в отверстиях ситчатых тарелок принимают 10 - 12 м/сек .

Рис. 10.14. Полотно ситчатой тарелки

Ситчатые тарелки с отбойными элементами . Полотно тарелки выполняют из просечно-вытяжных листов (рис.10.15). Направление просечки совпадает с направлением движения жидкости. Над полотном тарелки (рис. 7.10) поперек потока жидкости с шагом 200 мм и углом наклона 60 о к полотну устанавливают отбойные элементы из просечно-вытяжного листа высотой 150 мм на расстоянии 40 мм от полотна тарелки. Ситчатые тарелки с отбойными элементами имеют высокую производительность по пару, низкое гидравлическое сопротивление; их применяют наряду с клапанными тарелками в вакуумных колоннах.

Направление просечки отбойных элементов ориентировано так, что газожидкостный поток, попадая на них, отбрасывается вниз к полотну. Отбойные элементы организуют зону контакта фаз, способствуют сепарации жидкости и снижают ее унос.

Рис.10.15. Элемент тарелки из просечно-вытяжных листов.

1- полотно тарелки; 2- отбойный элемент

Разновидностью ситчатых тарелок являются решетчатые провальные тарелки, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу парам.

В решетчатых провальных тарелках (рис.10.16.) отсутствуют переточные перегородки. Жидкость и газы (пары) противотоком проходят через одни и те же отверстия (щели шириной 3-4 мм ), поэтому уровень на всей площади одинаков. Рекомендуемая высота слоя жидкости на тарелке 30 мм.

Рис. 10.16а. Рис.10.16б.

Рис. 10.16а. Схема работы колонны с сетчатыми тарелками и сливными устройствами

Рис. 10.16б. Схема работы колонны с решетчатыми (провальными) тарелками

Пропускная способность решетчатых тарелок выше, чем колпачковых. При малых скоростях газового (парового) потока эффективность контакта между фазами сильно снижается.

Разновидность решетчатых тарелок - трубчатые или трубчато-решетчатые тарелки, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся противотоком газы и жидкость. По трубам пропускают хладагент для отвода выделяющейся при абсорбции теплоты.

В секциях тарелки имеются прямоугольные прорези размером 4´140 мм , с шагом от 8 до 36 мм . Обычно площадь прорезей составляет 10 - 30 % площади всей тарелки. На двух смежных тарелках прорези выполняют во взаимно перпендикулярных направлениях.

Один из недостатков решетчатых тарелок провального типа - их чувствительность к изменению расходов паровой и жидкой фаз; поэтому их применяют в случаях, когда возможно лишь сравнительно небольшие колебания расход

Струйные тарелки (рис.10.17.) имеют полотно с просечками, металл которых отогнут в виде лепестков или язычков. В ряде случаев на струйной тарелке устанавливают поперечные перегородки, которые секционируют поток жидкости, улучшают контакт и создают необходимый запас жидкости на тарелке. Для прохода жидкости в перегородках у полотна тарелки выполняют щель высотой 10 - 15 мм .

Конструкцию тарелки и способ ее соединения с корпусом выбирают обычно в зависимости от диаметра колонны и конструкции корпуса. Тарелки небольшого диаметра (до 1600 мм ) изготовляют в виде цельного листа с бортами или без бортов. Тарелки больших размеров делают разъемными, из нескольких сегментов. Монтируют разъемные тарелки обычно через верх колонны. Демонтаж элементов разъемных тарелок при ремонтах производят через боковые люки, размеры которых должны быть достаточными, чтобы через них могли пройти части тарелок. Люки устанавливают через 4 - 10 тарелок.

Рис.10.17. Струйная тарелка с секционирующими перегородками

Тарелки в колонне необходимо устанавливать горизонтально, так как при перекосе часть элементов тарелки оказывается не залитой на необходимый уровень жидкостью и именно, через эти элементы устремляется основной поток пара, и это резко ухудшает работу колонны. По этой причине не допускается коробление тарелок и прогиб их под действием собственной силы тяжести и силы тяжести жидкости.

Струйно-направленные тарелки. В них используется кинетическая энергия паров для направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего улучшается контакт между жидкостью и паром.

Струйно-направленные тарелки изготовляют из просечно-вытяжного листа или из листа с отогнутыми язычками, которые сообщают пару наклонное движение.

Расстояние между тарелками для колонн малого диаметра (до 0,8 м ) принимают равным 300 мм , а для колонн большего диаметра (450-600 мм ) расстояние между тарелками должно обеспечивать:

Легкость монтажа, ревизии и ремонта тарелок;

Осаждение основной части капель, уносимых паром с нижележащей тарелки;

Подпор для нормального стока флегмы по сливным трубам без захлебывания.

Колонные аппараты снабжены люками-лазами для осмотра и монтажа тарелок. Число люков в колонне должно быть таким, чтобы при разборке тарелок и укладке разбираемых деталей на площадке, монтируемой около каждого люка, от него можно было добраться до нижерасположенного люка. Обычно через каждые пять тарелок устраивают один люк-лаз диаметром не менее 450 мм .

Если среда в колоннах некоррозионноактивна и исключено забивание тарелок продуктами коррозии, смолами, коксом и др., т. е. нет необходимости в частой разборке тарелок, то люки располагают через десять тарелок и более.

Чем меньше люков, тем меньше стоимость колонны, меньше вероятность течи продукта и пропуска газа.

10.2. Насадочные колонны .

Насадочные колонны на нефтегазоперерабатывающих заводах чаще всего применяют в качестве абсорберов и десорберов, в процессах очистки и сушки газа.

Рис.10.18 Насадочная колонна

1- корпус колонны; 2 – распределительная решетка; 3 – насадка; 4 – ороситель.

Насадочная колонна представляет собой аппарат с перфорированными опорно-распределительными решетками, на которые загружается насадка. Сверху колонна орошается жидкостью, снизу поступает поток паров (газов). Контакт между стекающей жидкостью и поднимающимися парами (газами) происходит непрерывно на высоте слоя насадки.

Насадочные колонны работают в различных гидродинамических режимах. При малых скоростях потока паров (газов) и малых плотностях орошения жидкости колонны работают в пленочном режиме. В этом режиме жидкость течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки.

При росте скорости движения газа и жидкости сила трения между ними увеличивается, образуются брызги, пузыри, пена и одновременно увеличивается поверхность контакта между фазами, такой режим работы называют режимом подвисания.

При дальнейшем увеличении скорости движения паров (газа) происходит значительное торможение стекания жидкости. Жидкость начинает накапливаться в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке.

Газ начинает барботировать через жидкости. В колонне образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая газожидкостную эмульсию.

Этот гидродинамический режим называется режимом эмульгирования. Даже при небольшом последующем увеличении скорости газа (паров) происходит выброс жидкости из колонны - режим захлебывания. Наиболее эффективно колонна работает при переходе от режима подвисания к режиму эмульгирования.

Насадочные колонны различаются по типу применяемой насадки, а также по способу заполнения насадкой.

К насадке предъявляются следующие требования: она должна быть дешевой, простой в изготовлении, иметь большую удельную поверхность на 1 м 3 занимаемого объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, хорошо смачиваться орошающей жидкостью, иметь малую насыпную плотность, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газу, обладать высокой механической прочностью.

В качестве элементов насыпных насадок применяют кольца Рашига, кольца Палля и седловидные насадки (рис.10 19.).

Рис. 10.19. Элементы насадок: а – кольца Рашига; б – кольца Палля; в – седловидная насадка

Элементы насадок изготовляют из керамики, фарфора, полимеров или тонколистового металла.

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа, тем выше производительность колонны и ниже ее гидравлическое сопротивление, но тем хуже интенсивность массопередачи.

Мелкая насадка предпочтительнее при проведении процесса под повышенным давлением, так как при этом гидравлическое сопротивление не имеет существенного значения. Мелкая насадка обладает большой удельной поверхностью.

Основные достоинства насадочных колонн - простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление.

Недостатки - трудность отвода теплоты в процессе абсорбции и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения.

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом).

Процесс, в котором газ или пар вступает в химическое взаимодействие с жидкостью, называется хемсорбцией.

Абсорбция - процесс избирательный. Избирательность процесса абсорбции позволяет извлекать из газовой смеси определенное вещество с использованием соответствующего поглотителя.

Процессы абсорбции широко применяются в различных отраслях химической и нефтеперерабатывающей промышленности для поглощения аммиака, окислов азота, серного ангидрида, углеводородных газов, а также для санитарной очистки отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу.

Абсорбция, как правило, сопровождается выделением тепла. Повышение температуры ухудшает проведение процесса, поэтому абсорбционные установки во многих случаях снабжают холодильными элементами.

Процесс удаления поглощенных газов из жидкости называют десорбцией. Десорбция производится в токе инертного газа путем выпаривания раствора или под вакуумом.

Десорбция применяется для извлечения из поглотителя растворенных в нем газов и паров, когда они являются целевыми продуктами производства.

Абсорберы

Абсорберами называют аппараты, (рис.10.20) в которых протекает процесс абсорбции. По способу создания поверхности контакта жидкости с паром абсорберы делят на аппараты поверхностного типа, насадочные, барботажные (тарельчатые) и механические.

Если газ хорошо поглощается жидкостью, то нет необходимости создавать большую поверхность контакта фаз. В этом случае для хорошей

Рис. 10.20. Абсорберы.

А. – тарельчатый: 1- корпус; 2- каплеотбойник; 3- тарелка; 4-люк; 5- опорная обечайка;

В. – насадочный: 1- корпус; 2- распределительная тарелка; 3- насадка; 4- опорная решетка; 5- загрузочные люки; 6- опора; 7- люки для выгрузки насадки;

I- ненасыщенный абсорбент; II- сухой газ; III- сырой газ; IV- насыщенный абсорбент

абсорбции газа достаточно пропускать его над поверхностью жидкости (например, процесс поглощения хлористого водорода).

Наиболее широко для абсорбции применяют насадочные колонны , сравнительно простые по конструкции (рис. 10.20). Это полые цилиндрические аппараты, в которые загружают насадочные тела различной формы, обеспечивающие развитую поверхность контакта между жидкостью и газом. Газ подводят снизу под слой насадки, а жидкость подается на насадку, при этом обеспечивается противоток между жидкостью и газом.

В последнее время освоены плоскопараллельные (рис. 5.3) и сотовые насадки, состоящие из вертикально установленных пластин или сотовых элементов, обеспечивающих хороший контакт между жидкостью и газом и в то же время имеющие малое гидравлическое сопротивление.

Насадку укладывают на опорную решетку (колосник). Решетку изготовляют из нескольких секций (рис.10.21), укладываемых на опорные балки. Размер в свету между колосниками решетки должен быть не более 0,6 -0,7 наименьшего размера насадочного элемента.

Хорошей опорной конструкцией для колонн малого диаметра служит также решетки из просечно-вытяжного листа.

Насадочные абсорберы хорошо работают при обильном и равномерном орошении, поэтому оросительные устройства являются одним из важных узлов колонны.

К оросителям предъявляются следующие основные требования: они не должны увеличивать унос жидкости с газом; высота оросительного устройства и расстояние от оросителя до насадки должны быть минимальными; они должны устойчиво работать при колебании расхода жидкости;

Быть простыми по устройству и удобными в эксплуатации;

Не должны забиваться при работе с загрязненными жидкостями. Оросители подразделяют на самотечные и разбрызгивающие. Из самотечных оросителей жидкость вытекает отдельными струйками через отверстия или прорези. К самотечным оросителям относится распределительная плита, представляющая собой тарелку с патрубками, через которые жидкость отдельными струйками стекает на насадку.

Уровень тарелки регулируется установочными винтами. Диаметр тарелки равен 0,6 - 0,7 диаметра аппарата. Орошающая жидкость подводится через патрубок к центру тарелки. Распределительные плиты просты по устройству и надежны в работе, однако при большом диаметре колонны они становятся громоздкими и поэтому не применяются для аппаратов диаметром более 3 м.

В аппаратах большого диаметра применяют оросительные желоба (рис.10.23), состоящие из ряда параллельных желобов 1 и главного распределительного желоба 2, расположенного под ними. Желоба громоздки и требуют тщательной регулировки горизонтальности, которая производится с помощью установочных винтов.

К разбрызгивающим оросителям относится тангенциальная форсунка (рис. 10.24). Жидкость, подлежащая разбрызгиванию, подводится во внутреннюю круглую камеру форсунки тангенциально, закручивается там и выходит с большой скоростью через центральное отверстие. Закрученная струя по выходе из форсунки дробится на капли. Тангенциальная форсунка обеспечивает интенсивное и сравнительно равномерное орошение в радиусе 2 - 2,5 м. В аппаратах большого диаметра устанавливают несколько форсунок.

Ограниченное применение для целей абсорбции находят тарельчатые колонны. Их применяют в основном в тех случаях, когда количество орошающей жидкости очень мало. В аппаратах используют стандартные колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и провальные тарелки. На тарелке поддерживается слой жидкости, через который барботирует восходящий поток газа, распределяясь в жидкости пузырьками и струйками. Газ последовательно проходит через слои жидкости на тарелках, расположенных в колонне на определенном расстоянии. Жидкость непрерывно перетекает с верхних на расположенные ниже тарелки. В межтарельчатом пространстве газ отделяется от унесенных капель и брызг. Контакт между поднимающимся газом и стекающей жидкостью осуществляется непрерывно.

В механических абсорберах межфазная поверхность контакта образуется путем разбрызгивания жидкости в газообразной среде с помощью вращающихся устройств различных типов.

Рис.10.23. Оросительные жалоба

Рис.10.24. Тангенциальная форсунка

Механические абсорберы по своей эффективности превосходят абсорберы других типов. Это объясняется тем, что, во-первых, при разбрызгивании жидкости на мелкие капли образуется большая развернутая поверхность контакта фаз, а во-вторых, абсорбция газов летящими каплями жидкости в несколько раз больше, чем при тех же условиях стекающей пленкой. Благодаря этому механические абсорберы весьма компактны (рис. 10.25). Общий недостаток механических абсорберов - сложность конструкции и значительный брызгоунос.

Рис.10.25. Механический абсорбер

Адсорберы

Адсорберы - это аппараты (рис.10.26), в которых происходит разделение газовых, паровых или жидких смесей путем избирательного поглощения одного или нескольких компонентов исходной смеси поверхностью пористого твердого тела - адсорбента.

Наиболее часто адсорберы используют для разделения газовых или паровых смесей, очистки и осушки газа, улавливания из парогазовых смесей ценных органических веществ.

Процесс адсорбции является избирательным и обратимым. Это означает, что каждый адсорбент способен поглощать лишь определенные вещества и не поглощать другие вещества, содержащиеся в газовой смеси.

Рис. 10.26. Схема загрузки адсорбера:

1 - нижний дефлектор; 2 - муллит; 3, б - сетки; 4 - силикагель мелкопористый; 5- силикагель крупнопористый; 7 - верхний дефлектор

Поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента путем десорбции - процесса, обратного адсорбции.

В качестве адсорбентов используются твердые вещества в виде зерен размером 2 - 8 мм или пыли с размером частиц 50 - 200 мкм, обладающих большой пористостью (например, 1 г. активированного угля имеет поверхность пор от 200 до 1000 м 2 , поверхность пор 1 г . силикогеля составляет до 500 м 2).

Адсорберы подразделяют не следующие типы:

1) с неподвижным зернистым адсорбентом; 2) с движущимся зернистым адсорбентом; 3) c псевдоожиженным (“кипящим”) слоем пылевидного адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента представляют собой полые вертикальные или горизонтальные аппараты (рис. 10.27), в которых размещен адсорбент. Паровоздушная или газовая смесь, подлежащая разделению, подается внутрь корпуса 1 адсорбера через специальный штуцер. Внутри адсорбера смесь проходит через слой зернистого адсорбента, уложенного на решетке 2 . Зерна адсорбента поглощают из смеси определенный компонент. После этого газовая смесь удаляется из адсорбера через выхлопной патрубок.

Адсорбент может поглощать извлекаемый компонент до некоторого предела насыщения, после которого проводят процесс десорбции. С этой целью прекращают подачу паровоздушной смеси в адсорбер, а затем в аппарат подают перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент), который движется в направлении, обратном движению паровоздушной смеси. Паровая смесь (смесь паров воды и извлекаемого компонента) удаляется из адсорбера и поступает на разделение в ректификационную колонну или отстойник.

После десорбции, длящейся приблизительно одинаковое с процессом адсорбции время, через слой адсорбента пропускают горячий воздух, которым адсорбент подсушивается. Воздух входит в аппарат через паровой штуцер, а удаляется через штуцер для паровой смеси.

Рис.10.27. Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента:

а- вертикальный; б- горизонтальный; 1- корпус; 2- решетка; 3,5- штуцера

Высушенный адсорбент затем охлаждается холодным воздухом до необходимой температуры.

Современный адсорбер оснащен системой приборов, которые в нужное время автоматически переключают потоки с адсорбции на десорбцию, затем на сушку и охлаждение. Чтобы установка непрерывно разделяла газовую смесь, ее комплектуют из двух или более адсорберов, которые включаются на поглощение и другие операции поочередно.

Адсорберы с псевдоожиженным слоем пылевидного адсорбента делят на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый адсорбер этого типа (рис.10.29) имеет полый цилиндрический сосуд 1, в нижней части которого закреплена газораспределительная решетка 3. Псевдоожижающий газ, он же и исходная смесь, подается под решетку. Пройдя отверстия решетки, газ входит в псевдоожиженный слой пылевидного адсорбента 3, где протекает процесс адсорбции. Газ по выходе из слоя очищается от пыли в циклоне и удаляется из аппарата. Адсорбент непрерывно вводится сверху в псевдоожиженный слой и удаляется через трубу. Регенерация адсорбента производится в другом аппарате, аналогичном по конструкции первому.

Рис.10.29. Одноступенчатый адсорбер

1- цилиндрический корпус; 2 – газораспределительная решетка; 3 – псевдоожиженный слой зернистого пылевидного абсорбента.

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:

1) колпачковые,
2) сетчатые,
3) насадочные,
4) барботажные.

Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).

Колпачковые колонны

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рис. 5 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Рис. 5. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1-тарелка; 2-колпачок; 3-паровой патрубок; 4-переливная трубка.

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рис. 6. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, - основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

Процесс барботажа на тарелке весьма сложен. Проводившиеся до сих пор исследования (В.Н. Стабников, А.М. Шуер и др.) дают возможность представить лишь качественную картину процесса.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью.

Рис. 6.

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.

Виды колпачковых тарелок

Для создания достаточной поверхности соприкосновения между паром и жидкостью на тарелках обычно устанавливают не один, а большое число колпачков (рис. 7).

Колпачки располагают на близком расстоянии друг от друга (равен в среднем 1,5 диаметра колпачка) с тем, чтобы пузырьки, выходящие из соседних колпачков, прежде чем принять вертикальное направление движения, могли бы сталкиваться друг с другом.

Типовые Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным и с диаметральным переливом жидкости. Тарелки первого типа (рис. 3, а) представляют собой вырезанные из стального листа диски 1 и 2, которые крепятся на болтах 7 и прокладках 8 к опорному кольцу 3. Колпачки 4 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным переливным трубкам 5, течёт к центру и сливается на следующую тарелку по центральной переливной трубке 6, затем снова течёт к периферии и т.д.

Рис. 7.

1 и 2-диски; 3-опорное кольцо; 4-колпачки; 5-периферийные колпачковые трубки; 6-центральная переливная трубка; 7-болты; 8-прокладки.

Тарелки этого типа (рис. 8) представляют собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2, с одной стороны тарелка ограничена приёмным порогом 3, а с другой стороны - переливным порогом 5 со сменной гребенкой 6, при помощи которой регулируют уровень жидкости на тарелке.

В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путём замены сливных труб сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 7 для того, чтобы уменьшить вспенивание и брызгообразование при переливе жидкости.

Рис. 8.

1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный порог; 4-колпачки; 5-переливной порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка.

В тарелках с туннельными колпачками (рис. 9) колпачки 1 представляют собой стальные штампованные пластины полукруглого сечения с гребенчатыми краями; каждый колпачок устанавливают над желобом 2 строго горизонтально при помощи двух уравнительных шпилек 3. Жидкость сливается через переливной порог 4 в сегментный карман 5, затем через три переливных трубки 6 - в приёмный сегментный карман следующей тарелки. Здесь образуется гидравлический затвор, и поднимающиеся по колонне пары не могут проходить на тарелку, лежащую выше, минуя колпачки. Ток жидкости на тарелках - диаметральный.

На тарелках такого типа можно легко регулировать высоту слоя жидкости, быстро производить установку в горизонтальной плоскости имеющегося на ней небольшого числа колпачков и, следовательно, создавать благоприятные условия для равномерного распределения паров. Конструкция тарелки отличается простотой монтажа и демонтажа.

Рис. 9.

1-колпачки; 2-желоб; 3-шпилька; 4-переливной порог; 5-сегментный карман; 6-переливные трубки; 7-опорный уголок с вырезами.

Ректификационные тарельчатые колонны с круглыми (капсульными) и туннельными колпачками, предназначенные для работы под атмосферным давлением, имеют диаметры 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2200, 2600 и 3000 мм. Эти колонны изготавливают из углеродистой стали. Разделение химически активных смесей производят в колоннах из кислотоупорных сталей, высококремнистого чугуна и других химически стойких материалов.

Сетчатые колонны

Колонны этого типа (рис. 10) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.

Рис. 10.

1-корпус; 2-сеичатая тарелка; 3-переливная трубка; 4-стакан

Рис. 11.

Пар проходит через отверстия тарелки (рис. 11) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг - основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

В определенном диапазоне нагрузок сетчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для сетчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д. тарелки.

Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.

Проскок жидкости у сетчатых тарелок возрастает с увеличением диаметра тарелки и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удерживалась не тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно диаметр отверстий сетчатых тарелок принимают равным 0,8-3 мм.

Сетчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, сетчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Сетчатые тарелки уступают колпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем у колпачковых.

При внезапном прекращении подвода пара или значительном снижении его давления тарелки сетчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.

Очистка, промывка и ремонт сетчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования сетчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Для повышения к.п.д., в сетчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром. Существует сетчатая колонна с принудительным круговым движением жидкости на тарелках - одна из современных конструкций сетчатых тарелок, в которых длительный контакт достигается принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении ее движения на всех тарелках колонны.

Насадочные колонны

В таких колоннах обычно применяется кольцевая насадка. Наиболее распространены кольца размером 25?25?3 мм. В укрепляющей колонне количество жидкости меньше количества поднимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей же колонне количество жидкости больше, чем в укрепляющей, на количество вводимой смеси.

Неравномерное распределение жидкости по сечению колонны может привести к недостаточно четкому разделению компонентов, особенно при большом диаметре колонны. Низкое гидравлическое сопротивление насадочных колонн существенно лишь при ректификации в вакууме.

Насадочные ректификационные колонны применяются главным образом небольшого диаметра (примерно до 1 м), а также при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ.

Барботажные колонны

Применяются с колпачковыми, ситчатыми и провальными тарелками. Значительное сопротивление барботажных колонн при ректификации обычно не существенно (кроме процесса ректификации в вакууме), так как вызывает лишь некоторое повышение давления и, следовательно, температуры кипения в нижней части колонны и не связано с дополнительным расходом энергии.

Барботажные колонны являются наиболее распространенными ректификационными аппаратами благодаря возможности разделения в них компонентов с любой степенью четкости. Чаще всего применяются колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми и провальными тарелками применяются при разделении незагрязненных жидкостей в установках, работающих с постоянной нагрузкой.

Центробежные ректификаторы

Для интенсификации массообмена и повышения эффективности разделения, были предложены аппараты, работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Центробежный пленочный ректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается с большой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты, ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит на поверхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает и турбулизацией потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность устройства, центробежные ректификационные аппараты могут быть успешно применены при разделении смесей, требующем очень большого числа тарелок.

Кубы и дефлегматоры

(Теплообменные устройства ректификационных колонн).

Куб периодически действующей колонны обычно выполняют в виде горизонтального котла с змеевиком для обогрева. Ёмкость куба должна быть рассчитана на количество всей смеси, перегоняемой за одну операцию.

В колоннах непрерывного действия куб служит лишь для испарения части стекающей вниз жидкости и является, таким образом, кипятильником. По устройству такие кипятильники сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена применяют теплообменники с обогревом при помощи змеевика или в виде горизонтальной трубчатки, пронизывающей всю нижнюю часть колонны, причем греющий пар пропускается по трубам (рис. 12, а).

При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кубы с естественной циркуляцией теплоносителя (рис. 12, б), аналогичные по устройству выпарным аппаратам с выносным кипятильником.

Рис. 12. Устройство кипятильников ректификационных колонн:

а - горизонтальная трубчатка; б - выносной кипятильник.

Дефлегматоры выполняют обычно в виде вертикальных или горизонтальных кожухотрубных теплообменников. Чаще всего вода проходит по трубам, пары движутся в пространстве. Иногда пары пропускают по трубам, а воду - в межтрубном пространстве; в этом случае очистка труб от накипи затруднительна.

Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.

Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.

С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.

Принципиальная схема

Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.

Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).

Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:

Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.

Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.

Разница между дистилляцией и ректификацией

Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.

Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.

С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.

Отличие	Дистилляция	Ректификация
Органолептика напитка	Сохраняет аромат и вкус исходного сырья.	Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение).
Крепость на выходе	Зависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%).	До 96%.
Степень разделения на фракции	Низкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно.	Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения).
Способность убрать вредные вещества	Низкая или средняя. Для повышения качества требуется минимум две перегонки с разделением на фракции хотя бы при одной из них.	Высокая, при правильном подходе отсекаются все вредные вещества.
Потери спирта	Высокие. Даже при правильном подходе можно извлечь до 80% от всего количества, сохранив приемлемое качество.	Низкие. Теоретически, реально извлечь весь этиловый спирт без потери качества. На практике минимум 1-3% потерь.
Сложность технологии для реализации в домашних условиях	Низкая и средняя. Подходит даже самый примитивный аппарат со змеевиком. Возможны улучшения оборудования. Технология перегонки проста и понятна. Самогонный аппарат обычно не занимает много места в рабочем состоянии.	Высокая. Требуется специальное оборудование, изготовить которое без знаний и опыта невозможно. Процесс сложнее для понимания, нужна предварительная хотя бы теоретическая подготовка. Колонна занимает больше места (особенно по высоте).
Опасность (в сравнении друг с другом), оба процесса пожаро- и взрывоопасны.	Благодаря простоте самогонного аппарата дистилляция несколько безопаснее (субъективное мнение автора статьи).	Из-за сложного оборудования, при работе с которым существует риск допустить больше ошибок, ректификация опаснее.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.

Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.

Одна из самых распространенных домашних конструкции

Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.

Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.

Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.

Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.

Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)

Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.

Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.

Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.

Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.

Насадки из мочалок самые практичные

Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.

Свойства ректификационной колонны

Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.

Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.

Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).

Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.

Термометр позволяет точно контролировать процесс отбора фракций

Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).

Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).

Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.

Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.

О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.

Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.

В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.

Принцип работы ректификационной колонны

Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.

Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.

Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.

Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.

Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!

На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.

Размер имеет значение. Возможности спиртзаводов в плане очистки куба больше, чем при домашней ректификации

После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.

После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.

В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.

Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.

Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.

Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.

Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.

Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.

Захлебывание ректификационной колонны

Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.

Причины захлебывания ректификационной колонны:

превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
засорение нижней части устройства и переполнение куба;
очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
конструктивные ошибки и неисправности.