Сущность ректификации

     а – при частичной конденсации; б – при полной конденсации (с  подачей флегмы насосом). 1-дефлегматор; 2-конденсатор; 3-холодильник; 4-сборник;

     5-насос; 6-трубка.

     По  другой схеме полной конденсации (рис. 4,б) дефлегматор 1 располагают ниже верха колонны. Конденсат отводится  в сборник 4. Флегма подается на орошение колонны насосом 5. Дистиллят отбирается из сборника 4 или из напорной линии  насоса.

     Трубка 6 сообщается с атмосферой (непосредственно  или гидравлический затвор) или, при  ректификации в вакууме, присоединяется к вакуум-насосу.

     Основное  преимущество полной конденсации заключается  в возможности более простого и точного регулирования процесса. 

     1.3.5 Использование тепла  при ректификации.

     При ректификации тепло расходуется  на испарение флегмы и дистиллята, а также на нагревание остатка. Тепло  испарения отводится с охлаждающей  водой в дефлегматоре, тепло остатка  теряется вместе с ним или отводится  в холодильнике, в котором обычно охлаждают остаток.

     При непрерывной ректификации тепло  остатка может быть использовано для предварительного подогрева  исходной смеси до температуры кипения. Для этого горячий остаток  пропускают через теплообменник (см. рис. 2), в котором подогревается смесь, поступающая на ректификацию. Можно также охлаждать исходной смесью дефлегматор; нагретая в дефлегматоре смесь поступает затем в теплообменник, где подогревается остатком. Для подогрева смеси можно использовать и конденсат водяного пара, обогревающего кипятильник колонны.  

     1.4 Конструкции ректификационных  колонн.

     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).

     1.4.1 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. 

     1.4.1.1 Схема работы колпачковой тарелки.

     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.

     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.

       

     Рис. 6. Схема работы колпачковой тарелки. 

     1.4.1.2 Виды колпачковых тарелок.

     1. Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости.

     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. Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости.

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

     2. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости.

     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. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости.

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

     3. Колпачковая тарелка с туннельными колпачками.

     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. Колпачковая тарелка с туннельными колпачками.

     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. 

     1.4.2 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. Схема устройства сетчатой колонны.

     1-корпус; 2-сетчатая тарелка; 3-переливная трубка; 4-стакан.

       

     Рис. 11. Схема работы сетчатой тарелки.

     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).