≡×МЕНЮ

• Інтер'єр
• Вікна
• Стіни
• Проекти
• Будівлі

Ковпачкові тарілки в колоні ректифікації. Конструкції колон ректифікації. Насадкові колони ректифікації

Ректифікація дозволяє отримати спирт високої міцності та чистоти. Обидві якості залежать від того, наскільки добре людина, яка керує процесом, розуміє її суть. Тому знати теорію ректифікації треба кожному, хто хоче робити чисті та міцні спиртні напої на самогонному апараті.

Історія ректифікації

Почнемо із процесу дистиляції, адже саме він є попередником ректифікації. Немає точної інформації про те, хто перший винайшов дистиляцію. В. Шнайдер, укладач словника алхімічних та фармацевтичних термінів, вважає, що ця заслуга належить насамперед персам, які використовували дистиляцію, щоб отримати рожеву воду (ефір троянди). Можна дійти невтішного висновку, що історія дистиляції налічує понад 3500 років. Спочатку дистиляцією називали всі процеси поділу сумішей на компоненти. У міру їх вивчення процеси класифікували та дали їм найменування. Таким чином, зараз дистиляцією називають поділ речовин, заснований на випаровуванні рідини і подальшої конденсації парів.

Аламбіки були першими апаратами для дистиляції та конструкційно практично не змінилися за кілька тисяч років. Спочатку використовувалися, щоб отримувати ароматні олії.

Наука не стояла дома, процес дистиляції ретельно вивчався і вдосконалювався. З початку XVI століття спостерігалася велика кількість робіт з підбору випарних кубів та системи обігріву апаратів. Для забезпечення безперервної роботиколони використовувалися водяні та пісочні лазні, застосовувалися воскові свічки. Тільки до 1415 вперше було запропоновано застосовувати теплоізоляцію, а саме шерсть тварин. Наприкінці XVI століття було виявлено перевагу водяного охолодження конденсатора, на той час охолодження було повітряним.

У період XVI по XIX століття стрімко відбувалася модернізація апаратури. Виходячи з інертності матеріалів по відношенню до рідин, що виганяються, в перегінних кубах в якості оптимальних використовувалися скло і кераміка, надалі нержавіюча сталь. У 1709 році вперше з'явилися теорії про дефлегмацію (повернення частини пар, що сконденсувалися, в колону).

Результатом усіх досліджень та розробок став винахід першої ректифікаційної колонибезперервної дії французькими інженерами Адамом, Бераром та Пер'є, які отримали на неї патент у 1813 році. Вона досі відповідає сучасним колонам ректифікації. З цього періоду починається історія ректифікації у науці та промисловості.

Поняття ректифікації

Існують різні визначенняректифікації.

Ректифікація - це процес поділу бінарних (двокомпонентних сумішей, наприклад, спирт-вода) або багатокомпонентних сумішей за рахунок протиточного масо-і теплообміну між парою і рідиною. Ректифікація - поділ рідких сумішей на практично чисті компоненти, що відрізняються за температурою кипіння шляхом багаторазових випарів рідини і конденсації парів.

Незважаючи на такі складні формулювання, в процесі ректифікації немає нічого складного. Маючи необхідне обладнання та базові знання, її легко можна провести у себе на кухні.

Процес ректифікації

Е. Крель у своїх працях «Посібник з лабораторної перегонки» виклав основний принцип ректифікації:

Обмін речовин (масообмін та теплообмін) відбувається шляхом проходження парової суміші через наповнювач колони.

На швидкість та якість цього процесу впливають такі фактори:

1. Коефіцієнт дифузії (проходження парової суміші через наповнювач колони);
2. Концентрація речовини, що виганяється;
3. Площа поверхні контакту колоні;
4. Різниця температур кипіння компонентів, що розділяються.

Можна зробити висновок, що процес ректифікації спирту краще протікати за таких умов: хорошої дифузії, високої концентрації компонента, що відокремлюється, розвиненої площі контакту.

Особливу увагу Крель приділив важливості стану міжфазної поверхні та перерахував фактори, що визначають процес ректифікації:

1. Властивості суміші, що розділяється: леткість компонентів, склад суміші, взаємна розчинність компонентів.
2. Характеристика насадки: форма насадки, спосіб укладання насадки, щільність заповнення колони.
3. Непрямі фактори: спосіб подачі рідини в колону, інтенсивність та метод обігріву, робочий тиск.

Види ректифікаційних колон

Залежно від контактних пристроїв, що застосовуються, колони діляться на тарілчасті і насадкові.

Тарілчасті колони ректифікації

В основному поширені в нафтопереробній галузі та на великих виробництвах. Тарілчасті колони є вертикальною трубою, в якій через певну відстань встановлюються тарілки різної конфігурації, де йде контакт між парової і рідкої фазами.

Нестача колон: дорожнеча та великі габарити.

Переваги: тарілчаста колона ректифікації тонше розділяє фракції.

Насадкові колони ректифікації

На сьогоднішній день широкого поширення набули насадочні колони. Це ті ж вертикальні трубитільки в них встановлюється інший контактний пристрій - насадка.

Насадки поділяються на два типи:

Нерегулярна - невпорядкований шар насипного або інертного матеріалу, що заповнюється (наприклад, спірально призматична насадка СПН).

Переваги: мала вага, велика площаконтакту.

Недоліки: високий опір, складність правильного розподілу парів та флегми.

Регулярна - являє собою скомпоновані в касети перфоровані сітки та листи (до них відноситься регулярна насадка дротяна Панченкова (РПН).

Переваги: висока ефективність, невеликий перепад тиску.

Недоліки: насадкова колона ректифікації явних недоліків не показала

Процеси в колоні ректифікації

Розглянемо, що відбувається у самій колоні з прикладу устаткування Фабрики «Доктор Губер». Тут немає ніякої магії чи секретних технологій, все дуже просто.

Ректифікаційні колони для приватного застосування є вертикальними трубками діаметром від 40 до 50 мм, висотою не більше 180 см, заповнені насадками РПН або СПН. Дані колони оснащені холодильником або дефлегматором, а також вузлом відбору спирту.

Розглянемо періодичну ректифікацію на колоні насадочного типу із регулярною насадкою РПН, яку кожен зможе повторити в домашніх умовах.

При нагріванні куба з брагою, яка є багатокомпонентною сумішшю, до складу якої крім води та спирту входять побічні продукти бродіння (альдегіди, кислоти, ефіри і т.д.), починається процес кипіння та випаровування цих компонентів. Температура початку процесу може бути різною, все залежить від якісного та кількісного складу бражки або спирту-сирцю. Протягом процесу пар піднімається по колоні, починає її прогрівати та частково конденсуватися, при цьому утворюється «дика флегма».

Утворення дикої флегми відбувається за рахунок охолодження корпусу колони, у зв'язку з втратами тепла навколишнє середовище. Виникають якісні та кількісні втрати по спирту (до 10%).

У стандартних ректифікаторах проблема утворення дикої флегми вирішується за допомогою теплоізоляції колони.

Висококваліфіковані фахівці Фабрики Доктор Губер знайшли інший спосіб вирішення цієї проблеми шляхом створення колони Торнадо. Структура колони дозволяє пару, що піднімається, проходити спочатку по зовнішньому контуру колони, створюючи при цьому активний підігрів. Внаслідок втрати тепла у навколишнє середовище від робочої частини колони стають мінімальними. На виході готовий продукт виходить із покращеними органолептичними та фізико-хімічними показниками.

Після прогрівання колони пари досягають холодильника або дефлегматора, в якому вони конденсуються та повертаються в колону у вигляді флегми.

Потік флегми прямує назустріч парам, що піднімаються по колоні. Відбувається масо- та теплообмін. Температура при ректифікації спирту має ключове значення: флегма на своєму шляху із зони з низькою температурою в зону більш високих температур поглинає з потоку парів висококиплячі компоненти (сивушні олії) і виділяє легкокиплячі компоненти (спирт). Так як ці процеси протікають на межі розділу фаз, то дуже важливо створити максимально можливу поверхнюконтакту. Для цього колони ректифікації Доктор Губер оснащують РПН, який створює максимальну поверхню контакту по всій її довжині.

Якість спирту залежить від швидкості відбору. А саме, що більше флегми забирається з колони, то гірше йде процес масообміну, отже зменшується міцність спирту на виході з колони. І навпаки, що менше забирається флегми, то краще процес масобміну та підвищення міцності кінцевого продукту.

Для контролю швидкості відбору спирту на колони встановлюються голчасті крани для тонкого регулювання та оглядові стекла.

Створити розвинену поверхню контакту недостатньо, необхідно правильно її зрошувати. У насадкових колонах має місце пристінковий ефект. Флегма проходить не через насадку, а стікає по стінах колони, внаслідок чого зменшується ефективність її роботи. При правильному заповненні колони цей ефект мінімальний, він практично відсутній у колоні Торнадо, де встановлюється ковпачкова тарілка із центральним зливом. У результаті флегма прямує рівно на насадку і досягається максимальний ККД цієї колони.

Що стосується діаметра і висоти колони, за даними Стедмана і Мак-Магона діаметр насадкових колон надає незначний вплив на якість сумішей, що розділяються.

Висота колони. Йдеться про її робочу частину (частина колони, яка наповнена насадкою) має бути не більше (6-8)хD. Якщо висота більша за цей вираз, то колони заповнюють секційно, щоб уникнути пристінкового ефекту.

Як вибрати колону ректифікації

При виборі колони звертайте увагу на такі пункти:

1. Матеріал колони, у тому числі і наповнювач, повинні бути інертні по відношенню до пар спирту;
2. Колона має бути оснащена регульованим вузлом відбору;
3. Наявність високопродуктивного холодильника чи дефлегматора;
4. Обов'язкова наявність атмосферного клапана для безпечної роботи.

P.S. Ректифікація спирту не складний процес і за наявності необхідного обладнанняїї легко можна провести в домашніх умовах. До 2016 року асортимент обладнання ректифікації безмежно зростає. Незважаючи на невеликі конструктивні відмінності всіх апаратів, процес ректифікації залишається незмінним і його якість насамперед залежатиме від знань та досвіду людини, яка контролює процес.

§ 1.2 Тарілчасті колони. Вимоги та типи конструкцій тарілок

Тарілчастими називають колонні апарати, у яких внутрішніми пристроями робочій зоніє тарілки.

Тарілки – це барботажне пристрій, у якому під час роботи відбувається масообмінний процес, тобто. перехід компонента з однієї фази в іншу внаслідок безпосереднього контакту між робочими середовищами.

У хімічній та нафтопереробній промисловості застосовують тарілчасті колони різних розмірів: від невеликих діаметром 300÷ 400 мм до високотоннажних високопродуктивних установок з колонами діаметром 5÷ 12 м. Висота колони залежить від кількості тарілок та відстані між ними. Зазвичай відстані між тарілками приймають 250 ÷ 300 мм. З міркувань конструктивного порядку та можливості ремонту та очищення тарілок у колонах великого діаметра відстань між ними збільшують до 500÷ 600 мм.

Загальний виглядтарілчастої колони ректифікації представлений на малюнку. Вона складається з корпусу 3, переливних патрубків 1 , кільцевої опори 4, опорних кілець 6, тарілок 2 та виносного кип'ятильника 5 та має ряд штуцерів для подачі продуктів та встановлення приладів.

Через різноманітність масообмінних процесів застосовують тарілки різних типів:ковпачкові, ситчасті, клапанні, струминно-спрямовані, з S-подібними елементами.

До тарілок пред'являють такі основні вимоги:

Вони мають високий К.П.Д., тобто. забезпечувати хороший контакт між рідиною та парою;

Вони повинні мати малий гідравлічний опір;

Вони повинні стійко працювати при значному коливанні витрат пари та рідини;

Вони мають бути прості за конструкцією;

Вони мають бути зручними в експлуатації;

Вони повинні бути нечутливі до різних опадів та відкладень.

Конструкції тарілок.

Ковпачкові тарілкискладні та металомісткі в порівнянні з тарілками інших типів.

Основною частиною ковпачкової тарілки (див. рисунок) є основа 2 – сталевий відбортований диск товщиною 4 мм з отворами для встановлення парових патрубків 3 та сегментної зливальної труби 1. Над паровими патрубками встановлені стандартні ковпачки 4. Для створення необхідного рівня рідини тарілка має зливну перегородку. 10, до якої гвинтами прикріплена регулювальна планка 9. Перегородка 5 утворює так звану вхідну кишеню, в яку занурюється зливна труба вище розташованої тарілки. Нижня тарілка встановлена ​​на кільці 15, привареному до царги. Точність горизонтальної установкизабезпечується регулювальними гвинтами 14.

Для встановлення вище тарілки служать стоїки 1 , що мають опорні плитки 8. Таким чином заповнюють усю царгу.

Зазор між бортом основи тарілки та царгою ущільнюють встановленням сальникового набивання. 13 і затисканням її притискним кільцем 6 за допомогою шпильок 11 та скоб 12.

Рідина через сегментну зливну трубу заповнює тарілку на рівень, що визначається положенням регулювальної планки 9 . Ковпачки своїми прорізами занурені у рідину. Пара проходить знизу через парові патрубки, щілини ковпачків та барботує крізь шар рідини; при цьому відбувається масообмін. Рідина переливається на розташовану нижче тарілку, а пара йде вгору.

Ковпачки (див. малюнок) для тарілок виготовляють двох виконань (I – нерегульовані по висоті та II – регульовані по висоті).

Ковпачки 1 прикріплені до парових патрубок 2 спеціальними болтами 5 шайбами ​​3 і гайками 4. По краю ковпачок має прорізи шириною 4 мм та висотою 15; 20 чи 30 мм.

Ковпачки розташовують на тарілці по вершинах рівносторонніх трикутників або у шаховому порядку. Відстань між краями ковпачків 40÷ 60 мм.

Ситчаста тарілка- це лист з пробитими в ній круглими (рисунока ), щілиноподібними (малюнокб ) або просіченими трикутними (малюнокв ) отворами розміром 2÷ 15 мм. Пара, що проходить в отвори, барботує через шар рідини, яка стікає через переливні патрубки. Швидкість пари в отворах 10÷ 12 м/с.

Ситчасті тарілки прості в конструкції та ефективні. Їх недолік – необхідність точного регулювання заданого режиму (особливо щодо витрати газу) та чутливість до опадів та відкладень, що забивають отвори.

Ситчасті тарілки застосовують переважно для колон малого розміру, т.к. при діаметрах понад 2,5 м-коду розподілу рідини на тарілці стає нерівномірним.

Хвиляста сітчаста тарілка

Клапанні пластини.Основні елементи клапанної тарілки – підйомні клапани (див. малюнок) круглої та прямокутної форми, що закриває отвори в тарілку. Конструктивно клапан виконаний так, що підйом можливий лише на певну величину. При певній швидкості пар в отворі клапани врівноважуються потоками пари і при подальшому збільшенні навантаження починають підніматися таким чином, що швидкість пари в перерізі між клапаном і полотном тарілки залишається приблизно постійною. Наслідком цього є рівномірний розподіл пари по площі тарілки, зменшення винесення рідини та менший гідравлічний опір.

Клапани виготовляють штампуванням з листового металу завтовшки 2÷ 3 мм. Діаметр дискових клапанів 50÷ 100 мм, повна висотапідйому 8÷ 15 мм. У крайньому нижньому положенні між клапаном та площиною тарілки є зазор 1÷ 1,5 мм.

Тарілки струминно-спрямовані.Застосовують для колонних апаратів діаметром 1000...3600 мм. На штампованих секціях просічені та відігнуті під кутом 30 або 40 ° напівкруглі "язички" (радіусом 20; 25 або 30 мм). Відстань між сусідніми рядами язичків 50 мм. При надходженні знизу пари (газу) створюється його струминно-спрямований рух через шар рідини, що знаходиться на тарілці, і відбувається інтенсивний барботаж.

Тарілка з S-подібними елементами(Див. малюнок). Їхня основна перевага – простота конструкції та велика жорсткість штампованих елементів. S-подібні елементи є ковпачками з одностороннім виходом пари. Пара з них виходить у тому ж напрямку, що і рідина, що рухається по тарілці.

Колони з внутрішнього пристрою поділяються на дві основні групи: тарілчасті (рис. 10.2) та насадкові.

Найбільш поширені тарілчасті колони – вертикальні циліндричні судини, всередині яких розташовані поперечні перегородки – барботажні тарілки. Кожна тарілка - це ступінь контакту між газами (парами), що піднімаються, і рідиною, що стікає. Ступінь вилучення компонентів з газу, чіткість поділу вуглеводнів, а також відпарювання поглинених компонентів з рідини залежить від числа щаблів контакту та від того, наскільки хороший контакт забезпечує конструкція тарілок.

До тарілок ректифікаційних та абсорбційних колон пред'являються такі вимоги: вони повинні забезпечувати хороший контакт між рідиною та парою, мати малий гідравлічний опір, стійко працювати при значному коливанні витрат пари та рідини. Тарілки повинні бути прості за конструкцією, зручні в експлуатації, мати малу масу.

Тарілки класифікують за кількістю потоків, типів та конструкції контактних елементів, характером взаємодії фаз у зоні контакту, організації переливу рідини. За кількістю потоків тарілки виконують одно-, дво- та багатопотоковими (рис. 10.3) та тарілки з каскадним розташуванням полотна.

За типом контактних елементів тарілки поділяються на тарілки ковпачкові, з S-подібних елементів, клапанні, ситчасті, гратчасті, лускаті, язичкові та ін.

Залежно від напрямку руху парової та рідкої фаз у зоні контакту виділяють тарілки з перехресним струмом, прямоточні та протиточні. По організації переливу рідини тарілки поділяють на переливні та безпереливні (провального типу).

Залежно від діаметра апарату тарілки виконують із суцільним полотном та розбірною конструкцією. Тарілки розбірної конструкції збирають з окремих полотенширина яких дозволяє заносити їх у колону через люки. Полотна розміщують на опорних балках.

Рис.10.3. Схеми тарілок:

а-однопотоковий; б-двопотокової; в-трипоточної; г-чотирипотокової; д-каскадний

Варіанти кріплення секцій полотна тарілок та полотна тарілок до корпусу апарату наведено відповідно на рис. 10.3. та 10.4

Рис.10.4. Варіанти кріплення секцій полотна тарілки:

1- полотно; 2-прокладка; 3-планка; 4-притискний куточок; 5- клин; 6- скоба

Мал. 10.2 Атмосферна колона ректифікації.

Рис.10.4. Варіанти кріплення полотна тарілки до корпусу:

а- зварюванням; б-на прокладці з притискною планкою зверху; в-на прокладці зі струбциною; г- на сальнику з набивкою

Для зручності монтажу та ремонту тарілок відстані між ними приймають не менше 450 мм,а в місцях встановлення люків у корпусі колони – не менше 600 мм.

В даний час на старих колонах, що експлуатуються, переважають колони з ковпачковими тарілками. Вони складні та металомісткі в порівнянні з тарілками інших видів. Деякі їх показники поступаються сучаснішим типам тарілок, але вони добре освоєні. Схема роботи ковпачкових тарілок показана на рис. 10.5.

Газ барботує через шар рідини, розпорошуючись на дрібні бульбашки, які утворюють шар піни з великою питомою поверхнею над рідиною, що знаходиться на тарілці. Кожна тарілка має безліч круглих чи прямокутних отворів, у які ввальцьовані чи вварені патрубки певної висоти. Патрубки накривають ковпачками, що мають круглий або шестигранний переріз. Між верхнім зрізом патрубка та ковпачком є ​​зазор для проходу парів або газів, що надходять з-під тарілки. Нижня частина ковпачків під час роботи колони перебуває у рідини. Нижня кромка ковпачка має зубчики та прорізи.

Рівень рідини на тарілці підтримується спеціальними зливними перегородками, нижня частина яких доходить до тарілки. Завдяки цьому утворюється гідравлічний затвор, гази (пари) проходять тільки через патрубки під ковпачки і барботируют через шар рідини, а не йдуть через зливні труби або сегменти.

На рис. 10.6. показані дві верхні тарілки колони ректифікації.

Положення ковпачків можна регулювати, тобто встановлювати певний зазор між ковпачками та верхніми зрізами патрубків.

Мал. 10.6. Мал. 10.7.

Мал. 10.6.Схема роботи ковпачкових тарілок: 1- тарілка; 2 – ковпачки; 3 – зливна перегородка; 4 – патрубки для проходу парів; 5 – зливна кишеня.

Мал. 10.7. Загальний вигляд двох верхніх тарілок: 1 – патрубок для виходу пари з колони; 2 – вихідна перегородка; 3 – вхідна перегородка; 4 - патрубок для введення зрошення; 5 – ковпачок.

Кожна тарілка має бути строго горизонтальною; положення ковпачків має бути відрегульоване так, щоб гази або пари зустрічали на своєму шляху шар рідини однакової висоти. Якщо в будь-якій частині тарілки висота шару рідини виявиться меншою, всі пари, або переважна частина їх, будуть проходити в цій частині тарілки. Тут через підвищеної швидкостіпарів ковпачки працюватимуть погано, рідина відтіснятиметься парами, контакт між фазами погіршується і ефективність процесу знижується.

Зливні кишені та сегменти сусідніх тарілок (див. рис. 10.6) розташовані на протилежних сторонахтому рідина, перед тим як вступити на нижчу тарілку, проходить через всю площу тарілки. Висоту шару рідини на тарілці регулюють за допомогою переливної планки, укріпленої болтами на краю вихідної перегородки

Під час роботи колони висота рівня рідини при вступі до колони більша за висоту перед зливним порогом. Ця різниця висот рівнів називається гідравлічним градієнтом. Чим більший діаметр колони, тим довший шлях рідини і тим вищий гідравлічний градієнт.

Мал. 10.8. Мал. 10.9.

Мал. 10.8. Розподіл рідини на одне - зливних (а), двох - зливних (б), і чотирьох - зливних (в) тарілках

Мал. 10.9. Схема робіт тарілки із S – образних елементів

У колонах великого діаметра при великих навантаженнях рідини створюється значний гідравлічний градієнт, внаслідок чого більша частинапарів (газів) може проходити через ковпачки, розташовані біля зливного порогу, викликаючи посилений винесення рідини аж до «захлинування», одночасно на протилежній тарілці можливий перелив через парові патрубки. Для зменшення гідравлічного градієнта в колонах великого діаметру тарілки роблять двопотоковими або чотирипотоковими.

При збільшенні потоковості тарілки (рис. 10.3.) витрата рідини та градієнт зменшуються, допустима максимальна швидкістьпарів зростає, проте робоча площа тарілки зменшується. При здачі колони ковпачкові тарілки випробовують на барботаж. Після закриття люка тієї частини колони, яка знаходиться нижче за випробувану тарілку, останню тарілку заливають водою. Знизу в колону подається під невеликим тиском повітря від вентилятора чи компресора. При правильному складанні тарілки повітря повинне рівномірно барботувати по всьому перерізу. Якщо повітря проходить нерівномірно, тарілка зібрана неправильно: допущено ухил у будь-який бік або ковпачки опущені нерівномірно або перекошені. Випробування тарілки продовжують після усунення помилок у збиранні. Ці операції (випробування та усунення неполадок і нещільностей) продовжують доти, доки не буде досягнуто рівномірного барботування повітря по всьому перерізу тарілки та усунуто всі пропуски повітря крім прорізів ковпачків.

Тарілки S- образних елементів(рис. 10.10) призначені для створення можливо кращого контакту між парою та рідиною і тому повинні мати розвинену поверхню контакту.

Мал. 10.10. Тарілка з S- Образних елементів.

На тарілках цього типу жолоби та ковпачки утворюються при складанні S- Образних елементів з однаковим поперечним перерізом. Складання роблять таким чином, щоб ковпачкова частина елемента покривала жолобчасту частину сусіднього, утворюючи замок для гідравлічного затвора при роботі тарілки. Ковпачкова частина елемента по кінцях закрита заглушками, що запобігають проскок парів та рідини через торці.

Основними перевагами тарілок цього є:

велика жорсткість профілю, що дозволяє виготовляти S- подібні елементи з листової сталі малої товщини - 2,5 - 3,0 мм; мала питома витрата металу; мала трудомісткість робіт з виготовлення, монтажу та ремонту; можливість застосування тарілок без проміжних опор в апаратах діаметром до 4 м; незначна чутливість до нерівномірності завантаження та допустимість значних навантажень режимного характеру.

До недоліків тарілок цього типу слід віднести:

мінімальний живий переріз колони (11-12 % від загального перерізу); значний опір проходження пари, що робить небажаним їх застосування для колон, що працюють під вакуумом; чутливість до забруднень і опадів при переробці забруднених або полімеризованих продуктів.

Клапанні тарілкиє цільні або зібрані з декількох секцій диски, в яких є довгасті щілини або круглі отвори. Щілини прикриваються пластинчастими клапанами, а отвори - круглими (рис.10.12). На відміну від тарілок, що працюють у статичному режимі, тобто при незмінній відстані між конструктивними елементами, клапанні тарілки працюють у динамічному режимі.

При збільшенні витрати пари клапан піднімається і відкриває більший переріз проходу пари (рис.10.13), внаслідок чого клапанні тарілки мають широкий діапазон зміни навантаження по парі. Завдяки простоті конструкції, малій масі та стійкій роботі клапанні тарілки є досить перспективною конструкцією. Вони менш схильні до забруднень, але забруднення та коксовідкладення можуть порушити їхню роботу, тому що в результаті закоксовування клапана “прихоплюються” і перестають працювати в динамічному режимі.

Рис.10.12. . Конструкції клапанів:

а-типу «Глітч»; б-типу «Флексітрей

Рис.10.13. Схема роботи клапана прямоточної тарілки стандартної конструкції при навантаженнях по парах:

а-малих; б-середніх; в-великих.

При збільшенні витрати пари клапан піднімається і відкриває більший переріз проходу пари, внаслідок чого клапанні тарілки мають широкий діапазон зміни навантаження по парі.

Клапанні тарілки мають ще такі переваги перед ковпачковими тарілками, як:

Рівномірний розподіл пари за площею тарілки;

Мала маса;

Простота конструкції.

Все це робить застосування клапанних тарілок перспективним. Клапани виготовляють штампуванням з листового металу завтовшки 2-3 мм.Клапанні тарілки мають зливні пристрої того ж типу, що ковпачкові та ситчасті.

Сітчастатарілкає плоским перфорованим листом зі зливними пристроями з круглими або щілинними отворами діаметром (шириною) 3 - 4 мми більше, t = (3-5) d(Рис. 10.14). Сумарна площа отворів залежно від продуктивності по парі становить від 8 до 30% площі перерізу колони. Швидкість пари в отворах ситчастих тарілок приймають 10 - 12 м/сек.

Мал. 10.14. Полотно сітчастої тарілки

Ситчасті тарілки з відбійними елементами. Полотно тарілки виконують із просічно-витяжних листів (рис.10.15). Напрямок просічки збігається з напрямом руху рідини. Над полотном тарілки (рис. 7.10) упоперек потоку рідини з кроком 200 ммі кутом нахилу 60 до полотна встановлюють відбійні елементи з просічно-витяжного листа висотою 150 ммна відстані 40 ммвід полотна тарілки. Ситчасті тарілки з відбійними елементами високу продуктивністьпо парі, низький гідравлічний опір; їх застосовують поряд із клапанними тарілками у вакуумних колонах.

Напрямок просічки відбійних елементів орієнтовано так, що газорідинний потік, потрапляючи на них, відкидається вниз до полотна. Відбійні елементи організують зону контакту фаз, сприяють сепарації рідини та знижують її винесення.

Рис.10.15. Елемент тарілки із просічно-витяжних листів.

1- полотно тарілки; 2-відбійний елемент

Різновидом ситчастих тарілок є гратчасті провальні тарілки,у яких відсутні переливні патрубки та рідина стікає в отвори у ґратах назустріч парам.

У решітчастих провальних тарілках (рис.10.16) відсутні переточні перегородки. Рідина і гази (пари) протитечією проходять через одні і ті ж отвори (щілини шириною 3-4 мм), тому рівень по всій площі однаковий. Рекомендована висота шару рідини на тарілці 30 мм.

Мал. 10.16а. Рис.10.16б.

Мал. 10.16а. Схема роботи колони з сітчастими тарілками та зливними пристроями.

Мал. 10.16б. Схема роботи колони з гратчастими (провальними) тарілками

Пропускна здатність гратчастих тарілок вища, ніж ковпачкових. При малих швидкостях газового потоку ефективність контакту між фазами сильно знижується.

Різновид гратчастих тарілок - трубчасті або трубчасто-решітчасті тарілки, складені з труб так, що між ними залишаються щілини, через які рухаються протитечією гази та рідина. По трубах пропускають холодоагент для відведення теплоти, що виділяється при абсорбції.

У секціях тарілки є прямокутні прорізи розміром 4'140 ммз кроком від 8 до 36 мм. Зазвичай площа прорізів становить 10 – 30 % площі всієї тарілки. На двох суміжних тарілках прорізи виконують у взаємно перпендикулярних напрямках.

Один із недоліків гратчастих тарілок провального типу - їх чутливість до зміни витрат парової та рідкої фаз; тому їх застосовують у випадках, коли можливі лише порівняно невеликі коливання витрат

Струменеві тарілки(рис.10.17) мають полотно з просічками, метал яких відігнутий у вигляді пелюсток або язичків. У ряді випадків на струменевій тарілці встановлюють поперечні перегородки, які секціонують потік рідини, покращують контакт і створюють необхідний запас рідини на тарілці. Для проходу рідини в перегородках біля полотна тарілки виконують щілину заввишки 10-15 мм.

Конструкцію тарілки та спосіб її з'єднання з корпусом вибирають зазвичай залежно від діаметра колони та конструкції корпусу. Тарілки невеликого діаметру (до 1600) мм) виготовляють як цільного листа з бортами чи бортів. Тарілки великих розмірів роблять роз'ємними, із кількох сегментів. Монтують роз'ємні тарілки, зазвичай, через верх колони. Демонтаж елементів роз'ємних тарілок при ремонтах роблять через бічні люки, розміри яких мають бути достатніми, щоб через них могли пройти частини тарілок. Люки встановлюють через 4 – 10 тарілок.

Рис.10.17. Струменева тарілка з секційними перегородками

Тарілки в колоні необхідно встановлювати горизонтально, тому що при перекосі частина елементів тарілки виявляється не залитою на необхідний рівень рідиною і саме через ці елементи спрямовується основний потік пари, і це різко погіршує роботу колони. З цієї причини не допускається викривлення тарілок і прогинання їх під дією власної сили тяжкості та сили тяжіння рідини.

Струменево-спрямовані тарілки.Вони використовують кінетична енергія парів для спрямованого руху рідини по тарілці, у результаті поліпшується контакт між рідиною і парою.

Струменево-спрямовані тарілки виготовляють із просічно-витяжного листа або з листа з відігнутими язичками, які повідомляють пару похилий рух.

Тарілки в колоні необхідно встановлювати горизонтально, тому що при перекосі частина елементів тарілки виявляється не залитою на необхідний рівень рідиною і саме через ці елементи спрямовується основний потік пари, і це різко погіршує роботу колони. З цієї причини не допускається викривлення тарілок і прогинання їх під дією власної сили тяжкості та сили тяжіння рідини.

Відстань між тарілками для колон малого діаметра (до 0,8 м) приймають рівним 300 мм, а для колон більшого діаметра (450-600 мм) відстань між тарілками має забезпечувати:

Легкість монтажу, ревізії та ремонту тарілок;

Осадження основної частини крапель, що виносяться парою з нижчої тарілки;

Підпір для нормального стоку флегми по зливним трубам без захлинання.

Колони забезпечені люками-лазами для огляду та монтажу тарілок. Число люків у колоні повинно бути таким, щоб при розбиранні тарілок і укладання деталей, що розбираються, на майданчику, що монтується біля кожного люка, від нього можна було дістатися до нижчерозташованого люка. Зазвичай через кожні п'ять тарілок влаштовують один люк-лаз діаметром не менше 450 мм.

Якщо середовище у колонах некорозионноактивна і виключено забивання тарілок продуктами корозії, смолами, коксом та інших., т. е. немає потреби у частої розбиранні тарілок, то люки розташовують через десять тарілок і більше.

Чим менше люків, тим менша вартість колони, менша ймовірність перебігу продукту та пропуску газу.

10.2. Насадочні колони.

Насадкові колони на нафтогазопереробних заводах найчастіше застосовують як абсорбери і десорбери, в процесах очищення та сушіння газу.

Рис.10.18 Насадна колона

1 корпус колони; 2 – розподільні грати; 3 – насадка; 4 – зрошувач.

Насадкова колона є апаратом з перфорованими опорно-розподільними гратами, на які завантажується насадка. Зверху колона зрошується рідиною, знизу надходить потік пари (газів). Контакт між стікаючою рідиною і парами (газами), що піднімаються, відбувається безперервно на висоті шару насадки.

Насадкові колони працюють у різних гідродинамічних режимах. При малих швидкостях потоку парів (газів) та малих щільностях зрошення рідини колони працюють у плівковому режимі. У цьому режимі рідина тече елементом насадки у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки.

При зростанні швидкості руху газу та рідини сила тертя між ними збільшується, утворюються бризки, бульбашки, піна та одночасно збільшується поверхня контакту між фазами, такий режим роботи називають режимом підвисання.

При подальшому збільшенні швидкості руху парів відбувається значне гальмування стікання рідини. Рідина починає накопичуватися у вільному обсязі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікаючою рідиною і газом, що піднімається по колоні, не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці.

Газ починає барботувати через рідину. У колоні утворюється газорідинна дисперсна система, зовнішньому виглядущо нагадує газорідинну емульсію.

Цей гідродинамічний режим називається режимом емульгування. Навіть за невеликого подальшого збільшення швидкості газу (парів) відбувається викид рідини з колони - режим захлинування. Найбільш ефективно колона працює під час переходу від режиму підвисання до режиму емульгування.

Насадкові колони розрізняються за типом насадки, що застосовується, а також за способом заповнення насадкою.

До насадки пред'являються такі вимоги: вона повинна бути дешевою, простою у виготовленні, мати велику питому поверхню. м 3займаного об'єму, чинити малий гідравлічний опір, добре змочуватися зрошуючою рідиною, мати малу насипну щільність, бути стійкою до хімічного впливу рідини і газу, мати високу механічну міцність.

Як елементи насипних насадок застосовують кільця Рашига, кільця Палля і сідлоподібні насадки (рис.10 19.).

Мал. 10.19. Елементи насадок: а – кільця Рашига; б - кільця Палля; в – сідлоподібна насадка

Елементи насадок виготовляють із кераміки, порцеляни, полімерів або тонколистового металу.

При виборі розмірів насадки слід враховувати, що чим більше розміриїї елемента, тим вище допустима швидкість газу, тим вище продуктивність колони і нижче її гідравлічний опір, але тим гірша інтенсивність масопередачі.

Дрібна насадка краще при проведенні процесу під підвищеним тиском, так як при цьому гідравлічний опір не має суттєвого значення. Дрібна насадка має велику питому поверхню.

Основні переваги насадочних колон - простота пристрою та низький гідравлічний опір.

Недоліки - труднощі відведення теплоти в процесі абсорбції та погана змочуваність насадки при низьких щільності зрошення.

Абсорбцієюназивається процес поглинання газу або пари рідким поглиначем (абсорбентом).

Процес, у якому газ чи пара входить у хімічну взаємодію Космосу з рідиною, називається хемсорбцией.

Абсорбція – процес вибірковий. Вибірковість процесу абсорбції дозволяє вилучати з газової суміші певну речовину з використанням відповідного поглинача.

Процеси абсорбції широко застосовуються в різних галузях хімічної та нафтопереробної промисловості для поглинання аміаку, оксидів азоту, сірчаного ангідриду, вуглеводневих газів, а також для санітарного очищення газів, що викидаються в атмосферу.

Абсорбція, зазвичай, супроводжується виділенням тепла. Підвищення температури погіршує проведення процесу, тому абсорбційні установки у багатьох випадках постачають холодильними елементами.

Процес видалення поглинених газів з рідини називають десорбція.Десорбція виробляється у струмі інертного газу шляхом випарювання розчину або під вакуумом.

Десорбція застосовується для вилучення з поглинача розчинених у ньому газів та пари, коли вони є цільовими продуктами виробництва.

Абсорбери

Абсорбераминазивають апарати, (рис.10.20) у яких протікає процес абсорбції. За способом створення поверхні контакту рідини з парою абсорбери ділять на апарати поверхневого типу, насадкові, барботажні (тарілчасті) та механічні.

Якщо газ добре поглинається рідиною, немає необхідності створювати велику поверхню контакту фаз. У цьому випадку для гарної

Мал. 10.20. Абсорбери.

А. – тарілчастий: 1 корпус; 2- краплевідбійник; 3 тарілка; 4-люк; 5 - опорна обичайка;

В. – насадочний: 1 корпус; 2-розподільна тарілка; 3-насадка; 4- опорні грати; 5- завантажувальні люки; 6- опора; 7- люки для вивантаження насадки;

I-ненасичений абсорбент; II-сухий газ; III - сирий газ; IV-насичений абсорбент

абсорбції газу достатньо пропускати його над поверхнею рідини (наприклад, процес поглинання водню хлористого).

Найбільш широко для абсорбції застосовують насадкові колони, порівняно прості конструкції (рис. 10.20). Це порожнисті циліндричні апарати, які завантажують насадкові тіла різної форми, що забезпечують розвинену поверхню контакту між рідиною і газом. Газ підводять знизу під шар насадки, а рідина подається на насадку, при цьому забезпечується протитік між рідиною та газом.

Останнім часом освоєно плоскопаралельні (рис. 5.3) і стільникові насадки, що складаються з вертикально встановлених пластин або стільникових елементів, що забезпечують хороший контакт між рідиною і газом і мають малий гідравлічний опір.

Насадку укладають на опорні грати (колосник). Грати виготовляють з декількох секцій (рис.10.21), що укладаються на опорні балки. Розмір у світлі між колосниками грат повинен бути не більше 0,6 -0,7 найменшого розмірунасадки.

Хорошою опорною конструкцією для колон малого діаметра служить також решітки із просічно-витяжного листа.

Насадкові абсорбери добре працюють при рясному і рівномірному зрошенні, тому зрошувальні пристрої є одним з важливих вузлівколони.

До зрошувачів висуваються такі основні вимоги: вони не повинні збільшувати винесення рідини з газом; висота зрошувального пристрою та відстань від зрошувача до насадки повинні бути мінімальними; вони повинні стійко працювати під час коливання витрати рідини;

Бути простими з пристрою та зручними в експлуатації;

Не повинні забитися при роботі із забрудненими рідинами. Зрошувачі поділяють на самопливні та розбризкуючі. З самопливних зрошувачів рідина витікає окремими струмками через отвори або прорізи. До самопливних зрошувачів відноситься розподільна плита, що є тарілкою з патрубками, через які рідина окремими цівками стікає на насадку.

Рівень тарілки регулюється гвинтами. Діаметр тарілки дорівнює 0,6 – 0,7 діаметра апарату. Зрошуюча рідина підводиться через патрубок до центру тарілки. Розподільні плити прості за пристроєм і надійні в роботі, проте при великому діаметрі колони вони стають громіздкими і тому не застосовуються для апаратів діаметром більше 3 м.

В апаратах великого діаметра застосовують зрошувальні жолоби (рис.10.23), що складаються з ряду паралельних жолобів 1 та головного розподільчого жолоба 2, розташованого під ними. Жолоби громіздкі і вимагають ретельного регулювання горизонтальності, що проводиться за допомогою гвинтів.

До зрошувачів, що розбризкуютьвідноситься тангенційна форсунка (рис. 1024). Рідина, що підлягає розбризкуванню, підводиться у внутрішню круглу камеру форсунки тангенційно, закручується там і виходить з великою швидкістю через центральний отвір. Закручений струмінь після виходу з форсунки дробиться на краплі. Тангенціальна форсунка забезпечує інтенсивне та порівняно рівномірне зрошення в радіусі 2 - 2,5 м. В апаратах великого діаметра встановлюють кілька форсунок.

Обмежене застосування для цілей абсорбції знаходять тарілчасті колони.Їх застосовують в основному в тих випадках, коли кількість зрошуючої рідини дуже мала. В апаратах використовують стандартні ковпачкові, ситчасті, клапанні, струменеві та провальні тарілки. На тарілці підтримується шар рідини, через який барботує висхідний потік газу, розподіляючись у рідині бульбашками та цівками. Газ послідовно проходить через шари рідини на тарілках, які розташовані в колоні на певній відстані. Рідина постійно перетікає з верхніх на розташовані нижче тарілки. У міжтарільчастому просторі газ відокремлюється від віднесених крапель і бризок. Контакт між газом, що піднімається, і стікаючою рідиною здійснюється безперервно.

У механічних абсорберахміжфазна поверхня контакту утворюється шляхом розбризкування рідини в газоподібному середовищі за допомогою обертових пристроїв різних типів.

Рис.10.23. Зрошувальні скарги

Рис.10.24. Тангенційна форсунка

Механічні абсорбери за своєю ефективністю перевершують абсорбери інших типів. Це пояснюється тим, що, по-перше, при розбризкуванні рідини на дрібні краплі утворюється велика розгорнута поверхня контакту фаз, а по-друге, абсорбція газів краплями рідини, що летять, в кілька разів більше, ніж при тих же умовах стікаючою плівкою. Завдяки цьому механічні абсорбери дуже компактні (рис. 10.25). Загальний недолік механічних абсорберів - складність конструкції та значний бризкоунос.

Рис.10.25. Механічний абсорбер

Адсорбери

Адсорбери - це апарати (рис.10.26), у яких відбувається поділ газових, парових або рідких сумішей шляхом вибіркового поглинання одного або кількох компонентів вихідної суміші поверхнею твердого пористого тіла - адсорбенту.

Найбільш часто адсорбери використовують для поділу газових або парових сумішей, очищення та осушення газу, уловлювання з парогазових сумішей цінних органічних речовин.

Процес адсорбції є вибірковим та оборотним. Це означає, кожен адсорбент здатний поглинати лише певні речовини і поглинати інші речовини, які у газової суміші.

Мал. 10.26. Схема завантаження адсорбера:

1 – нижній дефлектор; 2 - мулліт; 3 б - сітки; 4 - силікагель дрібнопористий; 5 - силікагель крупнопористий; 7 - верхній дефлектор

Поглинена речовина може бути виділена з адсорбенту шляхом десорбції - процесу зворотного адсорбції.

Як адсорбенти використовуються тверді речовини у вигляді зерен розміром 2 - 8 ммабо пилу з розміром частинок 50 - 200 мкм,які мають велику пористість (наприклад, 1 г. активованого вугіллямає поверхню пір від 200 до 1000 м 2, поверхня пір 1 г. силікогеля становить до 500 м2).

Адсорбери поділяють такі типи:

1) з нерухомим зернистим адсорбентом; 2) з зернистим адсорбентом, що рухається; 3) c псевдозрідженим (“киплячим”) шаром пилоподібного адсорбенту.

Адсорбери з нерухомим шаром зернистого адсорбенту є порожнистими вертикальними або горизонтальними апаратами (рис. 10.27), в яких розміщений адсорбент. Пароповітряна або газова суміш, що підлягає поділу, подається всередину корпусу 1 адсорбера через спеціальний штуцер. Всередині адсорбера суміш проходить через шар зернистого адсорбенту, покладеного на решітці 2 . Зерна адсорбенту поглинають із суміші певний компонент. Після цього газова суміш видаляється з адсорбера через вихлопний патрубок.

Адсорбент може поглинати видобутий компонент до певної межі насичення, після якого проводять процес десорбції. З цією метою припиняють подачу пароповітряної суміші в адсорбер, а потім в апарат подають перегріту водяну пару (або інший витісняє агент), який рухається у напрямку, зворотному руху пароповітряної суміші. Парова суміш (суміш пар води і видобутого компонента) видаляється з адсорбера і надходить на поділ в колону ректифікації або відстійник.

Після десорбції, що триває приблизно однаковий процес адсорбції час, через шар адсорбенту пропускають гаряче повітря, яким адсорбент підсушується. Повітря входить в апарат через паровий штуцер, а видаляється через штуцер для парової суміші.

Рис.10.27. Адсорбери з нерухомим шаром зернистого адсорбенту:

а-вертикальний; б-горизонтальний; 1 корпус; 2 - грати; 3,5 - штуцера

Висушений адсорбент потім охолоджується холодним повітрям до необхідної температури.

Сучасний адсорбер оснащений системою приладів, які в потрібний часавтоматично перемикають потоки з адсорбції на десорбцію, потім на сушіння та охолодження. Щоб установка безперервно розділяла газову суміш, її комплектують із двох або більше адсорберів, які включаються на поглинання та інші операції по черзі.

Адсорбери з псевдозрідженим шаром пилоподібного адсорбенту ділять на одноступінчасті та багатоступінчасті.

Одноступінчастий адсорбер цього типу (рис.10.29) має порожнисту циліндричну судину. 1, у нижній частині якого закріплені газорозподільні грати 3. Псевдозріджувальний газ, він і вихідна суміш, подається під решітку. Пройшовши отвори решітки, газ входить до псевдозрідженого шару пилоподібного адсорбенту. 3, де відбувається процес адсорбції. Газ після виходу з шару очищається від пилу в циклоні та видаляється з апарату. Адсорбент безперервно вводиться зверху псевдозріджений шар і видаляється через трубу. Регенерація адсорбенту проводиться в іншому апараті, аналогічному конструкції першому.

Рис.10.29. Одноступінчастий адсорбер

1-циліндричний корпус; 2 – газорозподільні грати; 3 - псевдозріджений шар зернистого пилоподібного абсорбенту.

КЛАСИФІКАЦІЯ І ВИДИ БАРБОТАЖНИХ КОЛОН (ТАРІЛОК)

При кількісному розрахунку роботи ректифікаційних колон використовується поняття теоретична тарілка (гіпотетичний контактний пристрій, в якому встановлюється термодинамічна рівновага між потоками пари і рідини, що залишають його потоки, тобто концентрації компонентів цих потоків пов'язані між собою коефіцієнтом розподілу). Будь-якій реальній колоні ректифікації можна поставити у відповідність колону з певним числом теоретичних тарілок, вхідні і вихідні потоки якої як за величиною, так і по концентраціях збігаються з потоками реальної колони. Виходячи з цього визначають ККД. колони як відношення числа теоретичних тарілок, відповідних цій колоні, до дійсно встановлених тарілок. Для насадочних колон можна визначити величину ВЕТТ (висота, еквівалентна теоретичній тарілці) як відношення висоти шару насадки до теоретичних тарілок, яким він еквівалентний за своєю роздільною дією.

Використовують різні види тарілок: ситчасті, ковпачкові, провальні, клапанні, пластинчасті та ін.

1. Ситчасті тарілки.

Застосовують головним чином при ректифікації спирту та рідкого повітря. Допустимі навантаження по рідині та парі для них відносно невеликі, і регулювання режиму їх роботи важко. Рідина та пара проходять по черзі через кожен отвір залежно від співвідношення їх напорів. Тарілки мають малий опір, високий ККД, працюють при значних навантаженнях та відрізняються простотою конструкції. Масо- та теплообмін між парою та рідиною в основному відбуваються на деякій відстані від дна тарілки у шарі піни та бризок. Тиск і швидкість пари, що проходить через отвори сітки, повинні бути достатні для подолання тиску шару рідини на тарілці і створення опору її набряку через отвори, сітчасті тарілки необхідно встановлювати строго горизонтально для забезпечення проходження пари через всі отвори тарілки, а також щоб уникнути стікання рідини через них. зазвичай діаметр отворів ситчастої тарілки приймають у межах 0,8-8,0 мм.

Колона з ситчастими тарілками є вертикальним циліндричним корпусом з горизонтальними тарілками (Малюнок 3.), в яких рівномірно по всій поверхні просвердлено значну кількість отворів діаметром 1-5 мм. газ проходь крізь отвори тарілки і розподіляється в рідині у вигляді дрібних струмочків та бульбашок. ситчасті тарілки відрізняються простотою пристрою, легкістю монтажу, огляду та ремонту. гідравлічний опір цих тарілок невеликий. ситчасті тарілки стійко працюють досить широкому інтервалі швидкостей газу, причому в певному навантаженні по газу і рідина ці тарілки мають високу ефективність. разом з тим ситчасті тарілки чутливі до забруднювачів і опадів, які забивають отвори тарілок.

Малюнок 3.

2. Ковпачкові тарілки.

Ковпачки мають отвори або зубчасті прорізи, що розчленовують пару на дрібні струмки для збільшення поверхні зіткнення його з рідиною (Малюнок 4). Переливні трубки служать для підведення та відведення рідини та регулювання рівня рідини на тарілці. Основною областю масообміну та теплообміну між парами та рідиною, як показали дослідження, є шар піни та бризок над тарілкою, що створюється в результаті барботажу пари. Висота цього шару залежить від розмірів ковпачків, глибини їх занурення, швидкості пари, товщини шару рідини на тарілці, фізичних властивостейрідини та ін. Слід зазначити, що, крім ковпачкових тарілок, застосовують також клапанні, жолобчасті, S-подібні, лускаті, провальні та інші конструкції тарілок. Перевагою ковпачкових тарілок є задовільна робота в широкому діапазоні навантажень по рідині та парі, а також невелика вартість експлуатації.

При барботажі пари через рідину розрізняють три режими барботажу:

• Ш Пухирцевий режим (пар пробулькивается у вигляді окремих бульбашок, що утворюють ланцюжок біля стінки ковпачка);
• Ш Струменевий режим (окремі бульбашки пари зливаються в безперервний струмок);
• Ш Смолоскипний режим (окремі бульбашки пари зливаються в загальний потік, що має вигляд факела).

Менш чутливі до забруднень, ніж ситчасті, і відрізняються вищим інтервалом сталої роботи колони з ковпачковими тарілками. Газ на тарілку надходить по патрубках, потім розбиваючись прорізами ковпачка на велику кількість окремих струменів. Далі газ проходить через шар рідини, що перетікає по тарілки від одного зливного пристроюдо іншого.

Пара, що утворилася у випарнику колони, надходить на першу тарілку і проходить через парові патрубки ковпачків. Ковпачки занурені на деякий рівень у рідку фазу. В результаті цього парова фаза проходить через прорізи ковпачків і барботує у вигляді бульбашок у рідкій фазі, забезпечуючи тим самим поверхню контакту між паровою та рідкою фазами та протікання на цій поверхні тепло- масообмінних процесів. Оскільки пара має більше високу температуручим рідина, то при взаємодії з рідкою фазою пара охолоджується і з нього частково конденсується легколетючий компонент, який приєднується до рідкої фази. Таким чином, вона збагачується важколетким, а в парі підвищується вміст легколетючого компонента.

Малюнок 4.

3. Клапані тарілки.

Займають середнє положення між ковпачковими та ситчастими. Клапанні тарілки виявили високу ефективність при значних інтервалах навантажень завдяки можливості саморегулювання. Залежно від навантаження клапан переміщається вертикально, змінюючи площу живого перерізу для проходу пари, причому максимальний переріз визначається висотою пристрою, що обмежує підйом (Малюнок 5). Площа живого перерізу отворів для пари становить 10-15% площі перерізу колони. Швидкість пари досягає 1,2 м/с. Клапани виготовляють у вигляді пластин круглого або прямокутного перерізуз верхнім чи нижнім обмежувачем підйому. Тарілки, зібрані з S-подібних елементів, забезпечують рух пари та рідини в одному напрямку, сприяючи вирівнюванню концентрації рідини на тарілці. Площа живого перерізу тарілки становить 12-20% від площі перерізу колони. Коробчасте поперечний переріз елемента створює значну жорсткість, що дозволяє встановлювати його на опорне кільце без проміжних опор колонами діаметром до 4,5 м.

Принцип дії клапанних тарілок полягають у тому, що круглий клапан, що вільно лежить, що вільно лежить над отвором у тарілці, зі зміною витрати газу своєю вагою автоматично регулює величину площі зазору між клапаном і площиною тарілки для проходу газу і тим самим підтримує постійну швидкість газу при його закінченні в барботажний шар.

Малюнок 5. а, б - з круглими ковпачками; з пластинчастим клапаном; г – баластна; 1 – клапан; 2 - кронштейн-обмежувач; 3 – баласт.

При цьому зі збільшенням швидкості газу колоні гідравлічний опір клапанної тарілки збільшується незначно. Висота підйому клапана обмежується висотою обмежувача кронштейна і зазвичай не перевищує 8 мм.

Переваги клапанних тарілок: порівняно висока пропускна здатністьпо газу та гідродинамічна стійкість, постійна висока ефективність у широкому інтервалі навантажень по газу.

4. Каскадні тарілки Вентурі

Збирають з окремих листів, вигнутих так, щоб напрямок потоку пари було горизонтальним. Канали для проходу пари мають профіль перерізу труби Вентурі, що сприяє максимальному використанню енергії пари та зниженню гідравлічного опору. Потоки пари та рідини спрямовані в один бік, що забезпечує гарне перемішування та контакт фаз. У порівнянні з ковпачковими тарілками швидкість пари може бути збільшена більш ніж удвічі. Конструкція гнучка, не допускає провалу рідини та зниження за рахунок цього ефективності. Невелика утримуюча здатність (30-40% порівняно з ковпачковою тарілкою) є цінною якістю при переробці чутливих до нагрівання рідин. Відстань між тарілками вибирається не більше 450-900 мм. Каскадні тарілки успішно застосовуються в установках, де необхідно забезпечити високі швидкості пари та рідини.

5. Гратчасті тарілки

Виготовляють із штампованих листів із прямокутними прорізами або набираються зі смуг. Необхідність опорної конструкціївизначається товщиною металу та діаметром колони. Відстань між тарілками зазвичай 300-450 мм. Найкраща працездатність, порівняно з ковпачковими тарілками, при максимальних навантаженнях.

6. Хвилясті тарілки

Виготовляються штампуванням з перфорованих листів завтовшки 2,5-3 мм у вигляді синусоїдних хвиль. Жорсткість конструкції дозволяє використовувати тонкий метал. Напрямок хвиль на сусідніх тарілках перпендикулярний. Глибина хвиль вибирається залежно від рідини, що переробляється. За рахунок великої турбулізації рідини ефективність хвилястої тарілки вища. А небезпека засмічення менша, ніж для плоскої тарілки. Розміри хвиль збільшуються зі збільшенням розрахункового навантаження рідини. Ставлення висоти хвилі до її довжини вибирається не більше від 0,2-0,4. Тарілки в колоні розташовуються з відривом 400-600 мм друг від друга.

НАСАДКОВІ КОЛОНИ

Насадочні колони набули широкого поширення в промисловості. Вони є циліндричні апарати, заповнені інертними матеріаламиу вигляді шматків певного розміру або насадочними тілами, що мають форму, наприклад, кілець, куль для збільшення поверхні фазового контакту та інтенсифікації перемішування рідкої та парової фаз (Малюнок 6).

Нерегулярна насадка.Нерегулярну насадку застосовують у процесах масообміну, які протікають під тиском чи умовах неглибокого вакууму. Ця насадка має ряд переваг, одна з яких полягає у практичній відсутності проблеми вибору матеріалу. Насадку можна виготовити із металів, полімерів, кераміки.

Шматкова насадка.Як шматкова насадка застосовують подрібнені гірські породи (кварц, андезит, кокс). Розміри кускової насадки - 25-100 мм при безладному засипанні. Перевагою насадки є: дешевизна, хімічна стійкість. Недоліком: мала питома поверхня, малий вільний об'єм.

Кільцева насадка. Найбільш поширений тип кільцевої насадки – кільця Рашига. Виготовляються з кераміки, порцеляни, пластмаси, металів, вуглеграфітових мас. Діаметр кілець 25-150 мм. Кільця діаметром до 50 мм завантажуються навалом. При більших діаметрах кільця укладаються рядами.

Існують і інші кільцеві насадки: кільця з простою і хрестоподібною перегородкою, з прободенними стінками і т.д.

Насадка Рашига має невелику вартість, але малоефективна. Для підвищення ефективності масообміну кільцеву насадку виготовляють перфорованою та з внутрішніми перегородками - кільця Палля та їх модифікації. До кільцевої насадки з перфорованою циліндричною частиною та внутрішніми перегородками відноситься насадка "Каскад-міні-ринг".

Сідлоподібна насадка.Має велику питому поверхню (на 25% більше, ніж кільцева) та великий вільний об'єм. Таку насадку випускають, головним чином, у вигляді сідел «Інталокс» та сідел Берля з кераміки та пластмаси розміром 37×37 мм та 50×50 мм. Особливе місце серед сідлоподібних насадок займає насадка «Інталокс метал», що має високу ефективність.

Регулярне насадження.Правильно укладена насадка відрізняється від нерегулярної меншим гідравлічним опором і тому особливо придатна для вакуумної ректифікації. До недоліків слід віднести їхню високу чутливість до рівномірності зрошення.

Найпростіша регулярна насадка - плоскопаралельна - являє собою пакети, що набираються із плоских вертикальних, зазвичай металевих пластин товщиною 0,4-1,2 мм, розташованих паралельно з однаковим зазором 10-20 мм. Висота пакета пластин 400-1000 мм. Зовнішній діаметр пакету відповідає внутрішньому діаметруколони. Для підвищення рівномірності розподілу рідини в колоні пакети встановлюють один над іншим, взаємно повернутими на кут 45-900. Недоліки цієї насадки: висока металоємність, поганий перерозподіл рідини, порівняно низька ефективність.

Малюнок 6.

СХЕМИ РЕКТИФІКАЦІЙНИХ УСТАНОВОК

Ректифікаційна колона періодичної (ступінчастої) дії представлена ​​на Рисунку 7.

Малюнок 7. 1.Куб; 2 Ректифікаційна колона; 3Дефлегматор; 4 Холодильник; 5 Сортувальний ліхтар.

Куб виконує одночасно дві функції: служить ємністю для спирту, що піддається ректифікації і перетворювачем спиртової пари.

Ректифікаційна колона безперервної дії представлена ​​на малюнку

2. Ректифікаційна колона безперервної дії представлена ​​на Рисунку 8.

Малюнок 8.1 Верхня частина колони; 2 Нижня частина колони; 3 Куб; 4 Дефлегматор; 5 Охолоджувач флегми; 6 Холодильник; 8 Вихід готового продукту.

Також колони ректифікації діляться на повні і неповні.

Неповні колони поділяються на два види:

• · Бражні (відгін) колони діють за наступним принципом: на верхню тарілку подається харчування у вигляді пари, а з куба виходить практично чиста вода. З верхньої частини відводиться пара збагачена спиртом. Дефлегматор у такій колоні не встановлюється, тому парова фаза конденсується у холодильнику.
• · У спиртових (концентраційних) колонах пар подається в куб (під нижню тарілку). З верхньої частини відводиться спирт, а з нижньої залишок збагачений водою. Дефлегматор, встановлений у таких колонах, виконує функцію живлення рідиною.

Спиртові (концентраційні) колони не передбачені для одержання чистої води, а в бражній (відгінній) колоні неможливе одержання чистого спирту.

Повна колона є збірним варіантом бражної та спиртової. Даний вид складається з нижньої (вичерпної) та верхньої (концентраційної) частин. Живлення на верхню відгінну частину надходить через середню. У повних колонах можливо отримати обидва компоненти суміші, що розділяється, але це припустимо тільки в тому випадку якщо ця суміш складається з двох частин. Щоб розділити брагу (багатокомпонентну суміш) змінюють кілька колон, встановлених послідовно. Кожна колона поділяє суміш на дистилят, що являє собою один або кілька компонентів і залишок (складна суміш).

ПОВНА КОЛОНА

Малюнок 9. Принципові схемиректифікаційних колон: а – повна; б - неповна відгінна; в - неповна концентраційна

У повній колоні ректифікації 1 створюється можливість для отримання практично в чистому вигляді обох компонентів поділюваної бінарної (двохкомпонентної) суміші. У неповній відгінної колони з нижньої частини відводиться практично чистий складний компонент, а з верхньої - пара, кілька збагачений легколетучим компонентом. З верхньої частини неповної концентраційної колони відводиться практично чистий легколетючий компонент, та якщо з нижньої - залишок S, трохи збагачений важколетучим компонентом.

БРАГОПЕРЕГОННІ УСТАНОВКИ

Малюнок 10.

У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегінні установки двох типів - одноколонні та двоколонні. В одноколонній установці бражка, попередньо підігріта в дефлегматоре 4, надходить на верхню тарілку колони 1. Нижня частина колони називається бражною, куди знизу підводиться пар, що гріє. З бражної колони водно-спиртові пари прямують у нижню частину спиртової колони 2; тут пари зміцнюються. З колони 2 укріплені пари надходять у міжтрубний простір дефлегматора 4.

Конденсуючись, пари віддають теплоту компанії, що протікає в трубах дефлегматора. Конденсат водно-спиртової пари повертається в колону 2 у вигляді флегми. Пари, що не сконденсувалися, направляються в холодильник 5, де вони конденсуються і утворюють спирт-сирець. Спирт-сирець містить не лише воду та спирт, а й інші леткі продукти, що входять до складу бражки. Брагоректифікаційні установки бувають прямої, напівпрямої та непрямої дії.

1. ПРЯМОЇ ДІЇ

Малюнок 11.

Установка складається з епюраційної колони 3 з концентраційною частиною 4 і колони ректифікації 9, до складу яких входять дефлегматори 5 і 7, а також конденсатори 6 і 8. Бражка надходить в бражну колону 1. Тут з бражки виділяються етиловий спирт, хвостові домішки та залишки головних та проміжних домішок. Основну масу парів з бражної колони 1 направляють в колону ректифікації 9. Деяка частина парів з бражної колони 1 надходить в епюраційну колону 3 для її обігріву. Для цієї мети служить труба 2, з дросельним клапаном. Кількість пари, що надходить в епюраційну колону, регулюється дросельним клапаном. Хвостові та проміжні продукти, а також залишки головних продуктів відбирають у колоні ректифікації. Ректифікат відводять у рідкому вигляді з однією з верхніх тарілок колони ректифікації.

2. НАПІВПРАВА ДІЇ

Малюнок 12.

У встановленні напівпрямої дії бражка, не піддаючись попередньої епюрації, надходить безпосередньо в бражну колону 1. У цій колоні виділяються спирт і всі домішки. Пари направляються через пастку-сепаратор 3 епюраційну колону 2 з концентраційною частиною 4, дефлегматором 5 і конденсатором 6, де з них виділяються головні домішки.

Очищений від головних домішок спирт, що містить хвостові і проміжні домішки (епюрат), в рідкому вигляді надходить в колону ректифікації 9, забезпечену дефлегматором 8 і конденсатором 7. Відбір спирту-ректифіката, сивушного масла і проміжних продуктів проводиться так само дії.

3. НЕДІЛЬНІ ДІЇ

Малюнок 13.

Водно-спиртові пари, що піднімаються з бражної колони 7, повністю згущуються в дефлегматор 2 і конденсаторі 3, після чого в рідкому вигляді надходять на епюрацію в епюраційну колону 4 з дефлегматором 5 і конденсатором 6.

Епюрат направляється в колону ректифікації 9, забезпечену дефлегматором 8 і конденсатором 7, де виділяються проміжні продукти, сивушне масло і спирт-ректифікат. Ця установкаприйнята як типова через високі експлуатаційні показники.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА.

Для поділу простих бінарних сумішей зазвичай використовується одна проста колона з невеликим числом тарілок пристроїв (зазвичай не більше десяти), для поділу багатокомпонентних і безперервних сумішей (нафта, широкі бензинові фракції) потрібна система колон, кожна з яких поділяє суміш на відповідні компоненти. (Фракції). Число тарілок у кожній з таких колон може досягати кількох десятків.

Основними робочими параметрами процесу ректифікації є тиск і температура в системі, співвідношення потоків рідини та пари (флегмове число), число контактних щаблів.

Як контактні елементи у великих ректифікаційних колонах зазвичай використовуються тарілки. Кожна така тарілка, розташована у колоні, називається фізичною тарілкою. Призначення такої тарілки, як будь-якого іншого контактного пристрою, - забезпечити найтісніший дотик рідкої та парової фаз для максимального досягнення стану рівноваги між ними. Тарілки працюють в такий спосіб. Пара у вигляді бульбашок з розвиненою поверхнею проходить через шар флегми, що знаходиться на тарілці. В результаті такого «пробулькування», тепломасообмін між рідкою та паровою фазами інтенсифікується. Конструкції тарілок різноманітні, частина їх стандартизована. Вибір типу тарілки визначається видом суміші, продуктивністю колони, вимогами за ступенем ректифікації, якістю компонентів, що розділяються (фракцій) і т. п. Тарілчасті колони використовуються, як правило, у великотоннажних виробництвах.

Модульна тарілчаста колона. Практика на автоматиці БКУ – 011М.

Мідні конусні кришки. Колона мідного смаку. Теорія та практика.

Самогонний апарат. Ковпачкова колона ХД/3-500 ККС-Н. Частина 1. Новинка 2016 року.

Самогонний апарат. Ковпачкова колона ХД/3-500 ККС-Н. Частина 2. Новинка 2016 року.

Самогонний апарат. Тарілчаста колона.

Що таке тарілчаста колона і навіщо вона взагалі потрібна... Відмінність істотна від царги заглючається в тому, що в тарілчастій колоні ми використовуємо замість насадки СПН (спірально призматичної насадки) власне тарілки. За допомогою тарілчастої колони ми не отримаємо чистого спирту. Однак ми можемо отримати на ній так званий недоректифікат міцністю 90-95 об. Тобто це ще й не спирт, але вже й не дистилят. Дуже сильно очищений дистилят, в якому залишилися ще нотки вихідної сировини. Даної технології вже понад сотню років, і користуються нею активно винокури по всьому світу. Наша країна у цьому сенсі Останніми рокамине виняток. Ці колони набирають величезну популярність.

Розберемо основні відмінності колон правильного розуміння вибору конкретної колони.

1. Як і все наше обладнання, тарілчасті колони відрізняються за серіями: ХД/4 або ХД/3. Тут усе просто. Якщо Ви вже маєте обладнання ХД, вибір робиться за відповідною серією обладнання. Якщо Ви тільки збираєтеся купувати обладнання, потрібно розуміти відмінність серій ХД/4 і ХД/3. Серія ХД/4 бюджетніша, у неї оптимальне співвідношенняціна якість. Серія ХД/3 має вищу ціну, а й вищу продуктивність.
2. Використовуються матеріали для виготовлення колон. Це або нержавіюча сталь, або кварцове скло. В останньому випадку Ви маєте можливість спостерігати за процесом візуально, що приносить справжнє задоволення. Не варто забувати, що насамперед ми займаємося цим хобі заради задоволення.
3. Колони відрізняються так само по висоті і за кількістю тарілок, що знаходяться в них. По висоті колони бувають двох розмірів: 375 та 750мм відповідно. На укороченій колоні можна отримати "недоректифікат" міцністю 91-92С, на колоні 750мм можна отримати "недоректифікат" близько 95С. Оскільки тарілчасті колони розбірні, кількість тарілок в колоні може регулюватися винокуром самостійно.
4. Тип виконання тарілок. Тарілки виготовляються двох типів: провальні та ковпачкові. Сказати однозначно які з тарілок краще і на яких тарілках напій вийде смачніше. Справа в тому, що тарілки провальні хороші якщо ми використовуємо стабільну потужність нагріву, без стрибків у мережі. Якщо мережа нестабільна, то можна використовувати стабілізатор потужності нагріву, наприклад. Тарілки ж ковпачкового типу невибагливіші і нагрівання може використовуватися будь-який. Однак через складність виготовлення таких колон вони дорожчі. Але й естетичніші у процесі роботи.
5. Матеріали для виготовлення тарілок. Провальні тарілки виготовляються із інертного фторопласту. Ковпачкові тарілки виготовляються або з нержавіючої сталі, або з міді. Нержавіюча сталь як відомо інертна. І тому напій одержуваної на її поверхні не має жодних характерних додаткових смаківкрім вихідної сировини. Мідь як вважається абсорбує шкідливу сірку, що виділяється в процесі перегонки, тим самим позбавляючи напій від неприємних запахів і смаку. У прихильників міді та нержавіючої сталі багато шанувальників. У кожного свої аргументи на користь використовуваного матеріалу тарілок.

Детальніше дізнатися про роботу з тарілчастими колонами можна тут.