В колонных аппаратах НПЗ в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение на установках АВТ получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы КУ.

Колпачковые

Ситчатые

Решетчатые

С S-образными элементами

Клапанные (дисковые)

Область применения различных типов тарелок

Основные характеристики сравнения

Нередки случаи, когда в одной в разных секциях используются тарелки разных типов. Это объясняется тем, что паровые и жидкостные нагрузки по высоте нефтяных колонн, особенно работающих с боковыми отборами, существенно различаются (иногда на порядок). При сравнении контактных устройств различного типа в качестве основных обычно выступают следующие показатели:

• Производительность.
• Гидравлическое сопротивление.
• Эффективность (коэффициент полезного действия) – характеризует степень приближения реального процесса разделения на тарелке к теоретически достижимому (теоретическая тарелка).
• Допустимый диапазон варьирования рабочих нагрузок (и по пару, и по жидкости), который определяется отношением максимально допустимой нагрузки к минимально допустимой.
• Градиент уровня жидкости по ширине полотна тарелки, который определяется тем обстоятельством, что жидкость на тарелку вводится с одного края тарелки (секции), а отводится с другого. При течении жидкости по полотну тарелки она преодолевает определенное гидравлическое сопротивление, поэтому высота слоя жидкости у приемного кармана превышает соответствующий уровень у сливного кармана. Наличие градиента приводит к нарушению равномерности распределения пара по ширине барботажного слоя и в итоге – к снижению эффективности КУ.
• Высота межтарельчатого расстояния, которая должна обеспечивать нормальную работу гидравлического затвора для обеспечения гарантированного перетока жидкости с верхней тарелки на нижнюю.
• Обеспечение длительной работоспособности при работе на загрязненных средах и средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
• Металлоемкость.
• Стоимость.
• Удобство монтажа и ремонта, простота конструкции.

Перекрестноточные насадки (ПТН)

Расчет отводимого тепла выносным орошением

Для сложных колонн, работающих с выносными холодными циркуляционными орошениями, к которым относятся и колонны АВТ, весьма важной становится ещё одна специфическая характеристика: величина реализуемого теплосъема от внутреннего парового потока холодным орошением – Q, (кВт/м 3). В этой характеристике величина достигаемого теплосъема отнесена к 1 м 3 барботажного слоя или к 1 м 3 насадки. В отечественной литературе данная характеристика учитывается достаточно редко, хотя она в значительной мере определяет эффективность работы циркуляционных орошений.

Количество тепла, отводимого от циркуляционного орошения во внешнем теплообменнике, определяется:
Q=L(Hн-Hк)

Все это количество тепла затрачивается внутри колонны на конденсацию части парового орошения, а энтальпия жидкого потока достигает при этом значения H н . В процедуре технологического расчета, который, как правило, проводится по «теоретическим тарелкам» процесс теплообмена будет завершен на первом же КУ. Фактически же именно реальная эффективность процесса теплосъема на КУ будет определять, на скольких реальных тарелках будет завершен этот процесс.

Выбор оптимальной конструкции контактных устройств

Конструкции КУ, выигрывающей у всех остальных конструкций по всем показателям, не существует. Каждая из конструкций обладает своими преимуществами и недостатками и своей областью рационального использования. В зависимости от особенностей конкретного процесса наибольшее значение могут приобретать те или иные характеристики из вышеперечисленных. Так, на выбор КУ для колонн атмосферного блока наибольшее влияние оказывают показатели производительности, эффективности и допустимого значения диапазона рабочих нагрузок, в котором обеспечивается высокая эффективность работы тарелок. Для колонн вакуумного блока на первое место выдвигается гидравлическое сопротивление КУ, поскольку оно будет определять интенсивность процесса разложения тяжелых углеводородов в зоне нагрева, а значит, в значительной мере и качество товарных фракций, хотя и в этом случае должны, конечно, учитываться и остальные характеристики. Наиболее распространенные типы КУ приведены на рисунке.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Ректификация нефти в колонне

В атмосферных колоннах хорошо зарекомендовали себя различные модификации клапанных КУ с дисковыми, прямоугольными и трапециевидными клапанами, а также комбинированные S-образные тарелки с клапанами. В вакуумных колоннах представляет интерес использование дисковых клапанов эжекционного типа, которые характеризуются наименьшим гидравлическим сопротивлением среди всех типов КУ.

Рис. 3.1. Распространенные типы колпачков и клапанов:

Колпачки: а – круглый; б – шестигранный; в – прямоугольный; г – желобчатый; д – S-образный; клапаны: е – прямоугольный; ж – круглый с нижним ограничителем; з – круглый с верхним ограничителем; и – балластный; к – дисковый эжекционный перекрестноточный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образный колпачок с клапаном.
Обозначения: 1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель; 4 – балласт.

Переливные устройства тарелок

Для организации перелива рабочей жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую в КУ используются специальные переливные устройства, включающие в себя сливную перегородку и карман (рис. 3.2). При больших значениях удельных нагрузок по жидкости (измеряется через расход фазы – м 3 /час отнесенный к 1 м 2 сечения колонны или к 1 м длины сливной перегородки), что характерно для многотоннажных колонн установок АТ-АВТ, для снижения градиента уровня жидкости применяются многопоточные конструкции КУ (от 2-х до 4-х потоков). Сливные карманы могут быть использованы также для подвода на КУ промежуточных потоков (холодные орошения) и/или для отвода боковых отборов (рис. 3.3). В последнем случае объемная емкость кармана наращивается за счет увеличения межтарельчатого расстояния, что повышает надежность работы откачивающего насоса.

Рис. 3.2. Устройство узлов перетока жидкости с тарелки на тарелку и ввода орошений для однопоточных (а) и двухпоточных (б) тарелок: 1 – корпус колонны; 2 – секции тарелок; 3, 4 – коллекторы ввода жидкости на верхнюю и промежуточную тарелки; 5, 6 – сливные карманы

Кстати, прочтите эту статью тоже: Вакуумная колонна

Массо – теплообмен между взаимодействующими фазами (пар – жидкость) протекает на КУ в барботажном слое: структуре, которая образуется при истечении парового потока из небольших отверстий или щелей, выполненных в полотне тарелки или в специальных устройствах (колпачках), в слой жидкости под небольшим избыточным давлением. Эта структура представляет собой ансамбль пузырьков, размер которых измеряется миллиметрами. Паровые пузырьки зарождаются при истечении газа, всплывают в слое жидкости за счет разности плотностей жидкой и паровой фаз и разрушаются на верхней границе барботажного слоя. Размер пузырьков определяется свойствами паровой и жидкой фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, …), конструкцией КУ и гидродинамическими условиями взаимодействия фаз. Суммарная поверхность массообмена в барботажном слое измеряется десятками и даже сотнями м 2 поверхности, приходящихся на 1 м 3 объема барботажного слоя.

Рис. 3.3. Узлы вывода боковых погонов (жидкость) из колонны: 1 – корпус колонны; 2 – тарелки; 3 – сливной карман увеличенного размера; 4 – сборная (глухая) тарелка; 5, 6 – патрубки для прохода паров и отвода жидкости; 7 – уравнительная труба

Рассмотренные типы контактных устройств относятся к наиболее распространенным для условий работы блоков АТ-АВТ. К настоящему времени разработаны и другие эффективные конструкции КУ , которые могут представлять интерес при решении задач проектирования. Надо при этом отметить, что какой-либо универсальной конструкции, пригодной для любых условий эксплуатации, выделить нельзя. Каждая конкретная задача проектирования должна решаться с учетом технологии производства на основе обобщения опыта работы родственных установок.

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

Типы трубчатых печей Типы и конструкция подшипников Типы и назначение ребойлеров различной конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация (от лат. rectus - правильный и facio - делаю) - разделение однородных жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом и заключается основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичного испарения-конденсации достигается лишь предварительное разделение жидких смесей. Потоки пара и жидкости в процессе ректификации, перемещаясь противотоком, многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах - ректификационных колоннах . Часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучим- низкокипящим компонентом (НК), а стекающая жидкость - менее летучим- высококипящим (ВК). При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификацию различают непрерывную и периодическую. В случае непрерывной ректификации разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и объединённых другими. Полная колонна состоит из 2 секций - укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны. Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами пар, поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде кубового остатка. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число - важная характеристика процесса ректификации: чем больше R, тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа. Минимальное флегмовое число находится расчётным путём из предположения, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности. Если исходную смесь требуется разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн. При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси. Аппараты, служащие для проведения ректификации, - ректификационные колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители). Назначение тарелок и насадки - развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации. Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн. Расчет ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров колонны - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с другими процессами разделения, такими как адсорбция. Экстракция и кристаллизация. Так же ректификация применима для получения отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Ректификация широко используется во многих отраслях: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленности и др. В последнее время ректификация приобретает всё большее практическое значение в связи с решением таких важных задач, как очистка веществ и выделение ценных компонентов из отходов или природных смесей. Сюда относят выделение стабильных изотопов ряда легких элементов. Ректификация как метод очистки имеет ряд неоспоримых преимуществ, среди которых самое существенное то, что в процесс не требуется вносить те агенты, которые сами могут быть источниками загрязнения.

1. Требования к конструкции ректификационных колонн

Обычно ректификационная колонна выполняется в виде цилиндра, заполненного специальными распределительными устройствами для создания поверхности контакта между стекающей сверху жидкой фазой и поднимающимися навстречу парами. При конструкции ректификационных колонн обычно руководствуются требования, предъявляемыми к конструкции любого химического аппарата (дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, прочность, коррозионная устойчивость, долговечность и т.д.) Помимо этого, необходимо учитывать следующие специфические требования к конструкции колонны:

Колонна должна обладать максимальной пропускной способностью по паровой и жидкой фазе;

Контактные устройства должны обеспечивать максимальную поверхность контакта между фазами при максимальной эффективности передачи массы;

Колонна должна работать устойчиво и равномерно по всему сечению в широком диапазоне нагрузок;

Гидравлическое сопротивление распределительных устройств должно быть минимальным. Стремление к максимальному удовлетворению этих требований, а так же специфика свойств смесей, подлежащих разделению (теплообразование, агрессивность, закоксовывание, образование термополимеров и т.д.), приводит к многообразию типов ректификационных колонн.

2. Классификация колонных аппаратов

2.1 Классификация в зависимости от относительного движения фаз

Особенностью аппаратов перекрестного тока и полного смешения является то, что взаимодействие фаз в этих аппаратах осуществляется посредством барботажа паровой фазы через жидкую фазу. Поэтому эти группы обычно объединяют под общим названием барботажных колонн ; так как барботаж пара через слой жидкости происходит на пластинах- тарелках, оборудованных специальными устройствами для ввода пара и протока жидкости, эти две группы ректификационных колонн ещё называют тарельчатыми . Колонны полного смешения отличаются от колонн перекрестного тока в основном отсутствием переливных устройств для жидкости. Жидкость сливается на нижележащие тарелки через те же отверстия, по которым поднимается пар. Вследствие этого тарелки полного смешения получили название провальных. В противоточных и прямоточных колоннах паровой поток взаимодействует с жидкостью, текущей в виде тонкой пленки по поверхности специальной насадки. Поэтому эти две группы ректификационных колонн обычно объединяют под общим названием плёночных или насадочных . Наибольшее распространение получили барботажные колонны. Рабочее пространство этих колонн разделено на секции, образуемые тарелками.

2.2 Классификация 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 к.п.д. 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.

а) колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. При барботаже пара через жидкость различают три режима барботажа:

пузырьковый режим (пар пробулькивается в виде отдельных пузырьков, образующих цепочку около стенки колпачка);

струйный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в непрерывную струйку);

факельный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела).

Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. 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.

б) ситчатые тарелки (рис. б) 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 к.п.д., 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.

в) 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. 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.

г) 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.

д) 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.

е) 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.

ж) насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). 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.

Устройство ректификационной колонны достаточно сложное, и смоделировать его в домашних условиях вряд ли удастся. Но на специализированных интернет-сайтах можно по вполне приемлемой цене купить рабочую установку, которая потребует только незначительного переоборудования вашего самогонного аппарата.

Переоборудование будет касаться только бака испарителя - необходимо установить фланец подходящего диаметра, чтобы можно было закрепить колонну строго вертикально. Если на баке не было термометра, то придется его установить. Без измерения температуры на испарителе контролировать работу колонны чрезвычайно сложно, да, в принципе, и невозможно вообще.

Как работает колонна

Колонна представляет собой тепломассообменник в котором происходят сложные физико-химические процессы. Базируются они на разнице температур кипения различных жидкостей и скрытой теплоемкости фазовых переходов. Это очень загадочно звучит, но на практике выглядит несколько проще.

Теория очень проста - пар, содержащий спирт и различные примеси, которые кипят при разных температурах, отличающихся на несколько градусов, поднимается вверх и конденсируется в верхней части колонны. Образовавшаяся жидкость стекает вниз, и встречают по пути новую порцию горячего пара. Те жидкости, температура кипения которых выше, повторно испаряются. А те, которым не хватило тепловой энергии, остаются в жидком состоянии.

Ректификационная колонна постоянно пребывает в состоянии динамического равновесия пара и жидкости, во многих случаях трудно разделить жидкую и газообразную фазы - все бурлит и кипит. Но по плотности, в зависимости от высоты, все вещества разделены очень четко - вверху легкие, затем более тяжелые и в самом низу - сивушные масла, остальные примеси с высокой температурой кипения, вода. Разделение по фракциям производится очень быстро, и такое состояние поддерживается практически бесконечно долго, при соблюдении температурного режима в колонне.

На высоте, соответствующей максимальному содержанию спиртовых паров, устанавливается заборный патрубок, сквозь который выделяется пар и поступает в конденсатор (холодильник), откуда спирт стекает в сборную емкость. Ректификационная колонна для самогонного аппарата работает очень медленно - отбор, как правило, производится капельно, но при этом обеспечивается высокий уровень очистки.

Колонна работает при атмосферном давлении, или чуть выше его. Для этого в верхней точке устанавливается атмосферный клапан или просто открытая трубка - не успевшие конденсироваться пары покидают колонну. Как правило - спирта в них практически нет.

Состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны

На графике изображены фиксированные состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны которые можно контролировать за температурой в данной точке. Горизонтальная часть графика соответствует максимальной концентрации вещества. Разделение не имеет четких границ - вертикальная линия соответствует смеси нижней и верхней фракций. Как видно, объем пограничных зон намного меньше фракционных, что дает определенный люфт температурного режима.

Устройство ректификационной колонны

Базой для колонны служит вертикальная труба из нержавеющей стали или меди. Другие металлы, особенно алюминий, для этой цели не подходят. Труба изолируется извне материалом низкой теплопроводности - утечка энергии может нарушить установившийся баланс и снизить эффективность теплообменных процессов.

В верхней части колонны монтируется предварительный холодильник дефлегматора. Как правило, он представляет собой встроенный или внешний змеевик, охлаждающий приблизительно 1/8-1/10 часть колонны по высоте. Найти в интернете можно и ректификационные колонны с водяной рубашкой или сложными шаровыми холодильниками. Кроме цены, они ни на что больше не влияют. Классический змеевик отлично справляется со своими задачами.

Колонна «Малютка»

Отношение количества отобранного конденсата к общему числу возвращающейся в бак флегмы называется флегмовым числом. Это характеристика отдельной модели колонны и описывает ее рабочие возможности.

Чем меньше флегмовое число, тем колонна производительнее. При Ф=1 колонна работает как обычный самогонный аппарат.

Промышленные установки обладают высокой разделительной фракционной способностью, поэтому их число равно 1,1-1,4. Для бытовой самогонной колонны оптимальным является Ф= 3-5.

Виды колонн

Ректификационная колонна для самогонного аппарата для увеличения точек соприкосновения пара и жидкости, где происходят теплообменные и диффузионные процессы, снабжается наполнителями, значительно увеличивающими площадь контакта. По типу внутренней конструкции колонны подразделяются на тарельчатые и насадочные. Классификация по производительности или высоте не показывает реальных возможностей.

Для увеличения площади контакта внутрь колонны помещается свитая в спираль мелкая сетка из нержавейки, насыпные мелкие шары, кольца Рашига, мелкие спиральки из проволоки. Они плотно укладываются или засыпаются на высоту до ¾ длины колонны, не достигая точки забора спирта.

Термометр должен находиться в свободной от насадок зоне, и показывать реальную температуру среды. Термометр выбирается электронный, как обладающий наименьшей инертностью. В некоторых моделях колонн роль играют десятые доли градуса. Для получения чистого спирта в зоне отбора температура должна поддерживаться в пределах 72,5-77 С.

Тарельчатая ректификационная колонна намного сложнее в изготовлении - конструкция колпачковых или ситчатых тарелок, представляющих собой горизонтальные перегородки внутри, сквозь которые жидкость протекает с некоторой задержкой. На каждой из тарелок создается зона барботирования, повышающая степень извлечения спиртовых паров из флегмы. Иногда ректификационные колонны называют укрепляющими - на них достигается почти стопроцентный выход спирта при минимуме посторонних добавок.

Работает колонна при атмосферном давлении, для связи с внешней средой колонна оборудуется специальным клапаном или открытой трубкой в верхней части конструкции. Этот факт определяет одну из особенностей ректификационной колонны для самогонного аппарата - при разном атмосферном давлении она работает по-разному. Температурный режим изменяется в пределах нескольких градусов (разница на термометре бака и колонны). Соотношение устанавливается экспериментально. По этой причине с колонной ТЭН.

Купив рабочую ректификационную колонну, или построив ее своими руками, вы сможете получить спирт высокой очистки без особых сложностей. Особенно эффективна колонна при перегонке самогона, полученного из обычного дистиллятора.

Ректификационная колонна (колонна фракционирования) - цилиндрический вертикальный аппарат, оснащенный внутренними тепло- и массообменными устройствами и вспомогательными узлами, предназначенный для разделения двухкомпонентных или многокомпонентных жидких смесей на фракции, каждая из которых содержит вещества с близкой температурой кипения.

Ректификационные колонны подразделяются:

по количеству получаемых продуктов:

Простые ректификационные колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток (нижний жидкий продукт ректификации)

Сложные ректификационные колонны разделяют сырье более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных фракций из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн (стриппинги ).

по назначению:

1) для атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута

2) для вторичной перегонки бензина

3) для стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов

4) для фракционирования нефтезаводских, нефтей и природных газов

5) для отгонки растворителей в процессах очистки масел

6) для разделения продуктов трубчатой печи и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.

по величине давления:

это колонны, в верхней части которых давление несколько выше атмосферного (0,1…0,2 МПа). Давление в нижней части колонны, как правило, зависит от сопротивления ее внутренних устройств и может значительно превышать атмосферное. Применяются такие колонны при перегонке стабилизированной или отбензиненной нефти на топливные фракции и мазут.

работают под вакуумом (или глубоким вакуумом). Иными словами, давление в них ниже атмосферного (создается разрежение), что позволяет снизить рабочую температуру процесса и избежать разложения продукта. Такие колонны предназначаются для фракционирования мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции и гудрон.

применяются при стабилизации или отбензинивании нефти, стабилизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторичных процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

по принципу действия:

применяются на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и высокой четкости разделения. Исходное сырьё заливают в куб на высоту, равную 2/3 его диаметра. Подогрев ведут глухим паром. В первый период работы ректификационной установки отбирают наиболее летучий компонент смеси, например бензольную головку, затем компоненты с более высокой температурой кипения (бензол, толуол и т. д.). Наиболее высококипящие компоненты смеси остаются в кубе, образуя кубовый остаток. По окончании процесса ректификации этот остаток охлаждают и откачивают. Куб вновь заполняют сырьём и ректификацию возобновляют. Периодичностью процесса обусловлены больший расход тепла, меньшая производительность труда и менее эффективное использование оборудования.

Установки с колоннами непрерывного действия лишены недостатков колонн периодического действия. В таких колоннах нагретое сырьё вводится в ректификационную колонну, где разделяется на жидкую и паровую фазы. В результате ректификации сверху колонны отбирается изопентан как головной продукт и снизу колонны – н-пентан как остаток.

по способу межступенчатой передачи жидкости:

1) с переточными устройствами (с одним, двумя или более)

2) без переточных устройств (провального типа)

по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

Эти колонны применяют, например, для выделения тяжёлой воды. Тарелки представляют собой конические щитки с углом наклона 40°. Неподвижные тарелки 4 по периферии прикреплены к корпусу колонны 1, подвижные 3 прикреплены в центре к валу 5 и вместе с ним вращаются. Вращающиеся тарелки чередуются с неподвижными. Через каждые 1,5 м по высоте вал охватывается шариковыми подшипниками 6, работающими без смазки. Для удобства монтажа колонна собрана из царг (частей / на фланцах). Флегма спускается сверху по неподвижной тарелке 4 и у центра переливается на нижележащую вращающуюся тарелку 3. Под влиянием центробежной силы флегма перемещается по вращающейся тарелке вверх до её периферии и в виде сплошной кольцевой пленки переливается на неподвижную тарелку. Пары движутся над флегмой противотоком.

В насадочных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

Насадка – тело из инертных материалов, она создана для создания большей поверхности контакта меж стекающей по ней жидкостью и поднимающимся потоком паров и интенсивного их перемешивания. Насадка выполняется обычно из коррозионно-стойкого материала (керамика, фарфор, стекло).

Насадку укладывают на тарелки, снабженные двумя отверстиями двух видов: малыми – для стока орошения (флегмы) и большими – для прохода паров. Слой насадки разбивают на несколько маленьких слоев высотой 1-1,5 м, разделяя их свободным пространством.

Чем мельче насадочные кольца, тем лучше контакт между парами и флегмой, но тем выше гидравлическое сопротивление движению паров в колонне. При некотором предельном значении нагрузки насадочной колонны, т. е. при высокой скорости паров или жидкости, может наблюдаться «захлёбывание» насадки , когда прекращается стекание жидкости и начинается её выброс из колонны. Основной недостаток насадочных колонн – образование «мёртвых» зон в насадке, через которые не проходят ни пары, ни флегма, что ухудшает контакт между массообменивающими фазами и понижает эффективность разделения.

Конструкции насадок, применяемых в промышленных аппаратах нефтегазопереработки и нефтехимии, можно разделить на две группы - нерегулярные (насыпные) и регулярные насадки.

В качестве нерегулярных (насыпных) насадок используют твердые тела различной формы, загруженные в корпус в навал. В результате в колонне образуется сложная пространственная структура, обеспечивающая значительную поверхность контакта фаз.

Среди насадок, засыпаемых в навал, широкое распространение получили кольца Рашига, представляющие собой отрезки труб, высота которых равна наружному диаметру. Низкая стоимость и простота изготовления колец Рашига делают их одним из самых распространенных типов насадок. Наряду с гладкими цилиндрическими кольцами из металла, керамики или фарфора разработаны насадки с ребристой наружной и (или) внутренней поверхностями. Для интенсификации процесса массообмена разработаны конструкции цилиндрических насадок с перегородками.


Насадка из колец Рашига (1 - отдельное кольцо; 2 - кольца навалом; 3 - регулярная насадка)

Промышленное использование в настоящее время нашла еще одна кольцевая насадка - кольца Палля. При изготовлении таких колец на боковых стенках сделаны два ряда прямоугольных, смещенных относительно друг друга надрезов, лепестки которых отогнуты внутрь насадки. Конструкция колец Палля по сравнению с кольцами Рашига позволяет увеличить пропускную способность и снизить гидравлическое сопротивление.

Насадка, известная как седла Инталлокс, является сегодня наиболее распространенной керамической насадкой. Поверхность ее представляет собой часть тора. Седла Инталлокс обладают механической прочностью, обеспечивают однородность размещения насадки и хорошее самораспределение жидкости.

В тарельчатых колоннах контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

Тарелка ректификационной колонны представляет собой горизонтальную перегородку в колонне, на тарелке находится слой стекающей по колонне жидкости (орошение), сквозь которую барботируют поднимающиеся снизу пары.

В книге Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» колонные аппараты по типу внутренних контактных устройств подразделяются на тарельчатые, насадочные и пленочные (к пленочным авторы данного издания относят аппараты, в которых фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности).

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.