Многоколпачковая тарелка с круглыми колпаками - наиболее распространенная (рис. 7.68). Она имеет металлическое полотно с отверстиями для паровых патрубков, которые прикреплены к полотну.

Над патрубками устанавливаются колпачки, чаще всего диаметром 60 и 80мм. Колпачки имеют прорези высотой 15, 20 или 30мм Для создания необходимого уровня жидкости используют переливные трубки, которые располагаются по диаметру, или сегментные переливные перегородки. Прорези колпачков должны быть погружены в жидкость, потому переливные трубки и перегородки выступают над тарелкой на определенную высоту. Пар поступает через паровой патрубок, проходит через прорези и барботирует сквозь слой жидкости. При взаимодействии пара и жидкости образуется мелкопористая пена и проходит обмен компонентами между фазами. На тарелке имеет место перекрестное течение жидкости и пара. Эти тарелки принадлежат к группе барботажных контактных устройств. Жидкость перетекает вниз из тарелки на тарелку через переливные устройства (стаканы). Навстречу снизу вверх проходит пар.

Колпачковые контактные устройства имеют широкий интервал устойчивой работы, относительно высокий коэффициент полезного действия (0,5-0,7), но имеют большое гидравлическое сопротивление и могут использоваться для переработки чистой жидкости. Недостатком также является значительная металлоемкость и сложность изготовления.

Одноколпачковая тарелка работает аналогично многоколпачковой. Одноколпачковые тарелки хорошо работают в колоннах малого диаметра. С увеличением диаметра эффективность их работы уменьшается.

Многоколпачковые тарелки используются в колоннах брагоректификационных установок: эпюрационных, спиртовых, сивушных, конечной очистки. Используют их также в концентрационной части брагоперегонных установок для получения спирта-сырца. В современных установках эпюрационные колонны имеют 39-40 многоколпачковых тарелок, а спиртовые 71 - 74.

Бражные колонны брагоректификационной установки и истощающая часть колонны брагоперегонной установки оснащены одноколпачковыми тарелками. Они могут использоваться для перегонки бражки и других жидкостей, которые содержат суспендированные твердые частицы.

Сетчатая тарелка является одним из самых простых тарельчатых контактных устройств (рис. 7.69.). Это перфорированный металлический диск с отверстиями диаметром 2-12 мм, которые размещаются на плоскости тарелки по вершинам равносторонних треугольников. Тарелка укрепляется горизонтально в колонне. Для поддержания определенного уровня жидкости в колоннах малого диаметра применяются переливные трубки, нижние концы которых погружены в сплошные стаканы. В колоннах большего диаметра используют сегментные переливные перегородки. Пар, который поднимается в колонне, проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в слое жидкости в виде пузырьков и струек. При этом происходит массообмен между фазами. Сетчатые тарелки имеют большее свободное сечение (плоскость отверстий), чем колпачковые, потому производительность их по пару на 30-40 % превышает колпачковые. Уровень жидкости на тарелке поддерживается определенным давлением в колонне. При уменьшении давления жидкость может протечь через отверстия по всей плоскости тарелки или отдельных ее частях, что ухудшает массообмен. Это может произойти также при неточном установлении (перекосе) тарелок.

Сетчатые тарелки эффективны, просты в изготовлении, имеют малую металлоемкость, но нуждаются в точном горизонтальном монтаже.

Сетчатые тарелки применяются в бражных колоннах большого диаметра (> 1400 мм).

Провальные контактные тарелки .В этих тарелках пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия, потому они имеют больше, чем сетчатые, свободное сечение (12-20 %). Эти конструкции не нуждаются в переливных устройствах и имеют большую рабочую площадь.

Решетчатые провальные тарелки изготовляются из стальных или медных листов толщиной 3-5 мм. Щели штампуются или фрезеруются шириной 2-6 мм и длиной 60-200 мм. На соседних тарелках щели располагаются взаимно перпендикулярно. Такие тарелки просты по конструкции, их пропускная способность по жидкости больше чем в сетчатых, но они имеют узкий диапазон стабильной работы. Решетчатые провальные тарелки рекомендуется использовать в бражных колоннах.

Чешуеобразная тарелка (рис. 7.70) изготавливается из металлического листа, в котором в шахматном порядке штампуется арочная чешуя. Угол наклона составляет 15-20°. Изменение свободного сечения тарелки (рекомендуется 8-15 %) достигается изменением количества чешуек. Тарелка имеет утопленные приемные и сливные сегменты. К сливному сегменту прикреплена переливная труба. Поток пара, который перемещается в колонне, изменяет направление движения при прохождении через чешую, прорези которой направлены в сторону движения жидкости. Направленный паровой поток увеличивает скорость жидкости, которая перемещается с подъемом в сторону слива. В рабочем струйном режиме пар интенсивно турбулизирует жидкостной поток, значительная часть парожидкостной смеси поднимается над тарелкой и двигается в межтарельчатом пространстве. Чешуеобразные тарелки работают при высоких скоростях пара и незначительном брызговыносе, имеют высокую эффективность (КПД 0.5-0.7) .

Этот тип тарелок рекомендуется применять в бражных колоннах диаметром больше 1,4 м при перегонке бражки из измельченного зерно-картофельного сырья. Бражная колонна с чешуеобразными тарелками характеризуется широким диапазоном стабильной работы, большей на 20-40 % производительностью сравнительно с типичными бражными колоннами, способствует улучшению качества спирта.

Клапанные тарелки . Металлическое плоское полотно тарелки имеет круглые или квадратные отверстия, которые закрыты клапанами. Соответственно изготовляют дисковые и прямоугольные клапаны (рис. 7.71). При перемещении в колонне пара снизу вверх клапаны немного поднимаются, пар проходит сквозь прорез, который образовался, и контактирует с жидкостью, которая находится на тарелке. С увеличением количества пара клапан поднимается выше. Проходное сечение увеличивается, а скорость движения пара не меняется. Высота подъема клапана составляет 6-8 мм и ограничивается кронштейном-ограничителем. Клапанные тарелки оснащены также переливными устройствами и могут работать в режимах с перекрестным и прямоточным взаимодействием фаз. В последнем случае клапаны имеют ограничители разной длины.

На современном этапе клапанными тарелками оснащают бражные и эпюрационные колонны. В ректификационных установках для переработки вторичного сырья виноделия и дистилляции масляных мисцел используют вихревые контактные устройства.

Существует довольно много устройств и приспособлений для переработки продуктов брожения посредством дистилляции. Одним из таких устройств, получивших повсеместное распространение, является обычный самогонный аппарат. Примитивный агрегат обладает довольно простой конструкцией и состоит из бака и сухопарника. Однако некоторые умельцы, предпочитающие натуральный продукт высокого качества, для переработки браги также используют такие устройства, как дистилляционные колонны. Что это такое и зачем они нужны, вы узнаете далее.

Общая информация

Обычный ректификационный самогонный аппарат, обладающий примитивной конструкцией, который использует большинство обывателей, не позволит получить высококачественный самогон. Для этого нужны модернизированные приборы, которые по своим конструктивным особенностям и принципу работы аналогичны промышленным агрегатам, используемым на спиртовых заводах. Однако вся проблема заключается в том, что они не только довольно сложны в использовании, но и требуют определенных знаний и приспособлений для изготовления в домашних условиях.

Основное отличие промышленного оборудования от любительских самогонных аппаратов заключается в том, что в них предусмотрены дистилляционные колонны. Сделать их может каждый человек, у которого есть хоть какой-то опыт работы с электрическими инструментами, а все необходимые детали без особого труда можно приобрести в магазине. При этом следует учитывать размеры и колонны. Все дело в том, что они должны быть определенных пропорций. Если их не соблюсти, то у вас получится не модернизированный самогонный аппарат промышленного типа, а обычный дистиллятор.

Предназначение колпачковой колонны

Колпачковые колонны обладают более простой конструкцией, в связи с чем они получили более широкое распространение. Поэтому процесс модернизации самогонного аппарата мы рассмотрим именно на ее примере. Однако перед тем, как поговорить о том, как ее сделать, необходимо разобраться в предназначении и принципе работы.

Колпачковая колонна для дистилляции выполняет функцию тепломассобмена между паром и жидкостью. Они могут обладать различным количеством колпачков, чем больше которых будет, тем больше в устройстве точек преобразования пара в жидкость, и тем большее количество готового продукта будет на выходе.

Принцип работы

Как уже упоминалось ранее, колонна может иметь различное количество колпачков. В процессе переработки браги колпачки нагреваются, а их температура возрастает сверху вниз. Каждый колпачок имеет несколько отверстий, сквозь которые стекает флегма и попадает на колпачок, расположенный ниже. Таким образом, происходит несколько процессов повторного испарения, в результате чего на выходе получается вода с более высокой температурой кипения. Благодаря этому получается спирт с большим градусом.

Чтобы было понятнее, стоит рассмотреть это на конкретном примере. Давайте представим, что у нас есть колпачковая колонна для дистилляции высотой 50 см и с десятью колпачками. За один цикл переработки браги она обеспечивает до 40 повторных процессов испарения, благодаря чему на выходе получается чистый спирт, кратность чистоты которого соответствует общему количеству испарений.

Особенности использования колонн при перегонке спирта

Если ректификационный самогонный аппарат оснащен колонной колпачкового типа, то при переработке браги в домашних условиях следует отсекать хвосты. Все дело в том, что именно в самом первом самогоне, выходящем в начале перегонки, содержатся вредные и опасные для организма вещества, такие как эфиры, метиловый спирт, ацетон и альдегиды, употребление которых может быть опасно для жизни. Поэтому чтобы получить чистый, качественный и безопасный самогон, рекомендуется использовать дробную перегонку.

Что касается оптимальной температуры, то в процессе первой перегонки она должна быть в районе 73 градусов, а при повторной ее следует увеличить до 78 градусов. На объем чистого продукта на выходе это никак не скажется.

Как сделать колпачковую колонну своими руками?

Итак, мы рассмотрели принцип работы колпачковой колонны, поэтому самое время приступать к ее изготовлению. Первым делом вам необходимо купить в магазине колпачковые тарелки, которые являются главным компонентом этого приспособления. Если они у вас уже есть, то никаких проблем с производством колонны в домашних условиях не возникнет. Стоит отметить, что тарелки можно сделать и самому, однако процесс этот довольно сложный и хлопотный, поэтому лучше купить уже готовые.

Как уже упоминалось ранее, очень важно соблюсти правильное соотношение прибора, поэтому первым делом следует выполнить расчет колпачковой ректификационной колонны. Диаметр шахты по отношению к ее высоте должен быть не менее 1 к 8. Если этого не сделать, то из спирта не будут полностью удаляться вредные примеси, что существенно снизит его качество.

Помимо колпачковых тарелок, также понадобится:

• медная пластина;
• стеклянная или медная трубка высотой 75 мм и диаметром 10 мм.

Первым делом из нужно вырезать круги диаметром 10 мм и проделать в них четыре отверстия. Два из них должны находиться в центре диска, а два - по краям и иметь диаметр один миллиметр. В эти отверстия необходимо вставить медные трубки соответствующего диаметра, по которым будет осуществляться подача пара. Для обеспечения герметичности все отверстия рекомендуется пропаять.

Далее на десятимиллиметровые трубки насаживаются колпачковые тарелки таким образом, чтобы они соприкасались с дисками. Для фиксации колпачком можно использовать обычные саморезы по металлу. В верхней части трубки проделываются небольшие отверстия диаметром 1 мм. Чем больше будет отверстий, тем лучше выполнит свои функции тарельчатая колонна. Снизу трубки подрезаются на 2 миллиметра.

Таким образом, у вас будет готов один элемент колонны. Для одного самогонного аппарата их необходимо от 5 до 8. Для фиксации каждой тарелки на самогонном аппарате используют небольшие штыри, которые обеспечивают тарелкам хорошую устойчивость и позволяют без проблем снимать их для чистки.

При переработке браги, колпачковые колонны соединяются с холодильником при помощи двух термопар, которые находятся в нижней части прибора и на кубе. Пароотводящий патрубок должен находиться немного ниже резьбы, приблизительно на один сантиметр.

Как это работает?

В процессе перегонки горячий пар поступает по трубкам из резервуара с брагой, который стоит на огне, в пространство над первым колпачком, где он преобразовывается в жидкость, стекающую через отверстия на тарелку. Постепенно жидкости становится все больше. После того как уровень поднимется до определенной отметки, пар, проходя сквозь эту жидкость, вместе со спиртами поднимается до следующей тарелки, расположенной выше, где весь процесс повторяется. После того как уровень жидкости превысит срез, флегма стекает в куб.

По мере прохождения пара через колпачковые тарелки градусы спирта увеличиваются, а количество вредных примесей уменьшается. Аналогичным образом работают абсолютно все колпачковые колонны. Однако есть один важный нюанс. Если вы хотите получить спирт самого высокого качества, то рекомендуется делать двойной перегон. Для этого брага сперва перерабатывается на обычном самогонном аппарате, после чего сырец проходит повторный перегон через колонну. Это занимает довольно много времени, но только так можно получить кристально чистый спирт.

Тарельчатая и колпачковая колонна: в чем разница?

Многих людей интересует вопрос о том, какая колонна лучше: тарельчатая или колпачковая, однако однозначного ответа не существует. Все дело в том, что разновидность этого оборудования не влияет на качество спирта, а основное различие заключается в конструктивных особенностях. В колоннах тарельчатого типа вместо специальных колпачков используются традиционные тарелки. Несмотря на то что на таком оборудовании невозможно изготовить натуральный спирт, тем не менее перегнать брагу в высококачественный дистиллят вполне возможно.

В нашей стране тарельчатая колонна пользуется огромной популярностью среди подавляющего большинства винокуров и имеет множество вариаций, которые позволяют получить самый разнообразный результат. Чтобы понимать, какая разновидность колонны лучше подойдет для вас, давайте разберемся в их основных отличиях.

Серия оборудования

Здесь все довольно просто и понятно. В зависимости от применения, все оборудование разделяется на серии. Самой популярной является колпачковая колонна ХД 4, разработанная специально для переработки браги в высококачественный самогон в домашних условиях. Это оборудование обладает высоким качеством и доступной ценой. Вторая популярная серия - это ХД/3, рассчитанная на большие объемы производства и способные работать беспрерывно.

Материалы

Современные колпачковые колонны могут быть изготовлены из металла или стекла. Если для вас более важна долговечность, то стоит отдать предпочтение первому варианту, однако металл дает небольшой привкус, избавиться от которого помогут только стеклянные колонны.

Конструктивные особенности

Различные вариации колонн обладают разной высотой и количеством тарелок. В большинстве случаев оборудование имеет размер 375 или 750 миллиметров. Количество тарелок может варьироваться в зависимости от того, какой крепости должен быть продукт на выходе. Чем больше колпачков, тем выше градус будет у дистиллята. При этом важно понимать, что количество тарелок можно регулировать вручную.

Тип тарелок

На сегодняшний день в продаже можно найти множество вариантов тарелок, однако наиболее часто встречающимися являются колпачковые и провальные. Последние являются более доступными и позволяют получить качественный продукт при соблюдении правильного режима нагрева. Колпачковые обладают более высоким КПД и позволяют перерабатывать брагу в качественный дистиллят в любых условиях.

Как оказалось, освоить принцип работы колпачковой колонны несложно. Кроме этого, сделать ее можно и в домашних условиях своими руками. Самое главное - в процессе изготовления придерживаться определенной инструкции и соблюдать технику безопасности. Не бойтесь экспериментировать! Не получается только у того, кто ничего не делает.

В последнее время довольно много людей не доверяют качеству алкоголя, предлагаемого магазинами, да и стоимость такой продукции высока. Поэтому зачастую на кухнях рядом с различными бытовыми приборами можно увидеть самогонный аппарат. Ведь домашние спиртосодержащие напитки экологически чистые и для здоровья в разумных количествах менее вредны. Однако перед всеми винокурами стоит проблема: очистка алкоголя от вредных примесей и неприятного запаха. Опытными и экономными хозяевами для этого применяется ректификационная колонна. Ну а новичкам, чтобы не отставать от более продвинутых винокуров, нужно узнать, что такое ректификационная колонна в самогонном аппарате.

Ректификационная колонна позволяет производить спиртосодержащие напитки, такие как водка, виски, наливки высокой очистки и высокой крепости (до 97 %). Устройство обычной ректификационной колонны следующее:

1. Испарительный куб.
2. Колонна со специальной насадкой, в которой идут процессы тепломассообмена (царга).
3. Дефлегматор.
4. Узел сбора дистиллята.

Испарительный куб

Испарительный куб представляет собой емкость, в которой нагревается брага. В процессе этого она испаряется, и пар поднимается по колонне. Вверху ректификатора жидкость разделяется на отдельные фракции.

Испарительный куб нагревают на любом виде плит. А некоторые его модели предполагают наличие нагревательного прибора. Покупной куб обязательно оснащается термометром, который позволяет вести контроль за нагревом браги. Испарительный куб абсолютно герметичен. Во время кипения важно, чтобы жидкость и пар оставались внутри. Куб нельзя заполнять брагой больше чем на 2/3 его объема, иначе жидкость будет выплескиваться из емкости.

Царга

В этой части ректификационной колонны происходят следующие процессы:

1. Брага, находящаяся в кубе, под действием тепла испаряется и поднимается по колонне. Там установлен холодильник.
2. Дефлегматор обеспечивает конденсацию паров спирта и получение дистиллята.
3. Дистиллят опускается по спиртовой колонне. В этот момент происходит столкновение его с паром - тепломассообмен.
4. В результате этого процесса испаряемая часть фракции идет вверх колонны. Здесь она конденсируется, а затем уходит в канал отбора.

Не стоит забывать, что если увеличить высоту колонны, то тепломассобмен проходит активнее. Это приводит к тому, что на выходе получается более ректификованный спирт.

Ректификационная насадка

Ректификационная насадка имеет две части:

1. Узел отбора спирта. В промышленной ректификационной колонне эта деталь снабжена смотровым стеклом, которое позволяет определить скорость отбора спирта.
2. Дефлегматор. Иногда эта часть называется холодильником. Дефлегматор расположен вверху ректификационной колонны. Он нужен для сбора самогонных паров и превращения их во флегму, которая отпускается вниз. Здесь происходит ее обогащение парами спирта. После того как флегма попадет в узел отбора, испаряемая часть выходит наружу.

Ректификационная колонна устроена просто, поэтому принцип ее работы поддается несложному объяснению. Этот механизм выполняет функцию фильтра, в котором оседают сивушные масла. В нем происходит постоянное взаимодействие спиртовых паров и жидкости, другими словами, ректификация. После того как брага прогреется до 70 градусов в испарительном кубе, спирт начинает испаряться. Он поднимается по трубе и оказывается в дефлегматоре. В этой части с паром происходит повторная конденсация при охлаждении водой. Конденсат (флегма) стекает и снова встречается с горячим паром. Происходит обмен между двумя составляющими - процесс насыщения флегмы паром, а пара - жидкостью, которая имеет низкую температуру кипения.

Окончательная конденсация пара идет в холодильнике. На выходе получается очищенный спирт, который стекает в емкость для приема. Вверху ректификационной колонны расположен атмосферный клапан. Он нужен для того, чтобы пары, не имеющие в своем составе спирта и не подверженные конденсации, покидали механизм.

Непрерывная ректификация идет за счет специальных контактных элементов - физических тарелок в покупных ректификационных колоннах и металлических губок или стеклянных шариков в образцах, изготовленных своими руками. Эти части нужны для увеличения эффективности взаимодействия пара и флегмы.

Виды колонн

Существуют следующие виды ректификационных колонн:

1. Тарельчатого типа. Такие агрегаты имеют внутри тарелки, которые установлены на определенном расстоянии. На них и осуществляется тепломассообмен. Ректификационные колонны такого вида стоят дорого и довольно громоздки. Но обладают главным достоинством - фракции отделяются точно.
2. Насадочного типа. Механизм имеет медную насадку двух видов. Первый - это заполняющая колонну россыпь мелких элементов из нержавеющей стали. Неравномерное размещение их затрудняет проход паров и отток флегмы. Второй тип - насадка Панченкова, которая совершает эффективный тепломассообмен.

Можно ли сделать полноценную ректификационную колонну своими руками?

В продаже есть удобные и качественные самогонные аппараты с ректификационной колонной. Но их стоимость высока. Поэтому мужчины, которые умеют работать с металлами, могут самостоятельно изготовить агрегат. Для создания колонны применяют материалы, не вступающие в химические реакции со спиртом и не выделяющие со временем различных элементов, вредных для здоровья человека. Для создания агрегата потребуются:

1. Емкость нужного объема в качестве перегонного куба. Это может быть любой медный или эмалированный сосуд. Подойдет и нержавеющая сталь. Если будет небольшой выход алкоголя, то используют и скороварку.
2. Корпус колонны в виде царги или трубы. На прилавках магазинов можно быстро найти уже готовую 15-сантиметровую царгу. Приобретают несколько штук и соединяют их. А можно без проблем сделать эту деталь из нержавеющей трубы диаметром 0,5 сантиметра и толщиной стенок 1,5–2 миллиметра. На ней с обеих сторон делают резьбу: низ присоединяют к кубу, а верх - к дефлегматору. Царга должна быть не менее одного метра в высоту, иначе вредные фракции не будут удаляться, и сивушные масла окажутся в дистилляте. В результате получится продукт низкого качества. Если делать трубу длиннее 1,5 метра, то увеличится время на ректификацию, а эффективность останется прежней.
3. Дефлегматор для охлаждения и конденсации пара. Он может быть рубашечным или прямоточным. Изготовляют из двух труб, между которыми движется вода. Дефлегматор Димрота считается более эффективным. Корпусом становится труба, внутри которой есть тонкая трубка в виде спирали. В ней и циркулирует холодная вода. Кожухотрубный дефлегматор - из нескольких труб. В самой большой крепят маленькие. В них пар конденсируется.
4. Насадки для царги. Они увеличивают поверхности, по которым течет флегма. Значит, вредные примеси осаждаются и не попадают в домашний алкоголь. Насадки в виде керамических шариков или нарезанных кухонных мочалок из нержавейки должны полностью заполнять царгу. Используют и насадку Панченкова. Она является самым лучшим вариантом.
5. Узел для отбора дистиллята.
6. Холодильник. Эта деталь изготовляется таким же образом, как и рубашечный дефлегматор. Но берутся трубки с меньшим диаметром. В холодильнике есть проходы для воды. В нижнее отверстие она входит, из верхнего жидкость направляется по трубкам к дефлегматору.
7. Мелкие детали, чтобы соединить части.
8. Термометр.

Метод ректификации имеет и сторонников, и противников. Он может похвастаться следующими положительными сторонами:

1. На выходе получается крепкий спирт высокого качества, который не содержит вредных для здоровья человека примесей. Он станет прекрасной основой для любого алкогольного напитка.
2. Можно приготовить самогон с нужной органолептикой.
3. Прибор довольно просто сконструировать самостоятельно.

Винокуры отмечают недостатки:

1. Весь процесс ректификации длится долго. В час получается всего один литр дистиллята.
2. Производственные конструкции стоят дорого.

Однако, учитывая несомненную пользу колонны, ее все-таки стоит приобрести. И тогда к качеству самогона претензий не будет.

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.

Ректифик а ция (от позднелатинского rectificatio — выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём 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 (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость — менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с другими процессами разделения, такими, как абсорбция, экстракция и кристаллизация.
Согласно Рауля законам и закону Дальтона, в условиях термодинамического равновесия концентрация какого-либо i -го компонента в паре в K i раз отличается от концентрации его в жидкости, причём коэффициент распределения K i = p i * /p (где p i * — упругость насыщенного пара i -го компонента; р - общее давление). Отношение коэффициента распределения любых двух компонентов K i и K j называется относительной летучестью и обозначается a ij . Чем больше отличается a ij от единицы, тем легче выполнить разделение этих компонентов с помощью ректификации. В ряде случаев удаётся увеличить a ij в результате введения в разделяемую смесь нового компонента (называемого разделяющим агентом), который образует с некоторыми компонентами системы азеотропную смесь. С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно более высокой температуре, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы ректификации называются азеотропными или экстрактивными. Величина a ij зависит от давления: как правило, при понижении давления a ij возрастает. Ректификация при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения термически нестойких веществ.

Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовой остаток (менее летучий компонент, в жидком виде вытекающий из нижней части колонны).

Кипятильники в ректификационных установках малой производительности изготовляют в виде змеевиков, установленных непосредственно в кубе, но чаще кипятильник монтируют в виде выносного теплообменника, который размещают вертикально около куба и связывают с ним двумя патрубками. Кубы колонн периодического действия отличаются вместимостью, достаточной для приема одновременной загрузки продукта. В колоннах непрерывного действия не нужен большой объем кубовой жидкости и испарителем в них может быть нижняя часть колонны высотой 1,0 - 2,5 м.

В производстве ТiС1 4 для очистки от низко- и высоко кипящих примесей применяют тарельчатые и насадочные ректификационные колонны. Насадочные колонны с керамическими кольцами Рашига малоэффективны и требуют частой замены насадки. В тарельчатых колоннах используют контактные устройства двух типов: провальные решетчатые тарелки и ситчатые тарелки с переливом. Тарельчатые устройства первого типа просты в изготовлении и пока остаются основными в титановой промышленности. Их изготовляют штамповкой, в них пробивают щели одинакового размера. Для очистки от трудноудаляемых примесей целесообразно применять решетчатые тарелки толщиной 2-4 мм со свободным сечением 16-22 % и размером щели 4x60 мм. Расстояние между тарелками зависит от диаметра колонны. При сборке каждую тарелку устанавливают в корпусе колонны, а зазор ликвидируют с помощью уплотнения из фторопластовой пленки.
Ситчатые тарелки с переливом пока не прошли длительного промышленного испытания, но опыт их эксплуатации в смежных областях показывает, что они характеризуются более высоким к.п.д. в широком диапазоне изменения нагрузки. Тарелки диаметром от 400 до 3600 мм имеют диаметр отверстий 3-8 мм, свободное сечение перфораций для колонн диаметром 400-1200 мм составляет 3-14 %. По сравнению с решетчатыми ситчатые тарелки более сложны и трудоемки в изготовлении.
Обогрев куба-испарителя электрический; для этого применяют открытые нагреватели из ленточного или круглого нихрома; мощность куба определяется количеством и мощностью отдельных нагревательных элементов. Вертикально расположенный аппарат характеризуется устойчивой паропроизводительностью, но быстро забивается твердыми частицами и более сложен в обслуживании. В горизонтальных аппаратах постоянство паропроизводительности обеспечивается специальным адтопереливом.

Конденсация паров происходит в конденсаторах-дефлегматорах, в качестве которых используют водоохлаждаемые кожухотрубные теплообменники или воздухоохлаждаемые плоские змеевики типа АВМ (аппарат воздухоохлаждаемый малопоточный). Коэффициенты теплопередачи соответственно равны 210-294 и 42-84 кДж/(м 2 ·ч·°С).

Кожухотрубные дефлегматоры сложны в изготовлении, имеют малый срок службы (до 1 года) и существует опасность попадания воды в продукты процесса. Срок службы воздушных дефлегматоров 10-12 лет. Для увеличения поверхности теплообмена трубы АВМ имеют ребра, что позволяет в 10-20 раз увеличить поверхность теплообмена.

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.
По способу проведения различают непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и обеднённых другими. Схема потоков типичного аппарата для непрерывной ректификации - полной колонны - показана на рисунке ниже (а) .

Полная колонна состоит из 2 секций — укрепляющей (1 ) и исчерпывающей (2 ). Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с т. н. 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 (3 ). Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (т. н. отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами пар поступает в дефлегматор (4 ), 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 т. н. кубового остатка (также продуктовый поток).

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число — важная характеристика 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, которое находится расчётным путём в предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации ( б ) 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 т. н. 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.