 |
4.2. Типы контактных устройств ректификационных аппаратов
|
|
|
|
4. 2. Типы контактных устройств ректификационных аппаратов
Общепризнанной классификации контактных устройств для осуществления массопередачи в ректификационных аппаратах на настоящее время нет. В основу наиболее простой для запоминания положен способ образования межфазной поверхности:
1. Пропускание газа (пара) в виде пузырьков в жидкости – барботаж, соответственно барботажные тарелки (пример - распылитель воздуха в аквариуме).
2. Распыление жидкости в объеме газа, при которой газ является сплошной фазой, а жидкость дисперсной (пример – распылитель воды на газоне).
3. Взаимодействие газа с движущейся пленкой жидкости, при которой обе фазы являются сплошными (пример – стекание жидкости по стенке) – насадочные колонны.
Основными характеристиками эффективности ректификационных колонн являются.
1. Способность контактного устройства разделять смесь называется эффективностью, которую оценивают числом теоретических тарелок. Термин используется для оценки тарельчатых колонн со ступенчатым массобменом. Под теоретической тарелкой понимают такое устройство, при выходе с которого паровая фаза достигает фазового равновесия (насыщенный пар). Мерой эффективности реальной тарелки, на которой насыщенное состояние пара не достигается, является ее КПД, который равен отношению числа теоретических тарелок n, необходимых для осуществления заданного разделения смеси, к числу реальных тарелок N, необходимых для той же цели: h=n/N. Значение КПД определяют опытным путем, для большинства типов тарелок оно равно 0, 4¸ 0, 7.
2. Удерживающая способность по жидкости (УС) - количество вещества в виде пара или жидкости, находящееся между кубом колонны и конденсатором. Складывается из статической УС - количество вещества в состоянии покоя (несливаемый остаток) и динамической УС - вещество, захватываемое восходящими парами. При очень большой УС флегмовое число практически не сказывается на способности разделения.
|
|
|
3. Нагрузка колонны - количество вещества, полученного в результате перегонки в единицу времени. Определяет производительность колонны до ее захлебывания - уноса восходящим потоком пара жидкости из нижележащих зон и невозможности стекания вниз, что делает невозможной работу колонны в режиме массообмена, а также приводит к перебросу перегоняемой жидкости в конденсатор. Во многом определяется флегмовым числом.
4. ВЭТТ - высота, эквивалентная теоретической тарелке. Длина участка колонны, который необходим для перехода от концентрации извлекаемого компонента (спирта) к равновесной с паровой фазой. Используется для оценки эффективности насадочных колонн.
4. 2. 1. Безнасадочные колонны
Обычно выполнены в виде трубы с развитой поверхностью или просто гладкой трубы. Контакт между паром и жидкостью проходит в пленке жидкости, стекающей по поверхности трубы. Используется, главным образом, в лабораторных установках микроперегонки, иногда для дефлегмирования в процессах простой перегонки или предотвращения брызгоуноса при простой перегонке. В последнем случае колонну не теплоизолируют и дефлегмация происходит под действием воздуха (дефлегмация с воздушным охлаждением).
На рис. 17 показан стандартный елочный дефлегматор, выполненный из стекла. ВЭТТ подобных устройств редко бывает менее 10 см при очень небольших нагрузках.
|
| Рис. 17. Лабораторный елочный дефлегматор воздушного охлаждения |
На рис. 18 показана стандартная конструкция коньячного аламбика[14], в верхней части которого имеется шлем (колпак - шаровой дефлегматор воздушного охлаждения и одновременно брызгоуловитель) и своеобразно выгнутая труба для паров (лебединая шея).
|
|
|
|
| Рис. 18. Общий вид коньячного аламбика (Alambic Charentais) |
4. 2. 2 Барботажные колонны и режимы их работы
Барботажные колонны применяются с колпачковыми, сетчатыми и провальными тарелками. Значительное гидравлическое сопротивление колонн при ректификации вызывает только некоторое повышение давления и температуры в нижней части колонны, но жидкости в них разделяются с большей четкостью. Массообмен в них имеет ступенчатый характер (в отличие от непрерывного режима насадочных колонн) – газ и жидкость соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата.
Массовый барботаж в зависимости от скорости газа в сечении отверстия характеризуется следующими режимами (в порядке повышения):
1. Режим смоченной тарелки (провала – силы давления столба жидкости больше давления газа в проходном сечении отверстия). В этом режиме газ и жидкость проходят через разные отверстия и контакт фаз малоэффективен.
2. Барботажный режим: пузыри газа выходят из отверстия в виде факела, отрываются от него за счет Архимедовой силы выталкивания, распадается на отдельные пузыри под действием турбулентности газо-жидкостной смеси, образуя газожидкостной слой. На поверхности жидкости происходит разрыв газовых оболочек – образуется пенный слой. При разрыве пленок жидкости образуются брызги, поднимающиеся над слоем жидкости.
3. Режим газовых струй (факельный режим – струя газа на выходе из отверстия выглядит в виде факела, разрушения на пузыри не происходит вплоть до касания факела поверхности жидкости на тарелке).
4. Режим интенсивного уноса и захлебывания тарелки (скорость газа такова, что она захватывает жидкость с собой и последняя вместо течения вниз уносится вместе с газом). Этот режим, как правило, определяет максимальную производительность колонны.
Практически во всех режимах на тарелке присутствуют три состояния жидкости: газо-жидкостной слой, слой пены - инверсирующей[15] смеси газа и жидкости, и брызги. Расстояние между тарелками должно быть больше суммы вспененного слоя жидкости на тарелке и сепарационного пространства, последнее определяют, исходя из условий минимального межтарельчатого уноса.
|
|
|
Конструктивно тарелки делятся на три большие группы: колпачковые, сетчатые и провальные и огромную массу промежуточных и переходных между этими типами.
Колонны с колпачковыми тарелками. В колпачковых тарелках газ барботирует через жидкость, выходя из прорезей колпачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газ дробится на мелкие струйки, которые по выходе из прорези почти сразу поднимаются вверх и, проходя через слой жидкости на тарелке, сливаются друг с другом.
В колоннах с колпачковыми тарелками (рис. 19) находятся тарелки с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3. Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. Уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.
Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и, выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботирует через слой жидкости.
Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал, таким образом, нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены под уровень жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.
|
| Рис. 19. Колонна с колпачковыми тарелками: 1 – тарелка; 2 – патрубки; 3– колпачки; 4 –переливные грубы. |
Колонны с сетчатыми тарелками. Сетчатые тарелки (рис. 20) имеют отверстия диаметром 2–5 мм; газ проходит через отверстия и барботирует через слой жидкости на тарелке. При нормальной работе колонны жидкость не протекает через отверстия, так как она поддерживается снизу давлением газа. Высота слоя жидкости на тарелке составляет 25–30 мм и определяется положением верхних концов переливных труб 2.
|
|
|
|
| Рис. 20. Колонна с сетчатыми тарелками: 1 – отверстия; 2 – переливная труба. |
Сетчатые колонны отличаются простотой устройства и высокой эффективностью. Основной их недостаток заключается в том, что они удовлетворительно работают лишь в ограниченном диапазоне нагрузок. При низких нагрузках, когда скорость газа мала, жидкость протекает через отверстия и работа колонны нарушается. При больших нагрузках гидравлическое сопротивление тарелки сильно возрастает, причем наблюдается значительный унос жидкости (хотя на сетчатых тарелках унос меньше, чем на колпачковых тарелках). Другой недостаток сетчатых колонн состоит в том, что отверстия в тарелках легко забиваются, в оставшихся происходит отклонение режима от расчетного.
Колонны с провальными тарелками. В провальных тарелках отсутствуют переливные трубы, вследствие этого газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. Дырчатые провальные тарелки по устройству аналогичны сетчатым тарелкам и отличаются от них лишь отсутствием переливных труб. Решетчатые тарелки (рис. 21) имеют отверстия в виде фрезерованных щелей шириной 3–4 мм. Иногда тарелки собирают из полос, поставленных на ребро.
|
| Рис. 21. Решетчатые провальные тарелки: 1 -щели. |
Преимуществами барботажных колонн являются хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе при низком, расходе жидкости, по сравнению с насадочными они более пригодны для работы с загрязненными средами.
Основные недостатки барботажных колонн – сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление, связанное при пропускании больших количеств газа со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. Поэтому барботажные колонны применяют преимущественно в тех случаях, когда разделение ведется под повышенным давлением, так как при этом высокое гидравлическое сопротивление не существенно.
|
|
|
