Описание и характеристика ректификационной колонны

Теория ректификации спирта и принцип работы ректификационной колонны

Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.

Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.

С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.

Схема ректификации

Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.

Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).

Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:

  1. Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
  2. Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.

Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.

Разница между дистилляцией и ректификацией

Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.

Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.

С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.

ОтличиеДистилляцияРектификация
Органолептика напиткаСохраняет аромат и вкус исходного сырья.Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение).
Крепость на выходеЗависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%).До 96%.
Степень разделения на фракцииНизкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно.Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения).
Способность убрать вредные веществаНизкая или средняя. Для повышения качества требуется минимум две перегонки с разделением на фракции хотя бы при одной из них.Высокая, при правильном подходе отсекаются все вредные вещества.
Потери спиртаВысокие. Даже при правильном подходе можно извлечь до 80% от всего количества, сохранив приемлемое качество.Низкие. Теоретически, реально извлечь весь этиловый спирт без потери качества. На практике минимум 1-3% потерь.
Сложность технологии для реализации в домашних условияхНизкая и средняя. Подходит даже самый примитивный аппарат со змеевиком. Возможны улучшения оборудования. Технология перегонки проста и понятна. Самогонный аппарат обычно не занимает много места в рабочем состоянии.Высокая. Требуется специальное оборудование, изготовить которое без знаний и опыта невозможно. Процесс сложнее для понимания, нужна предварительная хотя бы теоретическая подготовка. Колонна занимает больше места (особенно по высоте).
Опасность (в сравнении друг с другом), оба процесса пожаро- и взрывоопасны.Благодаря простоте самогонного аппарата дистилляция несколько безопаснее (субъективное мнение автора статьи).Из-за сложного оборудования, при работе с которым существует риск допустить больше ошибок, ректификация опаснее.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.

Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.

Одна из самых распространенных домашних конструкции

Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.

Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.

Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.

Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.

Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)

Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.

Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.

Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.

Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.

Насадки из мочалок самые практичные

Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.

Свойства ректификационной колонны

Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.

Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.

Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).

Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.

Термометр позволяет точно контролировать процесс отбора фракций

Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).

Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).

Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.

Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.

О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.

Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.

В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.

Принцип работы ректификационной колонны

Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.

Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.

Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.

Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.

Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!

На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.

Размер имеет значение. Возможности спиртзаводов в плане очистки куба больше, чем при домашней ректификации

После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.

После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.

В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.

Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.

Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Добровар Первый: плюсы и минусы

Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.

Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.

Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.

Захлебывание ректификационной колонны

Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.

Причины захлебывания ректификационной колонны:

  • превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
  • засорение нижней части устройства и переполнение куба;
  • очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
  • напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
  • конструктивные ошибки и неисправности.

§ 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа

Как было сказано выше, ректификация осуществляется в специальных аппаратах — ректификационных колоннах, которые являются основными элементами ректификационных установок.

Процесс ректификации может осуществляться периодически и непрерывно, независимо от типа и конструкции ректификационных колонн. Рассмотрим процесс непрерывной ректификации, с помощью которого происходит разделение жидких смесей в промышленности.

Ректификационная колоннавертикальный цилиндрический аппарат со сварным (или сборным) корпусом, в котором расположены массо- и теплообменные устройства (горизонтальные тарелки 2 или насадка). В нижней части колонны (рис. 13.3) имеется куб 3, в котором происходит кипение кубовой жидкости. Нагревание в кубе осуществляется за счет глухого пара, находящегося в змеевике или в кожухотрубчатом подогревателе-кипятильнике. Неотъемлемой частью ректификационной колонны является дефлегматор 7, предназначенный для конденсации пара, выходящего из колонны.

Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Предварительно нагревается до кипения исходная смесь, подлежащая разделению. Она подается на питательную тарелку 5, которая делит колонну на две части: нижнюю (исчерпывающую) 4 и верхнюю (укрепляющую) 6. Исходная смесь с питательной тарелки стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, обедняясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. В нижней части колонны идет процесс извлечения (исчерпывания) легколетучего компонента из исходной смеси и переход его в пар. Некоторая часть готового продукта (ректификата) подается на орошение верхней части колонны.

Жидкость, поступающую на орошение верха колонны и перетекающую по колонне сверху вниз, называют флегмой. Пар, взаимодействуя с флегмой на всех тарелках верхней части колонны, обогащается (укрепляется) легколетучим компонентом. Пар, выходящий из колонны, направляется в дефлегматор 7, в котором осуществляется его конденсация. Образующийся дистиллят делится на два потока: один в виде продукта направляется на дальнейшее охлаждение и на склад готовой продукции, другой направляется обратно в колонну в качестве флегмы.

Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. На рис. 13.4 изображена схема устройства и работы колпачковой тарелки. Она имеет дно 1, герметически соединенное с корпусом колонны 4, паровые патрубки 2 и сливные патрубки 5. Паровые патрубки предназначены для пропускания поднимающихся с нижней тарелки паров. По сливным патрубкам жидкость стекает с вышележащей тарелки на нижележащую. На каждый паровой патрубок монтируется колпачок 3, с помощью которого пары направляются в жидкость, барботируют через нее, охлаждаются и частично конденсируются. Дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. Кроме того, при частичной конденсации пара выделяется тепло. За счет этого тепла жидкость на каждой тарелке кипит, образуя свои пары, которые смешиваются с парами, поступившими с нижележащей тарелки. Уровень жидкости на тарелке поддерживается с помощью сливных патрубков.

Рис. 13.3. Схема ректификацион­ной колонны: / — корпус; 2 — тарелки; 3 — куб; 4, 6 — исчерпывающая и укрепляющая части колонны; 5—питательная тарелка; 7 — дефлегматор

Процессы, протекающие на тарелке, можно описать следующим образом (см. рис. 13.4). Пусть на тарелку поступают пары состава Л с нижней тарелки, а с верхней тарелки по переливной трубке стекает жидкость состава В. В результате взаимодействия пара А с жидкостью В (пар, барботируя через жидкость, частично ее испарит, а сам частично сконденсируется) образуется новый пар состава С и новая жидкость состава D, находящиеся в равновесии. В результате работы тарелки новый пар С богаче легколетучим веществом по сравнению с поступившим с нижней тарелки паром А, то есть на тарелке пар С обогатился легколетучим веществом. Новая жидкость D, наоборот, стала беднее легколетучим веществом по сравнению с поступив­шей с верхней тарелки жидкостью В, то есть на тарелке жидкость обедняется легколетучим и обогащается труднолетучим компонентом. Короче, работа тарелки сводится к обогащению пара и обеднению жидкости легколетучим компонентом.

Рис. 13.4. Схема устройства и работы колпачковой тарелки: /— дно тарелки; 2—паровой патрубок;

3— колпачок; 4 — корпус колонны; 5 — сливной патрубок

Рис. 13.5. Изображение работы ректификационной тарелки на диаграмме ух: 1 — равновесная кривая;

2 — линия рабочих концентраций

Тарелка, на которой достигается состояние равновесия между поднимающимися с нее парами и стекающей жидкостью, называется теоретической. В реальных условиях из-за кратковременного взаимодействия пара с жидкостью на тарелках не достигается состояние равновесия. Разделение смеси на реальной тарелке идет менее интенсивно, чем на теоретической. Поэтому для выполнения: работы одной теоретической тарелки требуется больше чем одна реальная тарелка.

На рис. 13.5 изображена работа ректификационной тарелки с использованием диаграммы ух. Теоретической тарелке соответствует заштрихованный прямоугольный треугольник, катетами ко­торого являются величина приращения концентрации легколетучего компонента в паре, равная усyа, и величина уменьшения концентрации легколетучего компонента в жидкости, равная xBxD. Отрезки, соответствующие указанным изменениям концентраций, сходятся на равновесной кривой. Тем самым предполагается, что фазы, покидающие тарелку, находятся в состоянии равновесия. Однако в действительности состояние равновесия не достигается, и отрезки изменения концентраций не достигают равновесной кривой. То есть рабочей (действительной) тарелке будет соответствовать меньший треугольник, чем тот, который изображен

Конструкции тарелок ректификационных колонн весьма разнообразны. Рассмотрим кратко основные из них.

Колонны с колпачковыми тарелками широко применяются в промышленности. Использование колпачков обеспечивает хороший контакт между паром и жидкостью, эффективное перемешивание на тарелке и интенсивный массообмен между фазами. По форме колпачки могут быть круглыми, многогранными и прямоугольными, тарелки — одно- и многоколпачковыми.

Тарелка с желобчатыми колпачками показана рис. 13.6. Пар с нижней тарелки проходит в зазоры и попадает в верхние (опрокинутые) желоба, которые направляют его в нижние желоба, заполненные жидкостью. Здесь пар барботирует через жидкость, что обеспечивает интенсивный массообмен. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством.

Колонны с ситчатыми тарелками показаны на рис. 13.7. Тарелки имеют большое количество отверстий малого диаметра (от 0,8 до 3 мм). Давление пара и скорость его прохода через отверстия должны находиться в соответствии с давлением жидкости на тарелке: пар должен преодолевать давление жидкости и препятствовать ее утечке через отверстия на нижележащую тарелку. Поэтому ситчатые тарелки требуют соответствующего регулирования и весьма чувствительны к изменению режима. В случае уменьшения давления пара жидкость с ситчатых тарелок уходит вниз. Ситчатые-тарелки чувствительны к загрязнениям (осадкам), которые могут забивать отверстия, создавая условия образования повышенных давлений. Все это ограничивает их применение.

Насадочные колонны (рис. 13.8) отличаются тем, что в них роль тарелок выполняет так называемая «насадка». В качестве насадки используют специальные керамические кольца (кольца Рашига), шарики, короткие трубки, кубики, тела седловидной, спиралевидной и т. п. формы, изготовленные из разнообразных материалов (фарфора, стекла, металла, пластмассы и др.).

Пар поступает в нижнюю часть колонны из выносного кипятильника и движется вверх по колонне навстречу стекающей жидкости. Распределяясь по большой поверхности, образуемой насадочными телами, пар интенсивно контактирует с жидкостью, обмениваясь компонентами. Насадка должна иметь большую поверхность в еди­нице объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и пара, обладать высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость.

Насадочные колонны имеют небольшое гидравлическое сопротивление, удобны в эксплуатации: легко опорожняются, промываются, продуваются, очищаются.

Рис. 13.6. Тарелка с желобчатыми колпачками: а — общий вид; б — продольный разрез; в — схема работы тарелки

Рис. 13.7. Схема устройства ситчатой тарелки: / — корпус колонны; 2 — тарел­ка; 3— сливная труба; 4— гидравлический затвор; 5 — отверстия

Рис. 13.8. Схема насадочной ректификационной колонны: 1 — корпус; 2— ввод начальной смеси; 3 — пар; 4 — орошение; 5 — решетка; 6 — насадка; 7—отвод высококипящего продукта j-. 8 — выносной кипятильник

Принцип работы ректификационной колонны

Ректификационная колонная это довольно сложная система в основе которой лежат физические законы. Зная их, можно эффективно управлять процессом и оптимизировать его при необходимости. Сегодня мы расскажем все о тех принципах, на которых базируется работа современных ректификационных колонн.

Начнем с понятия ректификации. Ректификацией называется процесс разделения жидкостей, состоящих из нескольких составных частей на отдельные компоненты. В основе данного процесса лежит т. н. тепло-массообменные. За счет него происходит разделение веществ. Последние различаются массой и температурой кипения.

В промышленности ректификация используется главным образом при перегонке нефти. Ректификация используется для выделения различных полезных компонент таких как бензин, керосин, солярку и других.

Процесс ректификации

Ректификация протекает при высоких температурах. При их воздействии жидкость, находящаяся внутри специального бака (перегонного куба) начинает постепенно преобразовываться в пар. Пары устремляются вверх по колонне направляясь к теплообменнику (дефлегматору). По пути туда они успевают частично остыть. Остальные достигают цели и уже в теплообменнике охлаждаются до жидкого состояния. Жидкость (флегма) начинает обратный путь в куб.

По пути к дефлегматору пары могут контактировать с медными частями. Это могут быть тарельчатые элементы или специальные наполнители (РПН и СПН). Благодаря взаимодействию С физической точки зрения ректификация представляет собой взаимодействие 2х фаз: жидкой и парообразной. Изначально концентрация веществ максимальна в жидкой фазе, однако в ходе ректификации концентрация компонентов, давление и температура приводятся к равновесию.

Равновесие предполагает выстраивание фракций в виде градиента. В верхней части собираются самые легкие (разделенные) фракции. Температура кипения этих фракций довольно малая и как правило к таким компонентам относят метиловый спирт, уксусный альдегид и эфиры. Что же касается нижней части колонны то здесь напротив собираются самые тяжелые фракции. Как правило их отличает высокая температура кипения. В данном случае речь идет о сивушных маслах. Мы описали лишь статическую картину. По факту же фракции в нижней части колонны

Понятия ректификации

Недоректификат — продукт ректификации крепостью до 96 градусов. Крепость продукта
Спирт-сырец — промежуточный продукт, полученный методом простой (или ускоренной) дистилляции, который можно подвергать дополнительной перегонке в ректификационной

Флегмовое число — характеристика, которая показывает концентрацию спиртовых соединений внутри колонны. Чем выше флегмовое число тем более высокое разделение возможно внутри колонны. В самом начале работы продукт не выводят за пределы колонны. Это делается для того, чтобы повысить концентрацию флегмы внутри и увеличить концентрацию флегмовое соединений внутри колонны и как следствие повысить флегмовое число. Для работы установки флегмовое число должно быть не менее 3.

Теоретические аспекты ректификации

У смесей входящих в состав исходного сырья разная температура кипения. Это говорит нам о том, что эти самые смеси доходят до верхней точки колонны в разные промежутки времени. Вначале выходят вещества с более низкой температурой кипения. К ним можно отнести эфиры, спирты и альдегиды. Потом выходят вещества с более высокой температурой кипения. К ним можно отнести разные тяжелые компоненты такие как сивушные масла. Иными словами Чуть выше мы уже упоминали «равновесие» в контексте в ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. Равновесие — это разделения смесей между паром и жидкостью. Это очень важное понятие поскольку именно в состоянии равновесия происходит наиболее эффективное разделение. Иными словами, разделительная способность колонны определяется ее возможностями поддержания состояния равновесия при разделении смесей. Чтобы поддерживать такое состояние необходимо соблюдение 2х условий:

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Источник Турбо: плюсы и минусы

1) давление отдельных компонентах в смеси должно быть выровнено

2) Температура и концентрация веществ в обоих фазах должна быть выравнены

Соблюдение этого условия можно увидеть на графике.

График показывает соотношение объема водно-спиртовой смеси к объему пара. По оси x показана концентрация спиртов в воде. Что касается оси Y то на ней показана концентрация паров. Синяя прямая отображает точку равновесия, соотношения жидкой и паровой фазы. Данный показатель лучше воспринимать как некую абстракцию поскольку реальная картина отличается соотношения концентрации спиртов в пару. Так, если мы берем бинарную смесь с концентрацией спиртов 10% (бражка), то равновесие будет достигнуто ровно тогда, когда 53%
Можно заметить сразу несколько ступенек на графике:
10-53 53-82 82-88 88-92

Они отображают разделительную способность и берут за основу т. н. точку азеонтропа. Данная точка равна 97,2%. По факту это состояние, при котором кипящая смесь не поддается разделению. Водно-спиртовая смесь с близким значением крепости именуется спирт-ректификат. Исходя из данных графика, чтобы достичь параметров спирта-ректификата спиртовую смесь 10% нужно прогнать по крайней мере 10 раз на дистилляции. На самом деле это довольно хлопотно и экономически невыгодно. По этой причине куда эффективнее использовать ректификационную колонну. Отличие заключается в том, что процесс дистилляции многократно дублируется в разных частях колонны.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна (далее РК) это система предназначенная для разделения многокомпонентных жидких смесей на отдельные части разделяя их на основе температуры В составе колонны может быть сразу множество отдельных элементов. К ним можно отнести Контактные устройства

Контактные устройствами так же именуют наполнителями. Они замедляют процесс взаимно обогащения спирта и пара и тем самым повышают разделительную способность колонны. Проще говоря, чем больше наполнителей установлено в колонну, тем эффективнее проходит ректификация.
Контактные поверхности могут быть нескольких типов. Это может быть регулярная проволочная насадка Панченкова или же спирально-призматическая насадка Селиваненко. Так же для этой же цели могут использоваться и контактные устройства тарельчатого типа.

У самогонных аппаратов колонного типа имеется несколько важных показателей которые следует учитывать.

Производительность. Во многом этот параметр зависит от мощности нагрева поскольку именно нагрев провоцирует скорость движения потока пара и флегмы. Здесь важно заметить, что при превышении максимальной производительности колонна захлебывается и прекращает работать. Среднее значение производительности в домашних ректификационных системах составляет 1 литр в час при мощности 1 кВт

Давление. Данный параметр оказывает влияние на температуру кипения жидкостей. Для ректификации должно быть соблюдено условие, согласно которому давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному 720-780 мм.рт.ст. Если это условие не соблюдается снижается плотность паров и увеличивается скорость испарения, а это прямая причина захлеба колонны. Напротив, если давление будет высоким скорость испарения упадет, и работа устройства станет неэффективной. Для того чтобы выровнять давление колонна использует трубку связи с атмосферой.

Исходное сырье. Для ректификации следует использовать спиртосодержащую смесь. Спиртуозность должна варьироваться в диапазоне от 35 до 45%. Иными словами, бражку следует изначально перегнать в спирт-сырец и только после этого его можно подвергнуть ректификации.

Эксплуатация колонны Для начала следует довести концентрацию спиртовых соединений до максимума. Для этого колонне следует дать какое-то время поработать на себя. Общее время такого нагрева может варьироваться от 20 до 60 минут. На протяжении этого времени следует активно следить за показаниями термометра. Колонна достигает стабильности при равной температуре, т. е. если на протяжении 10 минут температура не меняется, то это может говорить о том, что можно начинать отбор.

Вначале отбору подлежат головные фракции. К ним относятся такие примеси как альдегиды, метиловый спирт и эфиры. Сразу за головами начинает выходить тело. Сразу за ним выходят хвосты. Последние практически не содержат спирта и поэтому их довольно просто распознать по запаху. Отбор можно вести на основе процентного содержания веществ. Так головы занимают примерно 5% отбора в то время, как хвосты могут быть более 20%. Так же немаловажно следить за крепостью.

В ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. В ходе стабилизации колонны все фракции выстраиваются в своего рода очередь. В качестве градации здесь используется температура. Рядом с баком она максимальная. По мере удаления от него она понижается. Соответственно зная эту особенность можно вычислить ту примесь которая в текущий момент времени подвергается сбору.

На практике это позволяет повысить точность отбора. По факту теперь мы работаем не просто с абстрактными «головами» или же «хвостами» а с отдельными примесями входящими в состав исходного сырья. Раздельный отбор примесей У каждой примеси имеется своя температура кипения и как следствие для мониторинга примесей находящихся в паровой фазе следует использовать термометр. Так же следует открыть отбор на минимум. При этом начнут постепенно выходить различные примеси. Их можно отслеживать по 2м параметрам: температура кипения (отслеживается на термометре) и объем (отслеживается на основе приемной емкости оснащенной соответствующими отметками).

Основное преимущество ректификационных колонн — это более точечная работа с напитком. Манипулируя примесями входящими в его состав, можно изменять вкусоароматические свойства, а также органолептику напитка. По сравнению с классическими самогонными аппаратами типа дистиллятор, ректификационная колонна позволяет по-новому взглянуть на процесс самогоноварения уделяя больше внимания отдельным мелочам.

Ректификационные колонны для самогонного аппарата

Колонна для получения ректификата – необходимое приспособление, которое позволяет выделить из браги не просто крепкий самогон, а настоящий чистый спирт крепостью до 96 градусов. Самогонный аппарат с ректификационной колонной открывает широкие возможности для начинающих и опытных винокуров. Чем отличается самогонный аппарат от ректификационной колонны? Обязательна ли она при изготовлении домашних алкогольных напитков, и какие преимущества дает? Давайте разбираться.

Ректификационная колонна

Что представляет собой ректификационная колонна?

Колонна – компонент дистилляционной схемы, состоящее из металлической (нержавеющая сталь, медь) или стеклянной колбы, а также наполнителя и специальных креплений-переходников (чаще всего используют соединение кламп, позволяющее быстро устанавливать и снимать устройство).

Ректификационная колонна, схема

В качестве наполнения, повышающего полезную площадь внутренней части ректификационной колонны используют различные варианты:

  • стеклянные или керамические шарики;
  • регулярную проволочную насадку (РПН);
  • СПН (спиральная проволочная насадка Селиваненко) и пр.

Принцип работы ректификационной колонны в самогонном аппарате основан на увеличении площади контакта испаряющихся из браги веществ – паров спирта, тяжелых и сверхлегких фракций.

В отличие от простой дистилляции, при ректификации с помощью колонны выделяющиеся при нагреве из браги пары разделяются на составляющие. Получаемый продукт – чистый, без примесей в виде тяжелых фракций, спирт. Посторонние вещества оседают обратно в перегонный куб, стекая по стенкам колонны, а более летучие спиртовые пары, проходят в конденсатор (холодильник трубчатого типа или со змеевиком). Дополнительно ректификационное оборудование оснащают специальными устройствами – дефлегматором, каплеуловителем, сухопарником и пр. Каждый из них служит для улучшения качества получаемого продукта.

Лучшие самогонные аппараты и ректификационные колонны позволяют получать в домашних условиях спирт, самогон и крепкие спиртные напитки отличного качества .

Что лучше – простой аппарат или ректификационная колонна?

На самом деле ставить вопрос именно так – не самый верный подход. Самогонный аппарат служит для получения достаточно крепкого спирта-сырца, крепость которого обычно не превышает 70 градусов. При грамотной перегонке с отсечением «голов» и «хвостов» на выходе получают крепкий спиртной напиток с богатой вкусоароматической композицией, включающей в себя нотки, свойственные исходному сырью. Особой популярностью пользуются самогоны из меда, фруктов, ягод, зерновых – их характерные вкусы радуют любителей.

Ректификационная колонна позволяет получить готовый продукт – спирт-ректификат

Получаемый на простом самогонном аппарате продукт требует дополнительных операций – очистки, фильтрации, двойной дробной перегонки.

Колонны используют для получения очищенного спирта с высокой крепостью, но без вкусов и ароматов исходного сырья. Они не нуждаются в дополнительной очистке и, в качестве нейтральной спиртовой основы, подходят для приготовления водки, настоек, наливок. Ректификационная колонна позволяет не перегонять брагу два раза, получая сразу готовый продукт – спирт-ректификат, пригодный как для технических нужд, так и для пищевых целей. При перегонке через колонну для улучшения вкусоароматических свойств применяют сухопарники и джин-корзины. В них помещают ароматическое сырье, которое отдает эфирные масла при прохождении через травы, сухофрукты, пряности спиртовых паров. Самогонный аппарат с ректификационной колонной и сухопарником отлично подойдет для приготовления джинов, ароматизированных водок, текилы.

Сухопарник с джин-корзиной

Плюсы и минусы использования ректификационной колонны в комплектации дистилляционного оборудования

Сразу стоит отметить, что обычное оборудование для дистилляции более доступно – оно дешевле и проще в обращении. Но его функционал менее широк. Среди преимуществ колонны:

  • возможность получать чистый спирт – ректификат;
  • режим дистилляции для получения самогона высокой степени очистки;
  • отсутствие в конечном продукте посторонних вредных примесей и веществ, ухудшающих вкус напитков.

Имеются у устройства и недостатки – колонны имеют меньшую производительность, при получении ректификата необходимо заливать в перегонный куб разбавленный спирт-сырец. Это подразумевает первичную перегонку на самогонном аппарате.

Многие опытные винокуры считают, что колонна нужна только для получения спирта из сырья, не имеющего особых ценных вкусовых свойств – сахарной браги, старого варенья и т. п. В остальном лучше использовать обычный аппарат.

Ситчатая колонна для дистилляции

Также можно воспользоваться специальной ситчатой колонной. Она, в зависимости от количества установленных тарелок (дисков), позволяет получать как самогон высокой степени очистки, так и напитки с сохранением исходной вкусоароматической композиции сырья.

Устройство устанавливают на универсальные дистилляционные аппараты с предусмотренными соединениями для монтажа различных дополнительных приспособлений.

Насадки для колонн и их разновидности

По-настоящему увлеченные винокуры охотно экспериментируют с насадками для наполнения ректификационных колонн. Они используют как фабричные модели, так и всевозможные самоделки. Среди первых можно выделить три варианта.

  • Проволочные регулярные насадки из металлической сетки. Материалом служит медь или нержавеющая сталь. Благодаря большой площади тяжелые фракции задерживаются, стекая обратно в перегонный куб, а летучие пары чистого спирта поднимаются выше – в конденсирующее устройство (холодильник – трубчатый или спиралевидный) и подаются на выход в виде жидкости.

Регулярная проволочная насадка для ректификационной или бражной колонны

  • Насыпные спиральные насадки. Они состоят из множества мельчайших спиралек. Материалом также служит металл – нержавейка или медь. Последнюю используют для устранения сернистых соединений, сильно портящих органолептические характеристики конечного продукта.

Насыпные спиральные насадки для ректификационной колонны

  • Специальные керамические или стеклянные шарики. Они также служат для увеличения рабочей площади колонны и удерживания тяжелых фракций.

Ректификационная колонна “Добровар Ермак”

Самодельные насадки порой обладают не худшими рабочими качествами. Любители изготавливают их из проволоки, свивая ее в спираль и нарезая на небольшие отрезки, применяют различные материалы, часто их комбинируя.

Некоторые винокуры с большим опытом считают, что ректификационная колонна для самогонного аппарата, сделанная своими руками – лучший вариант. Но, чтобы получить по-настоящему эффективное приспособление, нужно иметь необходимые знания и умения, понимать принципы работы устройства. Поэтому для новичков выход один – приобрести колонну в специализированном магазине. Но, если есть желание, схему ректификационной колонны для самогонного аппарата можно найти на любом форуме, посвященном самогоноварению.

Распространенные вопросы

У новичков в деле изготовления спирта и домашних напитков из него часто возникают различные вопросы. Вот ответы на самые распространенные из них.

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Германия 2: плюсы и минусы

Можно ли получить ректификат за одну перегонку из браги?

Нет. Прямая перегонка через колонну браги может привести к засорению колбы и насадки из-за поднятия пены. Необходимо перегнать брагу, получив спирт-сырец, разбавить его до 15-20 градусов и перегнать с помощью ректификационной колонны при малой температуре.

Нужна ли колонна для получения самогона высокой степени очистки?

Ректификационная колонна для самогонного аппарата необязательна для получения такого продукта, хотя с ней это сделать проще. Для получения качественного продукта можно использовать дробную двойную перегонку на обычном аппарате.

Можно ли получить на обычном самогонном аппарате спирт с крепостью 96 градусов?

Максимальная крепость получаемого на дистилляционном оборудовании – 70-80 градусов. Для получения ректификата (96 градусов) требуется ректификационная колонна.

Заменяет ли медная регулярная насадка в колонне аламбики, колпаки и змеевики из того металла?

Да, сернистые соединения удаляются с помощью медной сетки или спирального наполнения не менее эффективно, а стоимость насадок гораздо меньше, чем перегонного оборудования из меди.

Выводы из представленной информации просты – ректификационные колонны предназначены для получения из не слишком ценного сырья спирта высокого качества. Перегонка браги из фруктов, зерновых, ягод потребует более тонкого подхода и привычного дистилляционного оборудования. С другой стороны, новичкам больше подойдет ректификационная колонна. С ее помощью проще получить спирт без вредных и опасных примесей. В качестве компромисса можно использовать профессиональный самогонный аппарат с ректификационной колонной, другими полезными приспособлениями, а также возможностью модернизации.

Ректификация нефти в колонне

Что такое ректификация

Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах.

Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей).

Анализ фракций нефти и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.

Поэтому процесс ректификации представляет собой массообмен, протекающий в обе стороны между 2-мя фазами смеси, одна из которых – жидкость, а другая – пар. Иными словами, это многократно повторяющееся контактное взаимодействие неравновесных фаз в виде жидкой нефти, а также пара.

Процесс ректификации осуществляется в результате контакта потоков пара и жидкости. При этом непременным условием является перемещение пара и жидкости навстречу друг другу по высоте (длине) ректификационного аппарата. Движущей силой тепло- и массообмена между паром и жидкостью в аппарате является разница температур по высоте (длине) аппарата.

Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.

Но одна ректификационная колонна не может справиться с задачами по разделению фракций. На нефтеперерабатывающих предприятиях колонна тесно связана со множеством другого оборудования – насосного, теплообменного, печного, сепарационного.

Наиболее удобно иллюстрировать принцип действия ректификационного аппарата на примере колонны с колпачковыми тарелками.

Ректификационные колонны

Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”.

В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого – конденсационными устройствами (холодильники – конденсаторы, холодные циркуляционные орошения).

В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая – тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения.

Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей:

  • очень высокая производительность по сырью (до 1000 м 3 /ч для атмосферной колонны);
  • подвод тепла в разделительную систему осуществляется огневым нагревом сырья в трубчатой печи (основная и вакуумная колонны АВТ), вводом перегретого водяного пара (практически все колонны) и циркуляцией «горячей струи» (отбензиневающая колонна АТ);
  • последнее обстоятельство предполагает применение специальных сепарационных зон для разделения паровой и жидкой фаз;
  • в схеме ректификации присутствуют выносные отпарные секции, а также циркуляционные орошения, что предполагает возможность организации на КУ боковых отборов жидкой фазы и подводов как паровой, так и жидкой фаз в нескольких точках по высоте колонны.

Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.

Принцип работы ректификационной колонны

Конструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации.

В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести.

Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части:

  1. Концентрационная секция – расположена выше точки ввода сырья в аппарат
  2. Секция питания – в центре колонны, подается сырье на тарелку питания
  3. Отгонная секция – находится ниже точки ввода сырья

Секция питания колонны Концентрационная секция Отгонная секция

Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен.

Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз.

Классификация ректификационных колон

Колонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса:

  • Атмосферная и вакуумная перегонка (нефти и мазута);
  • Вторичная перегонка бензина;
  • Стабилизация нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;
  • Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов;
  • Отгонка растворителей при процессах очистки масел;
  • Разделение продуктов термодеструктивных и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.;

Характеристика ректификационных колонн различных установок НПЗ

Типы контактных устройств ректификационных колон

Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства:

Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.

Тарелка с колпачковыми контактными устройствами

Видео: устройство и работа ректификационной колонны

Описание ректификационной колонны

Ректификационная колонна ? аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых имеют различную температуру кипения. Процесс ректификации применяется для разделения жидкостей, отличающихся по температурам кипения за счет противоточного многократного контактирования паров и жидкостей. Для создания тесного контакта между паром и жидкостью ректификационные колонны снабжаются специальными устройствами – насадкой или ректификационными тарелками. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

В качестве основного аппарата выбрана ректификационная колонная непрерывного действия, поскольку по заданию, производительность колонны по исходной смеси 9000 кг/ч, что является довольно большой и делает экономически нецелесообразным использование переодически действующей ректификационной колонны.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. 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.

Насадочные колонны применяются в малотоннажных производствах и используются в тех случаях, когда необходим малый перепад давления. Для заполнения насадочных колонн применяются кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, кольца Паля, насадки из элементов седлообразного профиля.

В рассчитанной колонне применяется насадка из колец Рашига, размером 50Ч50Ч50 мм. Удельная поверхность насадки 87,5 м 2 /м 3 , свободный объем насадки 0,785, и насыпная плотность 530кг/м 3 .

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,– при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ — дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

Рассчитанная в работе колонна непрерывного действия, которая состоит из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой ? обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

По расчетам получили ректификационную колонну высотой 51,5 м, а диаметр этой колонны составил 1,2 м. Количество насадок – 14 штук, высота насадки – 3 м, расстояние между насадками – 0,5 м. Однако при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8 ? 1 м.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Принцип работы ректификационной колонны следующий: исходная смесь, подогретая до температуры кипения, подается в среднюю часть колонны с помощью разбрызгивающего устройства, оно применяется для равномерного распределения смеси по сечению колонны, то есть по насадке. Стекая вниз по насадке, исходная смесь взаимодействует с паром, при этом взаимодействии низкокипящий компонент из жидкости переходит в пар, а высококипящий компонент – из пара переходит в жидкость. Таким образом, в низ колонны стекает жидкость, практически полностью состоящая из высококипящего компонента.

Часть этой жидкости отводится из колонны в виде готового продукта – кубовый остаток. Другая часть жидкости поступает в куб-испаритель, где испаряется и в виде пара поступает в нижнюю часть колонны и поднимается вверх по насадке, одновременно взаимодействуя со стекающей жидкостью, которая непрерывно подается в колонну.

Когда пар проходит два слоя насадки, то он практически полностью обогащается легкокипящим компонентом и выходит из колонны, направляясь в дефлегматор. В нем пар конденсируется и в виде жидкости разделяется на два потока: один поток образует готовый верхний продукт – дистиллят, а второй поступает обратно в колонну и называется флегмой, которая поступает в разбрызгивающее устройство и орошает верхнюю часть насадки, взаимодействуя с поднимающимся паром. Поток флегмы в середине колонны смешивается с исходной смесью и обе орошают нижнюю часть насадки.

В случае если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). В нашем случае получают чистый бензол и чистый хлороформ.

Ссылка на основную публикацию