7.5. Конструкции ректификационных колонн

Выбор конструкции ректификационных колонн зависит от техноло­гических схем, направления относительного движения газа и жидкости и способа образования поверхности контакта фаз. Взаимодействие газа (пара) и жидкости на каждой ступени может происходить в противо­токе, прямотоке или в перекрестном токе фаз. Конструкции контактных устройств со схемами взаимодействия фаз показаны на рис. 7.16.

По внутреннему устройству ректификационные колонны бывают та­рельчатыми, насадочными и роторными (с вращающимися деталями).

Рис. 7.16. Конструкции контактных устройств со схемами газа (пара) и жидкости: тарелка: а – колпачковая; а – решетчатая (сетчатая) провальная; в – ситчатая; г– каскадная промывная; д – с плоскопараллельной насадкой; е – насадочная; ж – с' прямоточно-контактным устройством; з – вихревая: / – основание тарелки; 2 – переливы; 3 – колпачок; 4 – закручиватель потока газа; 5 –то же жидкости; 6 –листовая насадка; 7 –слои насадки; 8 –опорная ре­шетка

Тарельчатые колонны. Тарельчатым колоннам, составляющим ос­новную группу аппаратов с поверхностью контакта, образуемой в про­цессе движения потоков, свойственны общие закономерности в структуре потоков на тарелках. В свою очередь от гидродинамической струк­туры потоков определяющих перемешивание на тарелках, зависит эффективность тарельчатых колонн.

Тарельчатые колонны выполняют в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна под другой размещено определенное число го­ризонтальных перегородок-тарелок, обеспечивающих возможность встречного течения и контакта жидкости и пара (газа). Такого типа колонны имеют диаметр 0,5–8 м и высоту от 6 до 180 м в зависимости от вида разделяемых продуктов, производительности и т. д. В колоннах устанавливают следующие типы тарелок: провальные, колпачковые, сетчатые, клапанные, струйные и т. д. Некоторые конструкции тарелок показаны на рис. 7.17.

В колпачковой тарелке (рис. 7.16,а) пар (газ) проходит снизу че­рез паровые патрубки и выходит через прорези колпачков 3 в жид­кость, барботируя через нее. При этом на тарелке конденсируется пар -и, одновременно испаряется жидкость.

Отличительной особенностью тарельчатых колпачковых колонн яв­ляется наличие перекрестного тока между жидкостью и газом (паром). Необходимый уровень жидкости на тарелках обеспечивается сливными перегородками. Жидкость движется вдоль тарелки от питающего па­трубка к сливной перегородке и пронизывается газом, движущимся с нижней тарелки на вышележащую. В качестве сливной перегородки в колоннах используют сливные трубки или специальные порожки, вы­сота выступа которых над тарелкой определяет высоту уровня жидкос­ти на ней.

В колоннах с провальными тарелками (рис. 7.16,6) одновременно происходит барботаж пара или газа через слой жидкости и частичное «проваливание» жидкости. Газ (пар) движется снизу вверх только через часть отверстий пульсирующим потоком. Количество пропуска­ющих газ или жидкость отверстий определяется статическим давлени­ем жидкости на тарелке. Конструктивно отверстия могут выполняться круглыми, в виде параллельных щелей, укладкой круглых прутков или трубок в ряд или в виде спирали. В тарельчатых ситчатых колоннах (рис. 7.16,в) пар (газ) проходит через отверстие в тарелках снизу вверх, удерживая статическим под­пором жидкость на них. Для уменьшения уровня жидкости и умень­шения эффекта обратного перевешивания ситчатые тарелки могут быть выполнены уступами (каскадом), по которым протекает жидкость (рис. 7.16,г),

Насадочные колонны. Насадочные колонны отличаются наибольшей простотой устройства. Колонна представляет собой цилиндр с опор­ными решётками, на.которые засыпают насадку в беспорядке, навалом, В качестве насадки наиболее широко используют керамические или металлические кольца, седла; сетки и т. д. [67].

В насадочных колоннах (рис. 7.16Д е) при малых скоростях по­токов контакт между фазами осуществляется на смоченной поверхнос­ти насадки, при больших скоростях–г в свободном объеме насадки за счет диспергирования сред. Практика показала, что насадочные колон­ны работают наиболее эффективно в условиях режима «подвисания», близкого к «захлебыванию», т. е. такого режима, при котором масса задержанной на насадке жидкости становится равной силе трения газового потока с жидкостью [38]. При этом орошающая жидкость задерживается в свободном объеме, колонны в максимальном количест­ве, образуя в проходах насадки газожидкостную смесь – плотную пе­ну. Такой режим отличается тем, что небольшое увеличение скорости газа (пара) приводит к «захлебыванию» колонны вследствие преобла­дания сил трения над силами тяжести.

Оптимальный режим колонны достигается при скоростях газового (парового) потока, на 15–20% меньших скоростей, вызывающих «за­хлебывание». В этих условиях тепло- и массообмена становится наибо­лее эффективным. При орошении насадочной колонны жидкостью гид­равлическое сопротивление ее увеличивается с ростом плотности потока газа (пара) и плотности орошения и достигает максимума при режиме «захлебывания».

Роторные и центробежные колонны. Роторные ректификационные колонны представляют собой аппараты, в которых разделение реагиру­ющих между собой потоков пара и жидкости с образованием межфазо­вого контакта осуществляется при воздействии на эти потоки вращаю­щегося устройства (ротора). По способу создания поверхности меж­фазового контакта роторные колонны разделяются на две группы: роторные распылительного типа и пленочные (рис. 7.16,ж, з).

В роторных колоннах распылительного типа вращающийся ротор распределяет в объеме колонны или ее отдельной ступени жидкость в виде струй и капель, что вызывает образование; развитой поверхности межфазового контакта. Под действием вращательного движения повы­шается турбулизация паровой фазы, что интенсифицирует процесс массообмена.

В пленочных роторных колоннах жидкая фаза с помощью ротора распределяется по твердой поверхности, образуя пленку. Ротор служит не только для распределения жидкой фазы, но и для, активной турбулизации паровой фазы. В некоторых конструкциях пленочных роторных колонн турбулизирующее воздействие ротора передается также и на жидкую фазу. Для колонн обоих типов характерны низкие гидравли­ческие сопротивления и высокие коэффициенты массоотдачи.

К недостаткам роторных колонн можно отнести ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности, изготовления и требований, предъ­являемых к прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуа­тационные расходы на привод ротора.

Пленочные колонны. Пленочные колонны выполняют в виде отдель­ных труб или системы труб по типу кожухотрубчатого теплообменника. В настоящее время эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью (напри­мер, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза). По конструкции пленочные колонны аналогичны перегонным аппаратам.

Контрольные вопросы

1. В чем отличие перегонки жидких смесей от выпаривания?

2. Какие виды перегонки Вы знаете? Чем перегонка отличается от ректификации?

3. Назовите основные аппараты, которыми различаются перегонные и ректифи­кационные установки.

4. Какие смеси подчиняются закону Дальтона, а какие – закону Дальтона и Рауля?

5. Что такое азеотропная смесь? Каким образом можно разделить азеотропную смесь на составляющие компоненты?

6. Какое различие между идеальными и реальными смесями? Что выражает коэф­фициент активности

7. Как определяется движущая сила процесса массопередачи в перегонных и рек­тификационных установках?

8. Укажите соотношение между k_x и k_y. Какова физическая сущность тангенса угла наклона линии равновесия?

9. Какая взаимосвязь между числом единиц переноса и средней движущей силой массопереноса?

10. Какова физическая сущность доли отгона е при перегонке? Как она зависит от температура и давления?

11. Какие методы разделения смесей применяют при ректификации?

12. Какие допущения^; делаются при расчете ректификационных колонн для раз­деления бинарных смесей? Оцените погрешность при их расчете.

13. Сформулируйте физическую интерпретацию числа единиц переноса и уравнений рабочих линий.

14. Составьте общее уравнение материального баланса для ректификационной ко­лонны по низкокипящему компоненту.

15. Поясните физический смысл минимального, оптимального и рабочего флегмовых чисел.

Глава восьмая

СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ