4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов

Для проведения процессов ректификации применяются аппараты раз­нообразных конструкций, основные типы которых не отличаются от со­ответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппара­ты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификацион­ные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т.д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Одна­ко в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами — кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректи­фикационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб предназначены для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверх­ность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испа­рителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну опера­цию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насы­щенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденси­руются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его располагают непосредственно над колонной, чтобы обеспе­чить большую компактность установки, вне габаритов колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор наверх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавли­вают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки.

В процессах ректификации наиболее широкое распространение получили барботажные колонны. Они применимы для больших производительностей, широкого диапа­зона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весь­ма четкое разделение смесей. Недо­статок барботажных аппаратов – от­носительно высокое гидравлическое сопротивление в условиях ректи­фикации не имеет такого существенного значения, как в процессах аб­сорбции, где величина р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. При ректификации повышение гидрав­лического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению дав­ления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гид­равлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

В насадочных колоннах используются насадки различ­ных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротив­ление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивле­ния ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.

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.

Однако и 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.

Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверх­ность в единице объема.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с уве­личением размеров ее элементов увеличивается допустимая ско­рость газа, а гидравлическое сопротивление насадочной колонны снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра колонны, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с такой же в колонне, заполненной элементами насадки меньших размеров.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условие, при котором отношение диаметра D колонны к эквивалентному диаметру d_Э насадки 10.

Пленочные аппараты. Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала.

К числу пленочных ректификационных ап­паратов относятся колонны с регулярной на­садкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6–20 мм (многотрубчатые колон­ны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной из перфорированных металли­ческих листов или металлической сетки.

Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к проч­ности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.

В случае загрязненных сред целесообразно применять регуляр­ные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые колонны с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких колоннах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В колоннах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппара­тах (до 3–5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.