Конструкции контактных устройств и 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.
По внутреннему устройству, ректификационные колонны бывают тарельчатыми, насадочными и роторными (с вращающимися деталями).
Тарельчатые колонны. Это наиболее распространенные аппараты в процессах ректификации. Их применяют для больших производителей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости, они обеспечивают достаточно четкое разделение смесей. Недостаток – относительно высокое гидравлическое сопротивление данных аппаратов (оно приводит к повышению давления и температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны).
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). Колонны такого типа 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.
В колпачковой тарелке (рис.,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.,б) 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 илитрубок в ряд или в виде спирали.
В тарельчатых ситчатых колоннах (рис. ,в) пар (газ) проходит через отверстие в тарелках снизу вверх, удерживая статическим подпором жидкость на них. Для уменьшения уровня жидкости и уменьшения эффекта обратного перемешивания ситчатые тарелки могут быть выполнены уступами (каскадом), пo которым протекает жидкость (рис. ,г).
Насадочные колонны. Они отличаются наибольшей простотой устройства. Колонна представляет собой цилиндр с опорными решетками, на которые засыпают насадку в беспорядке, навалом. В качестве насадки наиболее широко используют керамические или металлические кольца, седла, сетки и т. д.
В насадочных колоннах (рис. е) при малых скоростях потоков контакт между фазами осуществляется на смоченной поверхности насадки, при больших скоростях - в свободном объеме насадки за счет диспергирования сред.
Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с тарельчатыми особенно важно при ректификации под вакуумом. Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.
Однако, равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднительно. В связи с этим, диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8-1 м.
Роторные 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.
В роторных колоннах распылительного типа вращающийся ротор распределяет в объеме колонны жидкость в виде струй и капель. 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.
Для колонн обоих типов характерны низкие гидравлические сопротивления и высокие коэффициенты массоотдачи.
К недостаткам роторных колонн можно отнести ограниченность высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы на привод ротора.
Пленочные аппараты. Они применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании.
В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Насадки в аппаратах данного типа изготавливаются в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм, а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы. Изготовленной из перфорированных металлических листов или металлической сетки
Заключение
Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.
Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.
Задание для самостоятельного обучения:
Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. [460-480].
Кандидат технических наук,
доцент Е.Е.Костылева