Контактні пристрої ректифікаційних колон

Основний елемент ректифікаційної колони - контактний пристрій, на якому здійснюється процес масообміну між парою й рідиною. Процес масообміну дифу­зійний і визначається площею поверхні контакту фаз F, м² , середньою рухомою силою процесу (середньою різницею концентрацій кг/кг) та коефіцієнтом ма-сопередачі, віднесеним до 1 м² поверхні фазового контакту, К, Коефіці-

єнт масопередачї залежить від природи речовини і гідродинамічного режиму кон­такту фаз. Кількість речовини, що перейшла з однієї фази в іншу (кг/с),

(Ю.З)

Різниця концентрацій ЛС визначається як різниця між рівноважною концент­рацією та робочою концентрацією (Y або X). Відповідно до рис. 10.7 у паровій фазі а у рідкийЗв'язок міжвизнача­ ється із співвідношення де L- величина рідкого потоку, G - величина па­рового потоку. Тоді:

(Ю.4)

Через складність визначення площі по­верхні фаз коефіцієнт масопередачі часто від­носять до об'єму середовища, де відбува­ється обмін фаз, тоді:

(10.5)

де K_v- об'ємний коефіцієнт масопереда­чі, кг/(м³ • с);

- об'єм середовища, де відбувається обмін фаз, м³.

Конструкція контактного пристрою повинна забезпечувати якомога більший інтенсивний масообмін на ньому. Це досягається у першу чергу шляхом створення розвинутої поверхні контакту фаз і такої гідродинамічної обстановки, при якій ко­ефіцієнт масопередачі буде по можливості найбільшим.

У практиці спиртової промисловості, як правило, застосовують тарілчасті ко­нтактні пристрої, на яких послідовно здійснюється ступінчастий контакт фаз. Тарі­лки ректифікаційних колон можуть бути ковпачковими, ґратчастими (ситчастими), клапанними, лускоподібними, ґратчасто-клапанними, жалюзійними та ін. (рис. 10.8). У всіх випадках на тарілці утримується шар рідини, через який проходить пара, в результаті чого здійснюється масообмін.

Рис. 10.8 Типи тарілок: 1 - ґратчаста (сітчаста) провального типу; 2 — ситчаста; 3 - одноков-пачкова одинарного кип'я­тіння; 4 - одноковпачкова подвійного кип'ятіння; 5 - багатоковпачкова; 6 -лускоподібна; 7 - клапанна

Роботу тарілок оцінюють за такими показниками: пропускною здатністю пари й рідини; здатністю розділяти робочу суміш; діапазоном сталої роботи; гідравліч­ним опором та ін.

Пропускна здатність пари й рідини характеризує продуктивність колон, або питомий зйом кінцевого продукту з одиниці поперечного перерізу колони.

Здатність розділяти суміш, що підлягає перегонці, називають ефективністю контактного пристрою або колони в цілому і звичайно визначають числом теорети­чних тарілок (ступеней зміни концентрацій) або числом одиниць переносу.

Ефективність тарілчастих колон, як правило, оцінюють числом теоретичних тарілок (Ч.Т.Т.).

Під теоретичною тарілкою розуміють такий пристрій, який забезпечує кон­такт пари й рідини, в результаті якого потоки, що його покидають, досягають фазо­вої рівноваги (див. рис. 10.3). Практично на реальних тарілках така рівновага май­же ніколи не досягається. Теоретична тарілка - це еталон для встановлення ефек­тивності реальних тарілок.

Мірою оцінки ефективності реальної або дійсної тарілки є її коефіцієнт кори­сної дії (ККД). На практиці визначають ККД не окремої тарілки, а середній ККД тарілок усієї колони або значної її ділянки, який дорівнює відношенню числа тео­ретичних тарілок п, необхідних для здійснення заданого розділення суміші, до чи­сла реальних N, необхідних для тієї ж мети :

(10.6)

ККД тарілок залежить від їхньої конструкції, діаметра колони, міжтарілкової відстані, швидкості пари, навантаження колони, фізичних властивостей суміші, що підлягає розділенню, та багатьох інших факторів. Тому звичайно ККД визначають дослідним шляхом, для більшості тарілок він дорівнює 0,4... 0,6.

У спиртовому виробництві широко розповсюджені ковпачкові тарілки. Бага-токовпачкові (капсульні) тарілки застосовують у колонах для розділення рідин, які не містять завислих частинок, одноковпачкові - для розділення рідин із завислими частинками або рідин, які здатні утворювати осади. У тих же випадках застосову­ють клапанні тарілки. Рідше застосовують ситчасті тарілки, які мають отвори діа­метром 2,5...3,5 мм (для розгонки перших із згаданих рідин) та 8...12 мм (для дру­гих). Застосовують також тарілки лускоподібні та ґратчасті (без переливних при­строїв); останні мають велику пропускну здатність пари й рідини.

При виборі типу тарілки враховують її пропускну здатність, ефективність, економічність конструкції, а також можливість забезпечити оптимальні умови ро­боти колони при заданому технологічному режимі.

Стала робота тарілок повинна відповідати таким навантаженням пари й ріди­ни, при яких досягаються найбільш інтенсивний їх контакт і висока ефективність. При великих навантаженнях пари (великих швидкостях пари у вільному перерізі колони) може відбуватися великий виніс рідини з тарілки на тарілку; на них може накопичуватись рідина понад можливий рівень. Верхня межа навантаження пари характеризується "заклинанням" тарілок. Зовнішня ознака "заклинання" - різке під­вищення тиску у нижній частині колони і його зниження у верхній. При наванта­женнях пари, що наближаються до мінімально допустимих, частина рідини (флег­ми) перетікає з тарілки на тарілку, не вступаючи в контакт з парою. При великому навантажені рідини також може статися "захлинання" колони. Максимально допу­стиме навантаження рідини, визначається її кількістю, яка необхідна для створен­ня на тарілці активної зони контакту фаз.

На роботу тарілок значно впливає міжтарілкова відстань, яка забезпечує в пе­ршу чергу створення умов для контакту пари й рідини, що відбувається в зонах барботажу, піни та бризок. Ці зони розташовані послідовно над тарілкою І повинні

вміщуватись між суміжними тарілками. Висота кожної зони визначається фізични­ми властивостями рідини, що розділяється, конструкцією тарілки, навантаженням пари; звичайно ЇЇ встановлюють дослідним шляхом. Рідини, що утворюють пухку піну, в основному виносяться за рахунок ЇЇ пластівців, які мають високу парус­ність. Для колон, які переробляють нспіноутворюючі рідини без завислих части­нок, мІжтарілкову відстань звичайно встановлюють 170...230 мм; для колон, які перероблюють рідини із завислими частинками та пінисті - 280...400 мм. Інколи мІжтарілкову відстань збільшують до 500...550 мм, що необхідно для створення" умов механічної чистки тарілок при діаметрі колон більше ніж 1500 мм.