Виды и устройство ректификационных колонн

Виды тарелок

В колонных аппаратах НПЗ в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение на установках АВТ получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы КУ.

Тарелки клапанные, колпачковые, ситчатые

Колпачковые

Колпачки тарелки

Ситчатые

Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме: а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные

Решетчатые

Решетчатые тарелки провального типа

С S-образными элементами

Тарелки с S-образными элементами

Клапанные (дисковые)

Клапанные (дисковые) тарелки

Основные характеристики сравнения

Нередки случаи, когда в одной ректификационной колонне в разных секциях используются тарелки разных типов. Это объясняется тем, что паровые и жидкостные нагрузки по высоте нефтяных колонн, особенно работающих с боковыми отборами, существенно различаются (иногда на порядок). При сравнении контактных устройств различного типа в качестве основных обычно выступают следующие показатели:

• Производительность.
• Гидравлическое сопротивление.
• Эффективность (коэффициент полезного действия) – характеризует степень приближения реального процесса разделения на тарелке к теоретически достижимому (теоретическая тарелка).
• Допустимый диапазон варьирования рабочих нагрузок (и по пару, и по жидкости), который определяется отношением максимально допустимой нагрузки к минимально допустимой.
• Градиент уровня жидкости по ширине полотна тарелки, который определяется тем обстоятельством, что жидкость на тарелку вводится с одного края тарелки (секции), а отводится с другого. При течении жидкости по полотну тарелки она преодолевает определенное гидравлическое сопротивление, поэтому высота слоя жидкости у приемного кармана превышает соответствующий уровень у сливного кармана. Наличие градиента приводит к нарушению равномерности распределения пара по ширине барботажного слоя и в итоге – к снижению эффективности КУ.
• Высота межтарельчатого расстояния, которая должна обеспечивать нормальную работу гидравлического затвора для обеспечения гарантированного перетока жидкости с верхней тарелки на нижнюю.
• Обеспечение длительной работоспособности при работе на загрязненных средах и средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
• Металлоемкость.
• Стоимость.
• Удобство монтажа и ремонта, простота конструкции.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Распределители жидкости

Ректификация. Колпачковая колонна.

23 Сентября 2021

Лучший самогонный аппарат

Медный самогонный аппарат от Пьяного Снайпера. «Cuprum Gun». Дистиллятор и колонна.

Узнать больше

или «Огонь!!!»

Большим плюсом бражной колонны с колпачковыми тарелками по сравнению с насадочной колонной является тот факт, что ей не требуется точная настройка и баланс между подачей пара и флегмообразованием — рано или поздно тарелка заполнится и выйдет в рабочее состояние. При правильном расчёте и изготовлении, захлёб на колпачковой тарельчатой колонне практически исключён.

Второе преимущество колпачковой колонны — высокая производительность. Если в насадочных колоннах есть ограничение по диаметру колонны (он не должен превышать 40-50 мм, иначе работа будет нестабильной и возможен захлёб), то для колпачковой тарелки диаметр колонны может быть больше (в домашних условиях до 100 мм) и производительность будет ограничена только мощностью нагревательного элемента и дефлегматора.

Тарельчатая колпачковая колонна

На колонне с колпачковыми тарелками можно получать как ректификат, так и дистиллят. Для получения спирта понадобится порядка 7-10 тарелок, для ароматных напитков 5-6 тарелок будет достаточно.

Колпачковые тарелки изготавливают из меди или нержавейки, корпус колонны как правило выполнен из боросиликатного стекла.

К условным трудностям использования колонн с колпачковыми тарелками можно отнести продолжительную сборку-разборку колонны для прочистки после каждой перегонки и необходимость в повышенной аккуратности при работе со стеклом.

Конструкция колпачковой тарелки.

В тарелку вставлены сквозные паропроводные трубочки, накрытые сверху барботажными колпачками с прорезями — через них проходит пар. Также в тарелке имеется флегмовая трубка, к низу которой припаяна переливная чаша — через неё жидкость стекает вниз.

1. Фланец с соединением под кламп (для установки дефлегматора или увеличения высоты колонны)
2. Сборочные шпильки (фиксируют тарелки в колонне)
3. Термостойкая стеклянная колба (колонна)
4. Барботажные колпачки
5. Диск тарелки
6. Сливная флегмовая трубка
7. Переливная чаша

Принцип работы колпачковой колонны.

• Вначале, пока колонна сухая, весь пар беспрепятственно проходит сквозь трубочки и поднимается наверх.
• Пар конденсируется в дефлегматоре, стекает на верхнюю тарелку и наполняет её до края сливной трубки. Трубка, находящаяся в колпачке установлена выше уровня сливной трубки — это сделано для того, чтобы флегма стекала на низлежащую тарелку только по сливной трубке.
• По сливной трубке флегма попадает в переливную чашу, заполняет её и переливаясь через край, устремляется на нижнюю тарелку.
• Система из сливной трубки с переливной чашей и колпачковой трубки представляет собой классический клапан-гидрозатвор. Столб флегмы в переливной чаше достаточно большой и не пропускает через себя пар. Весь пар проходит и пробулькивается только через колпачковую трубку, а флегма стекает только через сливную.
• После выхода колонны в рабочий режим происходит барботаж — вокруг колпачков образуются пузырьки, флегма вокруг них «закипает», начинается эмульгация и колонна выдаёт максимальный КПД.
• Данное «кипение» приводит к главному процессу ректификации — тепломассообмену, который происходит как раз в образующихся пузырьках. Поскольку пузырьков огромное количество, то тепломассообмен идёт отлично.
• В результате тепломассобмена на тарелках поочерёдно выстраиваются разделённые друг от друга фракции — сначала отбираются головы, потом тело, и в конце хвосты.
• К концу погона активная эмульгация заканчивается, идёт вялый барботаж и колонна запотевает изнутри на нижних тарелках.

Совет от Пьяного Снайпера. Для более быстрого выхода колпачковой колонны в рабочее состояние, перед началом перегонки можно небольшое количество спирта-сырца залить в колонну сверху (колонна установлена на куб, дефлегматор ещё не одет). Спит-сырец, проливаясь сверху-вниз по тарелкам, заполнит переливные чаши и тем самым существенно сократится время разгона колонны (работы «на себя»).

Работа колпачковой колонны. Барботаж.

См. также — Ректификация. Полная информация.

Расчет отводимого тепла выносным орошением

Для сложных колонн, работающих с выносными холодными циркуляционными орошениями, к которым относятся и колонны АВТ, весьма важной становится ещё одна специфическая характеристика: величина реализуемого теплосъема от внутреннего парового потока холодным орошением – Q, (кВт/м3). В этой характеристике величина достигаемого теплосъема отнесена к 1 м3 барботажного слоя или к 1 м3 насадки. В отечественной литературе данная характеристика учитывается достаточно редко, хотя она в значительной мере определяет эффективность работы циркуляционных орошений.

Количество тепла, отводимого от циркуляционного орошения во внешнем теплообменнике, определяется: Q=L(Hн-Hк)

Все это количество тепла затрачивается внутри колонны на конденсацию части парового орошения, а энтальпия жидкого потока достигает при этом значения Hн. В процедуре технологического расчета, который, как правило, проводится по «теоретическим тарелкам» процесс теплообмена будет завершен на первом же КУ. Фактически же именно реальная эффективность процесса теплосъема на КУ будет определять, на скольких реальных тарелках будет завершен этот процесс.

Типы тарельчатых колонн. Теоретическая и физическая тарелка. КПД колонны.

23 Сентября 2021

Лучший самогонный аппарат

Медный самогонный аппарат от Пьяного Снайпера. «Cuprum Gun». Дистиллятор и колонна.

Узнать больше

или «Огонь!!!»

Тарельчатая колонна предназначена для разделения спиртосодержащей смеси на составляющие с последующим отбором этилового спирта, максимально очищенного от примесей.

Колонна с колпачковыми тарелками наиболее технологична, универсальна и удобна для домашней ректификации. Подробно о колпачковой тарелке, принципе её работы и преимуществах здесь.

Другие виды тарельчатых колонн:

Ситчатая тарелка. Самая простая конструкция тарельчатой колонны. Состоит из сита и переливной трубки. Флегма не протекает вниз сквозь сито, пока есть напор пара снизу. При превышении уровня барботируемой флегмы над уровнем края переливной трубки, флегма стекает на низлежащую тарелку. Главные минусы ситчатой тарелки — необходима тонкая настройка всей системы и поддержание всех параметров в процессе перегонки на постоянной величине.

Ситчатая двухуровневая тарелка

Провальная тарелка. В отличии от ситчатой, на провальной тарелке нет трубки для перелива флегмы. Удержание флегмы паром возможно только при определённом уровне, как только флегмы становится больше заданного значения, силы пара становится недостаточно и часть флегмы проваливается вниз.

Провальные тарелки из нержи и меди

Вихревая (или спирально-струйная) тарелка. Принцип работы такой же, как и у провальной. Отличие в том, что пар из отверстий выходит под углом и создаёт вихревой поток для увеличения тепломассобмена.

Вихревые тарелки

Клапанная тарелка. Используется в промышленности. На тарелке расположены клапана, которые открываются и закрываются в зависимости от давления пара.

Клапанная тарелка

Теоретическая тарелка ректификационной колонны (ТТ).

Если мы возьмём 10% раствор этилового спирта в воде и перегоним его один раз, то получим продукт примерно 40%. Вторая перегонка даст нам укрепление уже 60%, третья — 70%, четвёртая — 75% и т. д. Спирт 96% мы получим за 9-10 перегонок исходного 10%-ного раствора.

Каждая такая перегонка будет являться так называемой теоретической тарелкой — то есть количество теоретических тарелок показывает количество перегонок, которые потребуются для данного аппарата для получения 96% спирта из 10%-ного его раствора в воде.

Но поскольку мы отбираем спирт не из чистой воды, а из браги, в которой содержится более ста примесей, то понадобится порядка 25-50 перегонок, или, что одно и тоже — теоретических тарелок.

Физическая тарелка ректификационной колонны — это контактное устройство внутри колонны, на котором происходит максимальное соприкосновение пара и жидкости с последующим тепломассообменом.

Физическая тарелка представляет собой горизонтальную перемычку круглой формы с различными устройствами для пропуска пара и слива флегмы. Как правило тарелка герметично закрепляется в колонне с помощью резьбовых шпилек и ограничителей.

КПД тарельчатой колонны.

Производительность физической тарелки всегда будет отличаться в меньшую сторону от расчётных значений теоретической тарелки. На эффективность работы ФТ будут влиять различные параметры: конструктивные особенности колонны и всего аппарата, вязкость жидкости, коэффициент диффузии, тепловые потери, пути движения флегмы и прочее. Опытным путём доказано, что КПД физической тарелки составляет примерно 50-60% от теоретической.

См. также — Ректификация. Полная информация.

Выбор оптимальной конструкции контактных устройств

Конструкции КУ, выигрывающей у всех остальных конструкций по всем показателям, не существует. Каждая из конструкций обладает своими преимуществами и недостатками и своей областью рационального использования. В зависимости от особенностей конкретного процесса наибольшее значение могут приобретать те или иные характеристики из вышеперечисленных. Так, на выбор КУ для колонн атмосферного блока наибольшее влияние оказывают показатели производительности, эффективности и допустимого значения диапазона рабочих нагрузок, в котором обеспечивается высокая эффективность работы тарелок. Для колонн вакуумного блока на первое место выдвигается гидравлическое сопротивление КУ, поскольку оно будет определять интенсивность процесса разложения тяжелых углеводородов в зоне нагрева, а значит, в значительной мере и качество товарных фракций, хотя и в этом случае должны, конечно, учитываться и остальные характеристики. Наиболее распространенные типы КУ приведены на рисунке.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Вакуумная колонна

В атмосферных колоннах хорошо зарекомендовали себя различные модификации клапанных КУ с дисковыми, прямоугольными и трапециевидными клапанами, а также комбинированные S-образные тарелки с клапанами. В вакуумных колоннах представляет интерес использование дисковых клапанов эжекционного типа, которые характеризуются наименьшим гидравлическим сопротивлением среди всех типов КУ.

Рис. 3.1. Распространенные типы колпачков и клапанов:

Колпачки: а – круглый; б – шестигранный; в – прямоугольный; г – желобчатый; д – S-образный; клапаны: е – прямоугольный; ж – круглый с нижним ограничителем; з – круглый с верхним ограничителем; и – балластный; к – дисковый эжекционный перекрестноточный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образный колпачок с клапаном. Обозначения: 1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель; 4 – балласт.

Переливные устройства тарелок

Для организации перелива рабочей жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую в КУ используются специальные переливные устройства, включающие в себя сливную перегородку и карман (рис. 3.2). При больших значениях удельных нагрузок по жидкости (измеряется через расход фазы – м3/час отнесенный к 1 м2 сечения колонны или к 1 м длины сливной перегородки), что характерно для многотоннажных колонн установок АТ-АВТ, для снижения градиента уровня жидкости применяются многопоточные конструкции КУ (от 2-х до 4-х потоков). Сливные карманы могут быть использованы также для подвода на КУ промежуточных потоков (холодные орошения) и/или для отвода боковых отборов (рис. 3.3). В последнем случае объемная емкость кармана наращивается за счет увеличения межтарельчатого расстояния, что повышает надежность работы откачивающего насоса.

Рис. 3.2. Устройство узлов перетока жидкости с тарелки на тарелку и ввода орошений для однопоточных (а) и двухпоточных (б) тарелок: 1 – корпус колонны; 2 – секции тарелок; 3, 4 – коллекторы ввода жидкости на верхнюю и промежуточную тарелки; 5, 6 – сливные карманы

Кстати, прочтите эту статью тоже: Регулярные насадки

Массо – теплообмен между взаимодействующими фазами (пар – жидкость) протекает на КУ в барботажном слое: структуре, которая образуется при истечении парового потока из небольших отверстий или щелей, выполненных в полотне тарелки или в специальных устройствах (колпачках), в слой жидкости под небольшим избыточным давлением. Эта структура представляет собой ансамбль пузырьков, размер которых измеряется миллиметрами. Паровые пузырьки зарождаются при истечении газа, всплывают в слое жидкости за счет разности плотностей жидкой и паровой фаз и разрушаются на верхней границе барботажного слоя. Размер пузырьков определяется свойствами паровой и жидкой фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, …), конструкцией КУ и гидродинамическими условиями взаимодействия фаз. Суммарная поверхность массообмена в барботажном слое измеряется десятками и даже сотнями м2 поверхности, приходящихся на 1 м3 объема барботажного слоя.

Рис. 3.3. Узлы вывода боковых погонов (жидкость) из колонны: 1 – корпус колонны; 2 – тарелки; 3 – сливной карман увеличенного размера; 4 – сборная (глухая) тарелка; 5, 6 – патрубки для прохода паров и отвода жидкости; 7 – уравнительная труба

Рассмотренные типы контактных устройств относятся к наиболее распространенным для условий работы блоков АТ-АВТ. К настоящему времени разработаны и другие эффективные конструкции КУ [6-10], которые могут представлять интерес при решении задач проектирования. Надо при этом отметить, что какой-либо универсальной конструкции, пригодной для любых условий эксплуатации, выделить нельзя. Каждая конкретная задача проектирования должна решаться с учетом технологии производства на основе обобщения опыта работы родственных установок.

Виды и устройство ректификационных колонн

Бытовая ректификационная колонна — это высокоэффективный аппарат, позволяющий получать спирт-ректификат прямо в домашних условиях. Имея под рукой рецепты браги для самогона, Вы можете получить и классический самогон, которому присущи аромат и привкус сырья, и абсолютной чистоты этиловый спирт без посторонних примесей. Какие же бывают виды ректификационных колонн?

Типы ректификационных колонн и их устройство

Ректификационные колонны отличаются от обычных бражных (пленочных) наличием контактных элементов, расположенных внутри колонны. Это могут быть тарелки или насадки. По типу контактных элементов и различают два типа ректификационных колонн: тарельчатые и насадочные.

Устройство ректификационной колонны тарельчатого типа:

Колонна (вертикальная труба) большого диаметра имеет внутри установленные на определенном расстоянии тарелки, на которых и происходит тепломассообмен (подробнее о принципе работы ректификационной колонны читайте в нашей статье). Тарельчатые колонны имеют внушительные габариты, а также стоят немалых денег, поэтому они применяются преимущественно в промышленности. Зато такая колонна позволяет отделить фракции еще более точно.

Конструкция ректификационной колонны насадочного типа:

Насадочная ректификационная колонна с регулярной проволочной насадкой из меди

Вертикальная трубка колонны может быть заполнена: 1. нерегулярной насадкой; 2. регулярной насадкой.

Первая представляет собой россыпь достаточно мелких элементов из инертного материала (чаще нержавеющая сталь), которые просто заполняют колонну, образуя неупорядоченный слой. Примером может служить спирально-призматическая насадка (СПН). Площадь поверхности для тепломассообмена такая насадка увеличивает, но вот из-за неравномерного ее размещения затрудняется проход паров и отток флегмы.

Регулярная же насадка представляет собой сетку или перфорированный лист, закрученный определенным образом. Пример такой насадки — регулярная проволочная насадка Панченкова (РПН). Такая насадка позволяет максимально эффективно использовать площадь контакта жидкости и пара, обеспечивая тепломассообмен без каких либо препятствий.

Выбор любителей и профессионалов

Купить самогонный аппарат с ректификационной колонной (рекомендуем выбрать аппарат марки Luxstahl 8m) для домашнего использования достаточно просто, рынок на сегодняшний день богат различными моделями. Отзывы о самогонных аппаратах свидетельствуют: тем, кто планирует регулярно готовить домашние спиртные напитки, лучше всего подойдет ректификационная колонна насадочного типа. С ней Вы сможете разнообразить домашний бар любыми крепкими напитками, как “классикой”, так и рецептами настоек из самогона в домашних условиях на различных ягодах, фруктах или травах.