Ректификационные колонны

со ступенчатым контактом фаз -

представляют собой колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещают горизонтальные перегородки – тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет сверху вниз, а пар проходит в виде пузырьков или струек снизу вверх) и многократном взаимодействии жидкости и пара.

Гидродинамические режимы работы тарелок:

1) Пузырьковый (барботажный) режим возникает при небольших скоростях пара, когда в виде отдельных пузырьков пар движется через слой жидкости на тарелке. Поверхность контакта фаз в этом режиме невелика.

2) Пенный режим возникает при увеличении скорости пара, когда его пузырьки, выходящие из прорезей и отверстий, сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются с образованием ещё большего числа мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газожидкостная система – пена. Основной поверхностью контакта фаз в такой системе является поверхность пузырьков, а также струй пара и капель жидкости над парожидкостной системой, которые образуются при разрушении пузырьков пара в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых колонн.

3) Струйный (инжекционный) режим возникает при дальнейшем увеличении скорости пара, когда увеличивается длина паровых струй и наступает такой режим, при котором они выходят из газожидкостного слоя не разрушаясь, но образуя большое количество брызг. В этом режиме поверхность контакта фаз существенно меньше, чем в пенном.

По способу слива жидкости с тарелки на тарелку тарельчатые колонны подразделяются на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств.

Тарельчатые колонны со сливными устройствами.К аппаратам этого типа относятся колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую – сливные трубки, карманы и т.д. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство.

Принцип работы колонн такого типа показан на рис. 41 на примере колонны с колпачковыми тарелками.

Жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Пар поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (в других абсорберах – через щели и т.д.) и затем попадает в слой жидкости на тарелке. При этом пар в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой происходят основные процессы массо- и теплопереноса. Пройдя через все тарелки, пар уходит из верхней части аппарата.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по пару и жидкости и они мало чувствительны к загрязнениям и осадкам. Но недостатки колпачковых тарелок довольно существенны – они сложны в устройстве, для их изготовления требуются большие затраты металла, они отличаются большим гидравлическим сопротивлением и малой предельно допустимой скоростью пара.

Ситчатые тарелки.Эти тарелки (рис. 42) имеют большое число отверстий диаметром 2-8 мм, через которые проходит пар в слой жидкости на тарелке. К достоинствам ситчатых тарелок относятся простота их устройства, легкость монтажа и ремонта, низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Недостатки: во-первых, при слишком малой скорости пара жидкость может просачиваться через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к существенному снижению движущей силы процесса ректификации. Во-вторых, эти тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают их отверстия.

Рис. 42. Тарельчатая колонна с ситчатыми тарелками

Клапанные тарелки. Принцип действия этих тарелок (рис.43) состоит в том, что клапан 2, свободно лежащий над отверстием в тарелке 1, с изменением расхода пара увеличивает подъём и, соответственно, площадь зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода пара. Поэтому скорость пара в этом зазоре, а значит и во входе в слой жидкости на тарелке, остаётся постоянной, что обеспечивает неизменно эффективную работу тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки при этом увеличивается незначительно. Высота подъёма клапана определяется высотой ограничителя 7.


Рис. 43. Клапанные тарелки.

К достоинствам клапанных тарелок следует отнести их гидродинамическую устойчивость и высокую эффективность в широком интервале изменения нагрузок по пару. К недостаткам этих тарелок относятся их повышенное гидравлическое сопротивление и усложнённая конструкция тарелки.

Колонны с тарелками без сливных устройств. В тарелке без сливных устройств (рис. 44) пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. При этом одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку – «проваливание» жидкости.

Тема 10: Анализ работы ректификационных колонн и их расчёт

Цель: Представить вывод материального баланса, уравнений рабочих линий колонны ректификации, объяснить выбор флегмового числа. Привести графический способ определения числа теоретических ступеней колонны.

Известно 2 основных метода анализа работы и расчёта ректификационных колонн: графоаналитический (графический) и аналитический. Графический метод проще и нагляднее, поэтому проведём анализ с его помощью.

Допущения, принятые при расчёте ректификационных колонн

1. Молярные теплоты испарения компонентов при одной и той же температуре приблизительно одинаковы (правило Трутона), поэтому каждый киломоль пара при конденсации испаряет один киломоль жидкости. Следовательно, количество поднимающихся паров (в киломолях) в любом сечении колонны одинаково.

2. В дефлегматоре не происходит изменение состава пара. Следовательно, состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята, т.е. у_р = х_р.

3. При испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменение её состава. Следовательно, состав пара, образующегося в кипятильнике соответствует составу кубового остатка, т.е. у_w = x_w.

4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны 0.