Аппаратурное оформление процессов ректификации

Ректификация, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты для ректификации должны обеспечивать развитую поверхность контакта между паровой и жидкой фазой. Для проведения процессов ректификации применяются почти исключитель­но аппараты колонного типа. По характеру взаимодействия паровой и жидкой фаз ректификационные колонны можно разделить на две основные группы:

— со ступенчатым (дискретным) контактом фаз;

— с непрерывным контактом фаз.

Ректификационные колонны с непрерывным контактом фаз - в них жидкость стекает в виде плёнки – либо по поверхности насадки (насадочные колонны), либо по внутренней или наружной поверхности вертикальных труб (плёночные аппараты), а пар в виде сплошного потока поднимается вверх через свободный объём насадки или внутри вертикальных труб.

1. Пленочные колонны. В пленочных колоннах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей в виде пленки по твердой вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: трубчатые колонны; колонны с плоскопараллельной или листовой насадкой; колонны с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатая колонна (рис. 36) по устройству аналогична кожухотрубчатому теплообменнику.

Рис. 36. Трубчатая колонна

Жидкость поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде пленки. Пар движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке.

Колонна с плоскопараллельной насадкой (рис. 37): пакет листовой насадки 1 в виде вертикальных листов из различных материалов (металл, пластмасса, натянутые на каркас ткань, пленка и т.п.) помещают в колонну. В верхней части колонны находится распределительные устройства 2 для обеспечения равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

Пленочная колонна с восходящим движением пленки (рис. 38) состоит из пучка труб 1, закрепленных в трубчатых решетках 2. Пар проходит через распределительные патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Жидкость поступает в трубы через щели 5 (см. узел Б). Движущийся с достаточно большой скоростью пар увлекает с собой жидкую пленку снизу вверх, т.е. колонна работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1, жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из колонны.

Рис. 38. Пленочный абсорбер с восходящим движением пленки

2. Насадочные колонны. Насадочная колонна (рис. 39) представляет собой колонну 1, заполненную насадкой 3 – твердыми телами различной формы. Насадка укладывается на опорные решетки 4 с отверстиями. В этих колоннах жидкость течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, а пар в виде сплошного потока поднимается вверх через свободный объём насадки. Поэтому поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями, а между секциями устанавливают перераспределители жидкости 5 ( рис. 39, б).

Гидродинамические режимы в насадочных колоннах:

1) Пленочный режим – наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние парового потока на скорость стекания жидкой пленки по насадке, и, следовательно, на количество удерживаемой в насадке жидкости.

2) Режим подвисания (или торможения ) – повышение скорости пара приводит к затормаживанию жидкости газовым потоком, т.е. скорость течения пленки жидкости уменьшается. Следовательно, увеличивается толщина пленки и количество удерживаемой жидкости в насадке. В режиме подвисания с увеличением скорости пара нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и, соответственно, интенсивность процесса массопередачи.

3) Режим эмульгирования – возникает при еще больших скоростях пара. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне паром не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а пар – дисперсной). Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения площади контакта фаз. Однако, увеличение эффективности сопровождается резким увеличением гидравлического сопротивления.

Рис. 39. Насадочная колонна

Выбор насадки. Для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Большая поверхность в единице объёма;

2. Хорошее смачивание орошающей жидкостью;

3. Малое гидравлическое сопротивление паровому потоку;

4. Равномерное распределение орошающей жидкостью;

5. Стойкость к химическому воздействию разделяемой смеси;

6. Малый удельный вес;

7. Высокая механическая прочность;

8. Невысокая стоимость.

В промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.) (рис. 40). По способу размещения насадки выделяют 2 группы: нерегулярная насадка – загружают в аппарат навалом; регулярная насадка – характеризуется упорядоченным расположением элементов.

Нерегулярная насадка
Регулярные насадки
Рис. 40. Типы насадок.

К основным достоинствам насадочных колонн относится простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам – сложность подвода теплоты, плохую смачиваемость при низких плотностях орошения, большие объёмы насадки вследствие недостаточно высокой её эффективности (по сравнении с тарельчатыми аппаратами).

Дата добавления: 2014-12-16