Конструкції колонних ректифікаційних установок Ректифікаційна колона
Колонні апарати залежно від способу контакту фаз поділяють на тарілчасті, насадкові та плівкові. Найбільш розповсюджені на харчових підприємствах ректифікаційні тарілчасті колонні апарати.
Тарілчастий колонний аппарат складається з вертикального корпусу циліндричної форми, сферичної кришки і днища. Корпус колони може бути виготовлений зварним або з окремих царг, якщо тиск в апараті не перевищує 1,6 МПа. У спиртовому виробництві найчастіше використовують колони в царговому виконанні. Діаметр колон складає 400-4000 мм. Всередині корпусу змонтовані тарілки. Висота колони залежить від кількості тарілок і відстані між ними. При перегонці рідини, що не піниться, мінімальна відстань рекомендується в межах 170-200 мм. З ростом діаметру колони відстань між тарілками збільшується.
На корпусі ректифікаційної колони розміщені штуцери: вводу сировини, пари, флегми і виводу пари, кубового залишка. При закритому обігріванні колона в нижній частині додатково оснащена штуцерами для виводу пари з випарника і вводу циркулюючої кубової рідини у випарник. Окрім цього, колона обладнана штуцерами для вимірювання тиску і температури по висоті колони, відбору проб тощо.
Колони періодичної дії мають куби великої ємності, яка достатня для завантаження необхідної кількості продукту. У колонах безперервної дії кубом є нижня частина колони висотою І-1,5 м.
Місце вводу сировини в колону визначає склад вихідної суміші, який повинен відповідати складу рідини на певній тарілці по висоті колони, тобто місце вводу сировини і виводу проміжних фракцій визначає їх відповідний склад. Відповідно повинні бути розміщені штуцери в колоні.
На рис. 8.21 зображена ректифікаційна колона для одержання спиріу-сирця. Вона складається з двох частин. Верхня концентраційна частина оснащена 9-ма багатоковпачковими тарілками, а нижня виснажна частина - 18-ма одногавпачковими тарілками.
Контактні пристрої ректифікаційних колон
Основними елементами ректифікаційної колони є контактні пристрої, де відбувається взаємодія між парою і рідиною. Контактні пристрої повинні забезпечити максимальний масообмін між фазами. Відома велика кількість тарілчастих контактних пристроїв різних конструкцій. При виборі контактних пристроїв враховують їх ефективність і продуктивність за парою і рідиною, рівнем енерговитраї; а також фізичними характеристиками систем, що обробляються: наявність механічних домішок, можливість термічного розкладу продуктів, новоутворення шкідливих домішок. Окрім цього, враховують складність і вартість виготовлення, монтажу і обслуговування апарата.
Найбільш розповсюджені ректифікаційні колони з ковпачковими тарілками. Вони відзначаються великою різноманітністю форм, конструкцій, способів розміщення і закріплення ковпачків. Тарілки бувають одно- і багатоковпачковими.
Багатоковпачкова тарілка з крутими ковпаками є найпоширенішою (рис. 8.22). Вона має металеве полотно з отворами для парових патрубків, які прикріплені до полотна. Над патрубками встановлюються ковпачки, найчастіше діаметром 60 і 80 мм.
Ковпачки мають прорізи висотою 15,20 або 30 мм. Для створення необхідного рівня рідини використовують переливні трубки, що розташовуються по діаметру, або сегментні переливні перегородки. Прорізи ковпачків повинні бути занурені в рідину, тому переливні трубки і перегородки виступають над тарілкою на певну висоту. Пара поступає через паровий патрубок, проходить через прорізи і барботує крізь шар рідини. При взаємодії пари і рідини утворюється мілкопориста піна і проходить обмін компонентами між фазами. На тарілці має місце перехресний тік рідини і пари. Ці тарілки належать до групи барбогажних контактних пристроїв. Рідина перетікає вниз з тарілки на тарілку через переливні пристрої (стакани). Назусіріч знизу вгору проходить пара.
Ковпачкові контактні пристрої мають широкий інтервал стійкої роботи, відносно високий коефіцієнт корисної дії (К.К.Д=0,5-0,7), але мають великий гідравлічний опір і придатні для переробки чистої рідини. Недоліком їх є також значна металоємність і складність виготовлення.
Багагоговпачковими тарілками оснащені колони брагорекгифікаційних установок: епюраційні, спиртові, сивушні, кінцевої очистки. Використовують їх також у концентраційній частині брагоперегонних установок для спирту-сирця. В сучасних установках епюраційні колони мають 39-40багаковпачшвих тарілок, а спиртові 71 -74.
Бражні колони брагоректифікаційної установки і виснажна частина колони брагоперетонної установки оснащені одноковпачковими тарілками. Вони придатні
для перегонки бражки і інших рідин, що містять суспендовані тверді частинки.
Одноковпачкова тарілка, схема якої показана на рис. 8.23., працює аналогічно багатоковпачковій. Краї ковпака, що мають гладку або зубчасту нижню кромку, занурені в рідину, яка знаходиться у кільцевому жолобі. Пара виходить з-під ковпака і барботує через рідину. Тарілка оснащена переливними трубками, які виступають над тарілкою і утворюють на ній шар рідини певної висоти, що створює гідравлічний затвор. Одноковпачкові тарілки добре працюють в колонах малого діаметру. Зі збільшенням діаметру ефективність їх роботи зменшується.
Сітчаста тарілка є одним з найпростіших тарілчастих контактних пристроїв. (рис.8.24). Вона являє собою перфорований металевий диск з отворами діаметром 2-12 мм, які розміщуються на площині тарілки по вершинах рівнобічних трикутників. Тарілка укріплюється горизонтально в колоні. Для підтримання певного рівня рідини в колонах малого діаметру застосовуклься переливні трубки, нижні кінці яких занурені в суцільні стакани. В колонах більшого діаметру використовують сегментні переливні перегородки. Пара, що піднімається в колоні, проходить крізь отвори тарілки і розподіляється в шарі рідини у вигляді бульбашок та струменів. При цьому від бувається масообмін між фазами. Сітчасті тарілки мають більший вільний переріз (площина отворів), ніж ковпачкові, тому продуктивність їх по парі на 30-40% перевищує ковпачюві.
Рівень рідини на тарілці підтримується певним тиском у колоні. При падінні тиску рідина може протекти через отвори по всій площині тарілки або окремих її частинах, що погіршує масообмін. Де може статись також при неточному встановленні (перекосі) тарілок.
Сітчасті тарілки ефективні, прості у виготовленні, мають малу металоємність, але потребують точного горизонтального монтажу.
Сітчасті тарілки застосовуються в бражних колонах великого діаметру (>1400 мм).
У провальних контактних тарілках пара і рідина проходять через одні і ті ж отвори, тому вони мають більший, ніж сітчасті, вільний переріз (12-20%). Ці конструкції не потребують переливних пристроїв і мають більшу робочу площу.
Решітчасті провальні тарілки виготовляються із сталевих або мідних листівтовщиною 3-5 мм. Щілини виштамповуються або фрезеруються шириною 2-6 ммрізною довжиною (60-200 мм).
На суміжниж тарілках щілини розташовуються взаємно перпендикулярно. Ці конструкції прості, у них більша пропускна спроможність по рідині, ніж в сітчастих, але вони мають вузький діапазон стабільної роботи. Решітчасті провальні тарілки рекомендується використовувати у бражних колонах.
Лускоподібна тарілка. (рис.8.25) виготовляється з металевого листа, в якому у шахматному порядку штампуються арочні луски. Кут нахилу складає 15-20 . Зміна вільного перерізу тарілки (рекомендується 8-15 %) досягається зміною кількості лусок. Тарілка має утоплені приймальні і зливні сегменти. До зливного сегмента прикріплена переливна труба. Потік пари, що перемішується в колоні, змінює напрямок руху при проходженні через луски, прорізи яких направлені в бікруху рідини. Спрямований паровий потік збільшує швидкість рідини, яка переміщується з підйомом в бік зливу. У робочому струменевому режимі має місце інтенсивна турбулізація парою рідинного потоку, значна частина парорідинної суміші піднімається над тарілкою і рухається у міжтарілчастому просторі. Фази взаємодіють в прямотечному режимі, причому, дисперсною фазою є рідина, а дисперсійною - пара.
Лускоподібні тарілки працюють при більш високих швидкостях пари і незначному бризковиносі, мають високу ефективність (ККД: 0,5-0,7) в широкому діапазоні навантаження.
Цей тип тарілок рекомендується застосовувати у бражних колонах діаметром > 1,4м при перегонці мелясної і бражки з подрібненої зерно-картопляної сировини. Бражна колона з лускоподібними тарілками характеризується широким діапазоном стабільної роботи, більшою на 20-40% продуктивністю порівняно з типовими бражними колонами, сприяє покращенню якості спирту.
У колонах меншого діаметру рекомендується використовувати лускоподібні тарілки з елементами секціонування.
Бражні колони, з лускоподібними тарілками широко використовуються при перегонці гідролізних бражок.
Клапанні тарілки. Металеве плоске полотно тарілки має круглі або квадратні отвори,які закриті клапанами. Відповідно виготовляють дискові і прямокутні клапани (рис.8.26). При переміщенні в колоні пари знизу вгору клапани трохи піднімаються, пара проходить крізь проріз, що утворився, і контактує з рідиною, яка знаходиться на тарільці. Зі збільшенням кількості пари клапан піднімається вище. Прохідний переріз збільшується, а швидкість руху пари залишається практично незмінною. Висота підйому клапана становить 6-8 мм і обмежується кронштейном-обмежувачем. Клапанні тарілки оснащені також переливними пристроями і можуть працювати в режимах з перехресною і прямотечною взаємодією фаз. В останньому випадку клапани мають обмежувачі різної довжини.
На сучасному етапі клапанними тарілками оснащують бражні і епюраційні колони. У ректифікаційних установках для переробки вторинної сировини виноробства і дистиляції олійних місцел використовують вихореві контактні пристрої.