Насадочная ректификационная колонна
Ректификационная колонна насадочного типа — это установка цилиндрической формы, в которой теплообмен в процессе ректификации происходит на специальных подвижных или неподвижных насадках — твёрдых телах из инертных материалов, расположенных по всей высоте или на ограниченных участках конструкции.
Назначение и применение
Установки с контактными элементами в виде насадок используются при протекании реакции в условиях атмосферного давления, а также при пониженном давлении и в вакууме.
В отличие от тарельчатых колонн, аппараты данного типа показывают хорошие результаты при ректификации веществ, дающих обильную пену при обработке. Пена, которая может накопиться на тарелке и вызвать так называемое «захлёбывание» установки, свободно проходит через насадки и не дестабилизирует систему.
Насадки могут изготавливаться не только из металла, но и из других материалов, что позволяет использовать эти контактные элементы при работе с продуктами, вызывающими коррозию. Наиболее активно применяются насадки из керамики или пластика.
Принцип работы
Ректификация заключается в многократном испарении и конденсации вещества, благодаря чему образуются два разнонаправленных потока: пар (легкокипящие компоненты) и жидкость, или флегма (компоненты с высокой температурой кипения). Для того, чтобы состав этих потоков оказался максимально очищен от примесей, в установке обеспечивается тепло- и массообмен между этими потоками, во время которого они взаимно насыщаются соответствующими компонентами. В результате происходит разделение исходного продукта на две чистые фракции.
Тепло- и массообмен происходит на контактных элементах, роль которых играют насадки. В нормальных условиях пар стремится оттеснить жидкость к стенкам колонны, что значительно снижает площадь контакта потоков. Благодаря насадкам площадь контакта расширяется, что обеспечивает максимальную эффективность работы установки.
Из чего состоит колонна
У насадочной ректификационной колонны схема достаточно проста и состоит из двух основных частей: укрепляющей (верхней) и исчерпывающей (нижней).
В верхней части располагается дефлегматор, где пар частично конденсируется и вливается в поток жидкости, а частично — выводится в виде дистиллята.
В нижней части устанавливается кипятильник, где часть жидкости превращается в пар; другая часть жидкости (кубовый остаток с требуемым составом) выводится из установки.
Схема насадочной колонны. 1. Корпус, 2. Распределительная тарелка, 3. Насадка, 4. Опорные решетки, 5. Перераспределительная тарелка, 6. 8, Люки, 7. Отбойное устройство, А, Б,В,Г,Д штуцера.
Насадки в данной конструкции устанавливаются на опорные решётки, расположенные в обеих частях колонны. Они имеют сложную, развитую поверхность, способствующую максимальному контакту пара и жидкости.
Типы насадок
По способу установки выделяется несколько видов насадок:
- нерегулярные — загружаются в установку навалом; могут иметь форму колец, сёдел, шаров и т.д.;
- регулярные — устанавливаются в жёсткую структуру; плоскопараллельные, хордовые, блочные насадки.
Регулярные насадки имеют меньшее гидравлическое сопротивление при правильной установке, что обеспечивает более высокую производительность установки. Кроме того, их пропускная способность выше, чем у нерегулярных. Такие насадки чаще используют в вакуумных колоннах. Тем не менее, они более требовательны к равномерности орошения, чего не всегда легко добиться в колоннах с данным типом контактных элементов.
Помимо способа установки, насадки различаются по подвижности. Подвижные контактные элементы широко применяются при ректификации загрязнённых исходных продуктов и представляют собой устройства с лёгкими элементами, которые оказываются в подвешенном состоянии при воздействии на них идущего снизу вверх потока пара. Положение такой насадки контролируется двумя решётками: опорной и ограничительной.
Подвижные насадки позволяют обеспечить успешную работу колонны даже при высокой скорости потока пара, которая в обычных условиях может вызвать захлёбывание. Кроме того, подвижные элементы обеспечивают более эффективный массообмен. Тем не менее, они изнашиваются быстрее неподвижных, а также имеют высокое гидравлическое сопротивление.
Преимущества и недостатки
У насадочной ректификационной колонны можно выделить следующие преимущества:
- простота в изготовлении, обслуживании и ремонте;
- сравнительно низкая стоимость расходных компонентов (в том числе непосредственно насадок);
- надёжность благодаря простоте конструкции;
- низкое гидравлическое сопротивление;
- высокая скорость протекающих процессов;
- высокая разделительная способность.
Тем не менее, данный тип установки имеет свои недостатки. В частности, система требует высокой плотности орошения — в противном случае насадка плохо смачивается и не может обеспечивать тепло- и массообмен между потоками пара и жидкости, что приводит к неудовлетворительному результату обработки исходного продукта. Кроме того, проблемой может стать отведение теплоты, выделяющейся во время этого процесса — по конструктивным причинам отвод трудноосуществим.
Колонны с насадками в качестве контактных элементов активно используются в лабораториях, а также в химической промышленности. Для максимального результата современные установки могут сочетать подвижные и неподвижные насадки, а также насадки и тарелки.
