Тарельчатая ректификационная колонна
Тарельчатая ректификационная колонна — это цилиндрическая установка для переработки и разделения многокомпонентных составов на фракции, в которой контактными элементами служат тарелки — горизонтальные перегородки с перфорацией.
Назначение и применение
Ректификационная колонна тарельчатого типа может использоваться для переработки исходного продукта под любым давлением: атмосферным, выше атмосферного, ниже атмосферного (в том числе в вакууме). Кроме того, установки могут использоваться в условиях нестабильного давления.
Благодаря возможности организовать в системе промежуточное охлаждение такие колонны могут применяться при обработке веществ, во время разделения которых образуется большое количество теплоты. Кроме того, конструкция такой колонны позволяет обрабатывать жидкости с высоким содержанием твёрдых примесей: высокая пропускная способность обеспечивает свободное прохождение твёрдых элементов, а возможность установить люки или лазы для очистки системы даёт возможность легко устранить засор при его возникновении.
Функция тарелок в колонне
Ректификация — разделение вещества на две фракции с разной температурой кипения и удельным весом — происходит за счёт взаимодействия потоков пара и жидкости, которые образуются в результате испарения и конденсации исходного вещества.
Тем не менее, при свободном движении внутри цилиндрической установки происходило бы оттеснение жидкости к стенкам, в то время как пар двигался бы по центру — в результате площадь контакта оказывается минимальной, а эффективность установки значительно снижается.
Этот эффект объясняет, зачем нужны тарелки в ректификационной колонне. Контактные элементы в виде горизонтальных перегородок заставляют пар и жидкость перераспределяться и контактировать между собой по максимально возможной площади: жидкость образует на тарелке постоянный слой, через который снизу вверх проходит поток пара.
В результате происходит активный тепло- и массообмен, в результате которого пар насыщается от жидкости летучими компонентами, а жидкость от пара — компонентами с высокой температурой кипения. Таким образом на выходе из системы получается две фракции с минимальным количеством примесей.
Виды тарелок
Виды тарелок в ректификационной колонне выделяются по типу барботажных элементов — отверстий, через которые проходит поток пара при движении снизу вверх сквозь жидкость. Выделяются следующие варианты:
Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме: а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные
- Ситчатые — перегородки с небольшими (0,8-20 мм) отверстиями. Отверстия могут быть круглыми, щелевидными, треугольными. Пар проходит через эти отверстия с достаточной скоростью, чтобы жидкость не проливалась сквозь них на нижнюю тарелку. Слой жидкости на таких контактных элементах сохраняется на уровне 25-30 мм. Избыток жидкости переливается с тарелки на тарелку по сливным устройствам. Заполненность площади перегородки отверстиями может достигать 40%; стандартное расстояние от одного отверстия до другого — 3-4 диаметра.
- Провальные, или решётчатые — как и ситчатые, имеют перфорацию (диаметр отверстий — от 20 до 100 мм). Наиболее распространены провальные перегородки с прямоугольными отверстиями. В отличие от ситчатых, здесь отсутствуют сливные устройства: избыток жидкости проливается вниз через те же отверстия, через которые пар идёт вверх. Этот процесс может быть периодическим или одновременным. Чем выше расход пара и интенсивность восходящего потока, тем толще слой жидкости на тарелке.
- Колпачковые — в качестве барботажных элементов используются колпачки, накрывающие перфорацию перегородки. Через прорези колпачков проходит пар, при этом диспергируясь — в результате повышается эффективность тепло- и массообмена с жидкостью. Для слива избытка жидкости используются сливные устройства.
- Клапанные, или дисковые — тарелки, сечение которых может изменяться за счёт работы клапанов, установленных над перфорацией. Клапаны могут быть круглыми или прямоугольными. Они открываются за счёт давления восходящего потока пара (для полного открытия требуется 70% проектной нагрузки); уровень полного открытия контролируется ограничительной скобой или собственным весом устройства.
Преимущества и недостатки
По сравнению с насадочными колоннами тарельчатые установки имеют следующие преимущества:
- более эффективное разделение вещества на фракции;
- меньший вес установки благодаря меньшему количеству и весу контактных элементов;
- возможность установить люки для облегчения доступа к внутренней части установки с целью очистки, технического обслуживания и ремонта;
- возможность работы с загрязнёнными веществами;
- возможность работы в условиях изменяющегося давления;
- возможность работы при высокой теплоотдаче в процессе ректификации.
Тем не менее, в некоторых случаях эта установка будет менее эффективна — так, например, не рекомендуется использовать подобные контактные элементы для разделения жидкостей, дающих обильную пену: высок риск того, что пена с нижней тарелки поднимется достаточно высоко, чтобы оказаться на верхней, из-за чего нарушится рабочий процесс. Такие установки в целом более склонны к «захлёбыванию» из-за конструкции контактных элементов, из-за чего особенно важно контролировать состояние системы во время работы и не допускать нарушения баланса.
Благодаря высокой эффективности и возможности добиться максимальной чистоты веществ на выходе колонны с тарелками в качестве контактных элементов применяются в химической и нефтяной промышленности. Широкое разнообразие тарелок и барботажных элементов позволяет подобрать максимально подходящую установку для каждой цели.
