Основные режимы работы ректификационных колонн и их конструктивное выполнение

Как отмечалось ранее, по способу работы ректификацию разделяют на периодическую и непрерывную.

При периодической в куб одномоментно загружается перегоняемая жидкость и частично или полностью отгоняется при помощи колонны с отбором фракций различных по компонентному составу. При перегонке спиртсодержащих жидкостей таких фракций различают три (не путать с классификацией примесей по летучести, изложенные выше): головная часть погона (иногда первый погон); основной погон (сердце); хвостовая часть (последний погон).

При непрерывной ректификации отгоняемую жидкость непрерывно вводят в куб колонны с непрерывным отведением продуктов отгонки. При этом в нижней части колонны (кубе) отводится низкокипящие продукты, из верхней - высококипящие. Возможен также отбор некоторых продуктов перегонки по высоте колонны.

Процесс ректификации осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах. Способ контактирования потоков в колоннах может быть ступенчатым (в тарельчатых колоннах) или непрерывным (в насадочных и пленочных колоннах).

Жидкостный поток в колонне (флегма) образуется в результате частичной конденсации пара, выходящего из верхней части колонны, в специальных теплообменных аппаратах – дефлегматорах, или вводится на верхнюю тарелку колонны в виде питания.

Для создания парового потока в колонне в ее нижнюю часть (в куб) подается соответствующее количество тепла – или за счет непосредственного ввода греющего пара в кубовую жидкость (открытый обогрев колонны), или подачей пара в специальный теплообменник-испаритель; через поверхность теплопередачи последнего теплота конденсации греющего пара передается кипящей кубовой жидкости, из которой образуется паровой поток (закрытый обогрев колонны).

Обогрев колонн открытым (острым) паром применяется в том случае, когда конденсат греющего пара не ухудшает качество кубового остатка, не взаимодействуют с продуктами ректификации и не образует новых систем, которые трудно разделить в колонне. При открытом обогреве конденсат греющего пара смешивается с кубовым остатком. При закрытом обогреве требуются пар более высокого давления и наличие поверхности теплопередачи (испарителя).

Ректификационные колонны могут быть полными и неполными, (рис. 24).

Рис. 24. Типы ректификационных колонн. 1 – колонна; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; а – полная; б- неполная отгонная; в – неполная концентрационная, М- бражка; П – пар; G –спиртовый пар; L – сконденсированная флегма; S – барда; D - дистиллят

Неполные колонны бывают двух видов:

отгонная(рис. 24 б) - питание подается на ее верхнюю тарелку, из нижней части (из куба) выводится практически чистая вода, а из верхней части отводится пар, частично обогащенный спиртом, дефлегматор не устанавливается, вся паровая фаза конденсируется в холодильнике (или в виде пара питает концентрационную колонну). Учитывая отсутствие дефлегматоров для создания флегмы в неполных отгонных колоннах, они считаются открытыми;

концентрационная (рис. 24 в) – питание в паровом виде подается под нижнюю тарелку (в куб), из верхней части отводится практически чистый спирт, а снизу остаток, частично обогащенный водой, питание жидкостью производится конденсатом, поступающим в верхней части из дефлегматора (флегма). Дефлегматор – обязательная часть концентрационной колонны.

В концентрационных колоннах орошение производится за счет части конденсата пара, выходящего из колонны. Остальная доля конденсата пара образует дистиллят – верхний продукт колонны, поэтому орошение колонны и отбор дистиллята количественно связаны между собой. Отношение количества конденсата пара (при температуре конденсации), поступающего на орошение колонны (флегмы), L к количеству дистиллята D называется флегмовым числом, или числом флегмы (рис. 24):

,
где G – количество пара, выходящего из колонны, G = L + D.

Флегмовое число аналогично перегонке может изменяться от 0 до ¥. При R = О (орошение – возврат флегмы отсутствует) в колонне не будет массообмена, а, следовательно, и обогащения пара спиртом. Пар будет проходить транзитом по колонне, и процесса ректификации не будет. При R=¥ весь конденсат пара, выходящего из колонны, полностью будет поступать на орошение колонны; в этом случае отбор дистиллята равен нулю, колонна работает «сама на себя», не выдавая дистиллята. При непрерывном режиме нижний продукт будет иметь тот же состав, что и питание колонны.

Практически колонна должна работать при 0 < R < ¥. Рабочая величина R определяется на основании технико-экономического расчета, обычно не менее 3.

Отбор дистиллята можно производить после частичной или полной конденсации пара (см. рис. 25). При первом способе обеспечивается дополнительное обогащение дистиллята спиртом за счет частичной конденсации пара (дробная конденсация) и массообмена, происходящей между паром и конденсатом при противоточном движении их в дефлегматоре. При втором способе пар, выходящий из колонны, дистиллят и флегма имеют одинаковый состав, и дефлегматор не дает никакого концентрирующего эффекта.

Рис. 25. Способы отбора дистиллята (дефлегмации): I - с частичной конденсацией пара; II - с полной конденсацией пара; 1 - дефлегматор; 2, 3 - конденсатор; D - дистиллят

В отличие от полной колонны, в неполных колоннах получается только один практически чистый компонент (вода – в отгонной и спирт в концентрационной), и для дальнейшего обогащения дистиллята отгонной колонны или остатка концентрационной колонны требуется их дальнейшая ректификация. Указанная специфика разгонки связана с противоточным контактом либо паровой фазы со свежими порциями бражки (в верхней части отгонной), либо флегмы с паром вода-спирт (в нижней части концентрационной).

Теплота конденсации пара обычно отводится водой, промежуточными продуктами, подлежащими нагреванию, или воздухом в специальных воздушных теплообменниках.

Полная колонна (рис. 24, а) состоит из отгонной, или исчерпывающей (нижней) части и концентрационной (верхней). Питание в полную колонну вводится через среднюю часть на верхнюю (питательную) тарелку отгонной части колонны. В полной ректификационной колонне создаются условия для получения практически в чистом виде обоих компонентов бинарной смеси, подлежащей разделению.

В одной полной ректификационной колонне можно разделить на чистые компоненты только бинарную смесь.

Для разделения многокомпонентных смесей (каковой и является, собственно, бражка) на чистые компоненты меняют несколько последовательно установленных колонн. Каждая из колонн разделяет поступающую в нее смесь на дистиллят, который представляет собой один или несколько легколетучих компонентов (легкая фракция), и остаток, который состоит из труднолетучих компонентов (тяжелая фракция), т.е. делит поступающую на ректификацию смесь на две части, различающиеся по летучести (кубовый остаток и дистиллят). На рис. 26 представлены два из пяти возможных вариантов схемы разделения четырехкомпонентной смеси на четыре продукта.

Для разделения n-компонентной смеси на чистые компоненты требуется (n–1) колонн. Но на практике, учитывая огромное количество примесей спирта и их относительно малые количества (всего 0,5% от общего спирта), многокомпонентные смеси обычно сначала разделяют не на чистые компоненты, а на фракции, которые состоят из нескольких близких по летучести компонентов. При этом предварительно определяют ключевой компонент. В легколетучей фракции ключевым является компонент, обладающий наименьшей летучестью. В труднолетучей фракции ключевым будет компонент с наибольшей летучестью. При выделении одного целевого компонента в первой колонне выделяют, например, всю легколетучую фракцию, а целевой компонент будет ключевым компонентом в труднолетучей фракции. Далее в другой колонне труднолетучую фракцию разделяют на один ключевой (целевой) компонент и остаток труднолетучей фракции.

Возможен и другой вариант, когда целевой компонент является ключевым компонентом легколетучей фракции первой колонны, которая затем делится в другой колонне на чистый целевой компонент (остаток) и фракцию более летучих компонентов.