Конструкции ректификационных аппаратов

Ректификационные аппараты по их конструкции могут быть разделены на следующие основные группы.

Аппараты тарелочного типаполучили наибольшее распространение в пищевых производствах. На рис.3.47. представлена ситчатая тарелка с двумя цилиндрическими сливными стаканами. Ситчатые тарелки применяются как для чистых жидкостей, так и для жидкостей, содержащих взвешенные твердые частицы. Для первых отверстия имеют диаметр 2—3 мм, для вторых — 7—8 мм.

В колоннах большого диаметра при течении жидкости на тарелках создается значительная разница между уровнями жидкости при входе и выходе ее с тарелки. Вследствие этого возможен неравномерный проход пара через отверстия в различных точках колонны. Чтобы устранить это явление, тарелки устанавливают с наклоном в сторону течения жидкости; при этом создается одинаковый уровень ее на тарелке.

Существенный недостаток ситчатых тарелок в том, что жидкость на них удерживается только за счет давления пара. Поэтому при падении давления в колонне жидкость проваливается через отверстия тарелок.

Основным достоинством ситчатых тарелок является простота их конструкции.

Колпачковые тарелки имеют различные устройства. Основные типы колпачковых тарелок, применяемых в пищевых производствах, представлены на рис.3.48, 3.49 и 3.50.

На рис.3.48 и 3.49 показаны тарелки, обычно применяемые для перегонки жидкостей, содержащих взвешенные частицы. Тарелка, изображенная на рис.3.49., отличается тем, что в ней пар барботирует в жидкость с двух сторон: из-под краев колпака и из-под краев воротника. Поэтому жидкость, текущая по узкому кольцевому проходу, вступает в тесный контакт с паром. Такая тарелка называется тарелкой двойного кипячения.

Сливные стаканы, изображенные на рис.3.48 и 3.49, выполняются овального или круглого сечения.

На рис.3.50 изображена многоколпачковая тарелка со сливными перегородками. Благодаря большому периметру барботажа такая тарелка работает более эффективно, чем одноколпачковые тарелки.

Сливные перегородки создают условия для равномерного распределения флегмы на тарелке. Для лучшего диспергирования пара колпачки имеют зубчатые края.

Недостатком тарелок со сливными стаканами являются неодинаковые уровни жидкости на тарелке, так как при течении жидкости на тарелке уровень снижается. Поэтому пар прорывается там, где уровень ниже, и тарелка работает неравномерно.

Получившие распространение за последние годы провальные тарелки лишены этого недостатка. Эти тарелки не имеют сливных стаканов, и жидкая фаза стекает в них через те же отверстия, через которые барботирует пар. Провальные тарелки имеют различное устройство. На рис.3.51. представлена провальная тарелка решетчатого типа. В этой тарелке отверстия имеют прямо угольное сечение. Устраивают также провальные тарелки с круглыми отверстиями.

Для чистых жидкостей ширина щелей 3—4 мм. Расстояние между тарелками 300—600 мм.

Провальные тарелки могут работать с жидкостями, содержащими взвешенные твердые частицы. В этом случае щели должны иметь большую ширину.

Провальные тарелки имеют при одинаковом диаметре большую производительность, чем тарелки со сливными стаканами. Основной их недостаток заключается в том, что они не допускают широкого изменения нагрузки колонны и могут эффективно работать только при некоторой определенной скорости пара.

Из других типов тарелок укажем на тарелки с направленным движением жидкости и пара. В этих тарелках пар направляется в сторону движения жидкости и способствует уменьшению падения уровня жидкости на тарелке. На рис.3.52. представлена чешуйчатая тарелка. В этой тарелке пар поступает через отверстия, имеющие форму чешуек. Тарелки этого типа имеют высокую производительность и очень просты по устройству.

Насадочные колонны. Наряду с тарелочными ректификационными колоннами в пищевых производствах применяют насадочные колонны. В них контакт между паром и жидкостью обеспечивается насадкой.

На рис.3.53. изображена схема насадочной колонны периодического действия. Как это видно из схемы, насадка омывается флегмой, распределяемой при помощи форсунки того или другого вида.

Насадочная колонна может работать в пленочном либо в эмульгационном режиме. Установлено, что эффективность насадочной колонны максимальна при работе в режиме эмульгирования.

Между чисто пленочным режимом работы насадочных колонн и режимом эмульгирования имеется переходная зона, в которой уже нарушается чисто пленочный режим, но паровая фаза еще остается сплошной.

Установлению режима эмульгирования способствует увеличение скорости пара и плотности орошения насадки флегмой. Кроме того, режим эмульгирования может быть создан при помощи специальных приспособлений для отвода остатка из колонны.

На рис.3.54. показана схема колонны истощения, приспособленной для работы в режиме эмульгирования. В этой колонне сток жидкости в нижнюю часть колонны затруднен тем, что на решетке помещен слой мелких цилиндрических колец. Поэтому жидкость отходит по U-образной трубе, высота которой определяет статический уровень жидкости в колонне. Фактически этот уровень будет выше, так как жидкая фаза наполняется диспергированными паровыми пузырями.

При ненормально возросшем расходе пара может случиться, что жидкость начнет увлекаться паром вверх. Эти нежелательные явления называются «захлебыванием» колонны.

Пленочные колонны.На рис.3.55. представлена схема пленочной ректификационной колонны трубчатого типа периодического действия. Основным элементом этой колонны являются трубки 2.

В эти трубки поступает пар из куба 1, снабженного змеевиком. Флегма образуется в дефлегматоре 3. В верхней части трубок 2 пары конденсируются благодаря охлаждению этих трубок водой, омывающей их наружную поверхность. Таким образом, флегма образуется непосредственно на внутренней поверхности трубок и стекает вниз по трубкам, встречая пар, поднимающийся па-встречу.

Контакт между паром и жидкостью происходит на поверхности стекающей жидкой пленки. Пары, обогащенные в результате обмена с флегмой нижекипящим компонентом, удаляются из аппарата в верхней части колонны и поступают в холодильник.

Кроме пленочных аппаратов этого типа известны и другие, в которых флегма образуется в отдельно расположенном дефлегматоре и направляется из него в трубчатую колонну. Однако при таком устройстве весьма трудно равномерно распределять флегму по трубкам аппарата.

Эффективность пленочного аппарата зависит от диаметра его трубок. С уменьшением диаметра трубок она возрастает. Диаметр применяемых трубок 5—20 мм. Пленочные аппараты с малым диаметром трубок (6 мм) имеют меньшую высоту, чем насадочные и тарелочные аппараты, при одинаковом укрепляющем эффекте. Эти аппараты получили промышленное применение для перегонки под вакуумом некоторых продуктов парфюмерной промышленности.

Ротационные ректификационные аппараты могут быть разделены на две группы: а) с вертикальным валом; б) с горизонтальным валом. В обоих типах аппаратов для распределения флегмы используется центробежная сила. На рис.3.56. представлена ротационная колонна с вертикальным валом и вращающимися тарелками.

Колонна состоит из конических тарелок двух родов. Первая группа тарелок укреплена на вертикальном валу и вращается вместе с ним с частотой до 250 об/мин. Вторая группа тарелок неподвижна и соединена с кожухом колонны. При работе аппарата флегма центробежной силой отбрасывается на вращающиеся тарелки, с которых она переливается на неподвижные конусы и по ним стекает вниз на нижележащую коническую тарелку. Пар перемещается навстречу флегме, в результате чего между ними создается тесный контакт. Такой аппарат с вертикальным валом имеет высокую разделительную способность.

Ротационные аппараты с горизонтальным валом более сложны по устройству. В этих аппаратах вокруг горизонтальной оси вращается лента, согнутая спиралью. Флегма поступает в центр спирали и центробежной силой прижимается к стенкам спирали, покрывая ее тонкой пленкой. Пар движется навстречу флегме. Фазы соприкасаются на поверхности пленки флегмы. В оценке эффективности такого рода аппарата в литературе имеются разногласия. Вследствие сложности конструкции эти аппараты в пищевой промышленности применения не получили.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства жидкостей лежат в основе процессов разделения однородных систем?

2. Что такое простая перегонка?

3. Какие разновидности простой перегонки применяются в пищевой промышленности?

4. В чем заключается сущность и преимущества простой перегонки с дефлегмацией?

5. Какие задачи решаются с помощью законов Коновалова Д.П. и Вревского М.С. при анализе процессов перегонки жидкостей?

6. Что такое ректификация?

7. Какие процессы протекают на тарелках ректификационной колонны?

8. Что такое флегма, кубовый остаток, дистиллят? Какой состав они имеют?

9. Какие конструкции ректификационных аппаратов применяются в пищевой промышленности?