Ректифікаційна колона (стр. 3 из 5)
Рис. 2. Схема періодично діючої ректифікаційної установки:
1 — куб; 2 — ректифікаційна колона; 3 — дефлегматор; 4 — дільник флегми; 5 — холодильники; 6 — збірники дистиляту.
Після того як досягнутий заданий склад залишку в кубі (про це судять по температурі кипіння рідини в ньому) залишок зливають, завантажують куб вихідною сумішшю й операцію повторюють.
Зіставляючи періодично діючу колону (рис. 2) з ректифікаційною колоною безперервної дії (рис. 1), можна помітити, що перша працює, подібно верхньої частини безперервно-діючої колони, як колона для зміцнення пар, а куб відіграє роль вичерпної частини.
Основним елементом ректифікаційної колони є контактні пристрої.
Конструкція контактного пристрою повинна забезпечувати як можна більшу величину масообміну на ньому. Це досягається в першу чергу шляхом створення розвитої поверхні контакту фаз і такої гідродинамічної обстановки, при якій коефіцієнт масопередачі буде по можливості найбільшим.
У тарілчастих ректифікаційних колонах поверхня контакту фаз утворюється в процесі руху взаємодіючих потоків на тарілках. З тарілки на тарілку рідина перетікає через переливні пристрої (стакани). Для того щоб на поверхні тарілки втримувався певний шар рідини, переливні склянки виступають над тарілкою на деяку висоту. Нижні кінці їх занурені в переливні чаші, розташовані на нижчележачих тарілках, що створює гідравлічний затвор для проходу пари через переливний стакан.
На рис. 4 представлена ситчаста тарілка із двома циліндричними зливальними склянками. Ситчасті тарілки застосовують як для чистих рідин, так і для рідин, що містять суспензії. Для перші отвори мають діаметр 2 – 3 мм, для других – 7 – 8 мм.
У колонах великого діаметра при плині рідини на тарілках створюється значна різниця між рівнями рідини при вході й виході її з тарілки. Внаслідок цього можливий нерівномірний прохід пари через отвори в різних крапках колони. Щоб усунути це явище, тарілки встановлюють із нахилом убік плину рідини; при цьому створюється однаковий рівень її на тарілці.
Істотний недолік ситчастих тарілок у тім, що рідина на них утримується тільки за рахунок тиску пари. Тому при падінні тиску в колоні рідина провалюється через отвори тарілок.
| Рис. 4. Ситчаста тарілка | Рис. 5. Одноковпачкова тарілка | Рис. 6. Тарілка подвійної дії |
Основним достоїнством ситчастих тарілок є простота їхньої конструкції.
Ковпачкові тарілки мають різні пристрої. Основні типи ковпачкових тарілок, застосовуваних у харчових виробництвах, представлені на рис. 5, 6.
На рис. 5 і 6 показані тарілки, звичайно застосовувані для перегонки рідин, що містять зважені частки. Тарілка, зображена на рис. 6, відрізняється тим, що в ній пара барботує у рідину із двох сторін: з-під країв ковпака й з-під країв коміра. Тому рідина, що тече по вузькому кільцевому проході, вступає в тісний контакт із пором. Така тарілка називається тарілкою подвійного кип'ятіння.
Поряд з тарілковими ректифікаційними колонами в хімічних виробництвах застосовують насадочні колони. У них контакт між парою й рідиною забезпечується насадкою.
Плівкові колони. Контакт між парою й рідиною відбувається на поверхні стікаючої рідкої плівки. Пари, збагачені в результаті обміну із флегмою нижчекиплячим компонентом, віддаляються з апарата у верхній частині колони й надходять у холодильник.
Безперервно діюча ректифікація застосовна тільки на великих заводах, для яких вона представляє ряд економічних вигід. У нашій країні переважають великі спиртові заводи, і тому в нас застосовується переважно метод безперервно діючої ректифікації, яка розглянута в даному проекті.
2. Технологічна схема ректифікації
Принципова схема ректифікаційної установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Принципова схема ректифікаційної установки:
1 — ємність для вихідної суміші; 2, 9 — насоси; 3 — теплообмінник-підігрівник; 4 — кип'ятильник; 5 — ректифікаційна колона; 6 — дефлегматор; 7 — холодильник дистиляту; 8 — ємність для збору дистиляту; 10 — холодильник кубової рідини; 11 — ємність для кубової рідини.
Вихідна суміш із проміжної ємності 1 відцентровим насосом 2 подається в теплообмінник 3, де підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на поділ у ректифікаційну колону 5 на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші xf.
Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з парою, що піднімається нагору, яка утворюється при кипінні кубової рідини в кип'ятильнику 4. Початковий склад пари приблизно дорівнює складу кубового залишку хw, тобто збіднений легколетким компонентом. У результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетким компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до заданого флегмовим числом рідиною (флегмою) складу хр, що виходить із дефлегматора 6 шляхом конденсації пари, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у виді готового продукту поділу — дистиляту, що охолоджується в теплообміннику 7, і направляється в проміжну ємність 8.
З кубової частини колони насосом 9 безупинно виводиться кубова рідина — продукт, збагачений важколетким компонентом, що охолоджується в теплообміннику 10 і направляється в ємність 11.
Таким чином, у ректифікаційній колоні здійснюється безупинний нерівновагий процес поділу вихідної бінарної суміші на дистилят з високим змістом легколеткого компонента і кубовий залишок, збагачений важколетким компонентом.
3. Вибір конструкційного матеріалу апарата
Для конструювання апаратів харчової промисловості, що працюють під тиском згідно [2, с. 234] можна використовувати сталь 12Х18Н10Т, характеристика якої приведена нижче.
Таблиця 1
Характеристика сталі 12Х18Н10Т
| Марка: | 12Х18Н10Т |
| Замінник: | 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т |
| Класифікація: | Сталь корозійно-стійка звичайна |
| Застосування: | деталі, що працюють до 600 °С. Зварені апарати й посудини, що працюють у розведених розчинах азотних, оцтових, фосфорної кислот, розчинах лугів і солей і інші деталі, що працюють під тиском при температурі від —196 до +600 °С, а при наявності агресивних середовищ до +350 °С. |
Таблиця 2
Хімічний склад в % сталі 12Х18Н10Т
| C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu | - |
| до 0.12 | до 0.8 | до 2 | 9-11 | до 0.02 | до 0.035 | 17-19 | до 0.3 | (5 С-0.8) Ti, остальное Fe |
Таблиця 3
Механічні властивості при Т=20oС сталі 12Х18Н10Т
| Сортамент | Розмір | Напр. | sв | sT | d5 | y | KCU | Термообр. |
| - | мм | - | МПа | МПа | % | % | кДж / м2 | - |
| Поковки | до 1000 | 510 | 196 | 35 | 40 | Закалка 1050-1100oC, вода, |
Таблиця 4
Физичні властивості сталі 12Х18Н10Т
| T | E 10-5 | a106 | l | r | C | R 109 |
| Град | МПа | 1/Град | Вт/(м·град) | кг/м3 | Дж/(кг·град) | Ом·м |
| 20 | 1.98 | 15 | 7900 | 725 | ||
| 100 | 1.94 | 16.6 | 16 | 462 | 792 | |
| 200 | 1.89 | 17.0 | 18 | 496 | 861 | |
| 300 | 1.81 | 17.2 | 19 | 517 | 920 | |
| 400 | 1.74 | 17.5 | 21 | 538 | 976 | |
| 500 | 1.66 | 17.9 | 23 | 550 | 1028 | |
| 600 | 1.57 | 18.2 | 25 | 563 | 1075 | |
| 700 | 1.47 | 18.6 | 27 | 575 | 1115 | |
| 800 | 18.9 | 26 | 596 | |||
| 900 | 19.3 |
Технологічні властивості сталі 12Х18Н10Т
| Зварюваність: | без обмежень |
| Флоконечутливість: | не чутлива |
4.1 Розрахунок основних розмірів колони
Для проведення розрахунків використовуються завдання на проектування, а також довідкові дані, які зведемо в таблицю 5.
Таблиця 5
Вихідні дані
| Показник | Одиниця вимірювання | Значення |
| Вміст спирту у вихідній суміші | % об. | 8,5 |
| Вміст спирту в дистиляті | % об. | 88,0 |
| Вміст спирту в кубовому залишку | % об. | 0,015 |
| Температура вихідної суміші | °C | 75 |
| Тиск гріючої пари | кПа | 196 |
| Тип тарілок | Ковпачкові | |
| Відстань між тарілками:в укріпній частиніу вичерпній частині | мм | 150200 |
| Матеріал – нержавіюча сталь | 12Х18Н10Т |
Розрахунок колони зводиться до визначення її основних розмірів: діаметру, висоти, а також діаметрів штуцерів подачі основних компонентів.
Згідно з табл. 9 [4, с. 195] концентрація спирту в суміші: xоб. = 8,5 % об'ємних, що відповідає xмас. = 6,8 % мас.; вміст спирту в дистиляті xоб. = 88 %, або xмас. = 83,11 % мас., вміст спирту в барді xб. = 0,015 %, або xмас. = 0,012 % мас.