Ректификация - это сложный процесс разделения разных многокомпонентных смесей за счет теплообмена между паром и жидкостью. Аналогичная колонна, применяемая в быту для самогонного аппарата, как раз и предназначена для очистки спиртосодержащей жидкости от сивушных масел и других вредных примесей.

Пользователям, которым необходимо знать технические параметры, конструкцию, а также положительные и отрицательные свойства этого изделия, необходимо прочитать нашу статью, где они найдут все ответы на интересующие их вопросы.

Ректификационное изделие колонного типа поможет в домашних условиях получить практически чистый спирт, который можно использовать не только для самогона, но и в производстве элитных сортов крепких напитков, где не будет сивушных масел, а также других весьма вредных для нашего организма примесей.

Самогонный аппарат с колонной аналогичного действия отличается от других изделий кустарного производства более высокими характеристиками. Принцип действия такой колонны можно сравнить с многоэтажным зданием, где на каждом этаже производится своеобразная очистка и активная фильтрация. Устройство к тому же является весьма мощным конденсатором, который работает так:

1. Очищаются пары спирта от сивушных масел при прохождении через специальный наполнитель.
2. Пары сталкиваются с конденсатом, и масла выпадают в осадок.
3. Затем они проходят через холодильник и сухопарник.
4. В самом конце процесса происходит пастеризация, и наружу выходит алкоголь высокой очистки и большой крепости.

Процесс дистилляции происходит в несколько этапов, но основное преимущество здесь в наполнителе, именно он помогает очистить самогон от присутствия вредных примесей и сивухи, тем самым повысить вкусовые характеристики и конечную крепость.

Конструкция

Она не такая уж и сложная, но размеры отдельных составляющих должны быть строго выдержаны, иначе результат будет не таким высоким, как ожидает потребитель.

Перегонный куб

Или емкость, куда наливается спиртосодержащее сырье, она должна быть довольно просторной и выполненной из меди, нержавеющей стали или эмалированной, но без нарушения слоя. Для небольшого выхода вполне пригодна скороварка на 5 литров, для более объемного производства лучше сварить емкость из листа нержавейки.

Основное требование - это полная герметичность, потому что при активном кипении крышка не должна пропускать пар, а тем более выкипающую жидкость. Излишек давления должен стравливать обратный клапан - готовый куб как раз и отвечает всем этим требованиям. Важно, чтобы объем перегонного куба для самогона соответствовал размерам колонны.

Внимание! Перегонный куб заполняется брагой не более 2/3 первоначального объема, иначе при активном кипении колонна будет захлестываться излишками.

Царга

Или полый цилиндр из нержавеющего металла, который будет корпусом ректификационной колонны. Толщина стенок должна быть не менее 1,5 мм, а диаметр 30-50 мм, высота ее должна быть не менее 1,0-1,5 м, потому что чем медленнее отделяются примеси, тем чище и крепче конечный продукт. Если она будет короткой, то примеси попадут в дистиллятор, а если длиннее, то увеличится процесс очистки, но на эффективность это никак не повлияет.

С обоих концов нарезается резьба, чтобы один конец прикрутить к кубу, а второй присоединить к дефлегматору. Снизу царга должна иметь сетку, которая будет удерживать наполнитель и другие насадки, заполняющие внутренний объем цилиндра. Некоторые специалисты с большим стажем укутывают его поролоном для утепления.

Насадки

Наполнение внутренностей царги - это основное условие всего процесса ректификации: если она будет полая, то произойдет только дистилляция, в результате вы получите простой самогон. Цель всех составляющих наполнителя в том, чтобы многократно увеличить площадь поверхности, по которой стекает флегма.

Тяжелые примеси осаждаются и не могут попасть в финальный продукт, а пары спирта легко проникают к дистиллятору. Начинка может быть разной, главное, чтобы она была из нержавеющего металла или другого инертного материала:

• керамические или стеклянные шарики;
• кухонные сетки из нержавеющей проволоки, нарезанные на куски - через определенный период их надо менять;
• кольца Рашига, РПН Панченкова - это самые лучшие варианты для заполнения.

Последний вариант лучше всех осаждает фракции и со временем использования не требует замены.

Узел отбора дистиллята

Это небольшой отрезок трубы из нержавеющего металла, его назначение - собирать остатки флегмы: сначала идут вредные примеси и фракции, их называют «головы», затем появляется «тело» - пары спирта без вкуса и неприятного запаха. Самодельные аппараты все делают по-разному, но принцип один:

• к трубе изнутри приваривают трубку меньшего диаметра таким образом, чтобы по окружности образовался карман, где и будет собираться флегма;
• иногда вместо нее используется пластина из нержавейки, соответствующая внутреннему диаметру, но с отверстием в середине - часть флегмы остается на пластине, а часть возвращается назад в царгу.

Снаружи приваривают два штуцера к разным отверстиям: к одному прикрепляют кран для отвода примесей, а в другой (он немного меньше по размеру) вставляется термометр для замера изменения температуры спиртового пара.

Снаружи в трубе делают два отверстия для двух штуцеров: к одному прикрепляется кран для отвода флегмы, а в другой (поменьше) вставляется термометр для измерения температуры пара.

Дефлегматор

Эта деталь устанавливается на самом верху, именно здесь пары спирта охлаждаются, выпадают конденсатом на стенки и самотеком направляются вниз. Некоторые умельцы делают такие конструкции дефлегматора:

1. Прямоточный или рубашечный изготавливается из двух труб разного диаметра. Между ними постоянно циркулирует холодная вода, которая охлаждает внутреннюю трубу, где находится пар.
2. Изделие Димрота более эффективно - корпусом служит труба с идентичным царги диаметром. Внутри скрученная спиралью трубка, а в ней циркулирует холодная вода. Если диаметр царги 50 мм, то змеевик делают из трубки 6 мм и длиной около трёх метров, тогда длина всей конструкции будет 25-35 см.
3. Кожухотрубный вариант состоит из нескольких труб - внутри трубы большого диаметра закрепляются более мелкие, где и проходит спиртовой пар. Производительность у такой конструкции отличная и есть масса преимуществ: экономнее расход воды, и быстрее происходит конденсация.

Третий вариант удобно крепить к колонне под наклоном, что значительно уменьшает общую высоту.

Водный холодильник

Такое устройство можно сделать самостоятельно без особых затрат, водяной охладитель нужен для снижения температуры выходящего продукта. Делают его по типу рубашечного дефлегматора, но из труб меньшего диаметра: в нижний вода входит, а из верхнего входит и направляется по силиконовому шлангу к дефлегматору для охлаждения. Скорость протекания воды регулируется напором из крана.

Царга пастеризации

Это обязательный элемент современной колонны для ректификации, можно подумать, что она только усложняет конструкцию, но это не так: она совершенствует ее, т. к. происходит более полное очищение продукта от головных фракций. Размер ее немного меньше - 30 см, она как бы дополняет основную царгу.

Финальный, очищенный продукт собирается из нижнего отбора малой царги, поэтому он имеет максимальную чистоту.

Автоматика

Ректификация - довольно длительный процесс и постоянно требует контроля, поэтому следует установить хорошую автоматику, например, блок управления ректификацией или просто БУР. В его задачу входит:

• включить воду для охлаждения;
• уменьшить мощность аппарата во время фильтрации;
• когда процесс очистки завершен, то он прекращает отбор;
• выключить поступление воды и нагрев после отбора хвостовой части.

Конечно, без автоматики можно обойтись и своими силами, если имеется большой опыт, а новичкам с ней будет удобнее работать.

Преимущества и недостатки

Современные колонны имеют индивидуальные достоинства и недостатки, но основные плюсы выглядят следующим образом:

• позволяют производить дома алкоголь высокой очистки и крепости;
• полученный продукт не требует повторной перегонки, отсутствует неприятный запах;
• они оснащены всеми необходимыми деталями и могут работать самостоятельно, без участия самогонного аппарата;
• для ее использования не нужны особые знания, надо только следить, чтобы трубки не засорились в процессе очистки;
• помогают производить спирт в промышленных объемах, но это зависит от мощности изделия.

• довольно длительный процесс по времени;
• в час выход не более одного литра;
• готовые устройства имеют весьма высокую стоимость.

Многие любители домашнего крепкого напитка делают самогонные аппараты кустарным способом, а на очистке экономят, поэтому в результате получают не качество, а мутноватую жидкость с терпким характерным запахом.

Искусство выбора

При покупке такого оборудования надо особое внимание обращать на такие моменты:

1. Материал. Лучшие образцы изготавливаются из инертного металла, который ни при каких обстоятельствах не вступит во взаимодействие с парами спирта. Для этого идеально подходит специальная нержавеющая сталь — пищевая или медицинская.
2. Контактные элементы. В изделиях для дома используются специальные насадки, не имеющие недостатков.
3. Дефлегматор. Он находится в верхней части колонны и предназначен для охлаждения спиртосодержащих паров.
4. Термометр - он помогает определить истинную температуру, что важно при отделении фракций от конечного продукта.
5. Клапан сброса давления - его наличие необходимо для безопасной работы.
6. Регулируемый узел отбора. Он в значительной мере влияет на точность разделения фракций. Бывает съемным, поэтому им укомплектованы не все модели.
7. Стоимость изделия. Надо ознакомиться с несколькими моделями, чтобы выбрать оптимальный вариант для своих нужд.

Судя по отзывам реальных пользователей такого оборудования, предпочтение имеют изделия из нержавеющего материала, а для приготовления домашнего крепкого напитка из винограда или зерна применяют насадки из меди.

Рейтинг лучших моделей

• Тип: ректификационная колонна пленочного типа
• Материал: нержавеющая сталь
• Производительность: до 3 л/ч
• Объем перегонного куба: 20 л
• Толщина стенок бака: 1 мм
• Дно куба: 2 мм, многослойное
• Вид емкости: бак-кастрюля
• Диаметр бака: 280 мм
• Высота установки: 107 см

• качество металла
• удобная конструкция
• трехтрубчатое охлаждение
• можно увеличивать мощность за счет доработки

• не выявлено

• Тип: бражная колонна
• Материал: пищевая сталь
• Производительность: до 1,0 л/ч
• Объем перегонного куба: 20 л
• Толщина стенок бака: 1 мм
• Диаметр: горловины - 110 мм, колонны - 42,5 мм
• Высота установки: 99 см
• Крепость конечного продукта: 93%

• качественная сборка
• отличная очистка
• высокое качество с первого перегона
• нормальные объемы

• не выявлено

• Тип: с сухопарником
• Материал: AISI 304/430
• Производительность: до 4 л/ч
• Объем перегонного куба: 25 л
• Толщина стенок бака: 1,5 мм
• Габариты бака: 250х300 мм
• Диаметр горловины: 115 мм
• Высота установки: 60 см

• подходит под все плиты
• высокое качество материалов
• защитный атмосферный клапан
• гарантия 5 лет

• не выявлено

• Тип: самогонный аппарат
• Материал: нержавеющая сталь
• Производительность: до 7 л/ч
• Объем перегонного куба: 20 л
• Толщина: стенок бака - 1,5 мм, дна - 5 мм
• Диаметр: бака - 300 мм, горловины - 90 мм
• Высота установки: 90 см
• Общая масса: 3,1 кг
• трехтрубный холодильник
• наличие аромакорзины
• два биметаллических термометра
• гарантия на 12 месяцев

Устройство ректификационной колонны достаточно сложное, и смоделировать его в домашних условиях вряд ли удастся. Но на специализированных интернет-сайтах можно по вполне приемлемой цене купить рабочую установку, которая потребует только незначительного переоборудования вашего самогонного аппарата.

Переоборудование будет касаться только бака испарителя - необходимо установить фланец подходящего диаметра, чтобы можно было закрепить колонну строго вертикально. Если на баке не было термометра, то придется его установить. Без измерения температуры на испарителе контролировать работу колонны чрезвычайно сложно, да, в принципе, и невозможно вообще.

Как работает колонна

Колонна представляет собой тепломассообменник в котором происходят сложные физико-химические процессы. Базируются они на разнице температур кипения различных жидкостей и скрытой теплоемкости фазовых переходов. Это очень загадочно звучит, но на практике выглядит несколько проще.

Теория очень проста - пар, содержащий спирт и различные примеси, которые кипят при разных температурах, отличающихся на несколько градусов, поднимается вверх и конденсируется в верхней части колонны. Образовавшаяся жидкость стекает вниз, и встречают по пути новую порцию горячего пара. Те жидкости, температура кипения которых выше, повторно испаряются. А те, которым не хватило тепловой энергии, остаются в жидком состоянии.

Ректификационная колонна постоянно пребывает в состоянии динамического равновесия пара и жидкости, во многих случаях трудно разделить жидкую и газообразную фазы - все бурлит и кипит. Но по плотности, в зависимости от высоты, все вещества разделены очень четко - вверху легкие, затем более тяжелые и в самом низу - сивушные масла, остальные примеси с высокой температурой кипения, вода. Разделение по фракциям производится очень быстро, и такое состояние поддерживается практически бесконечно долго, при соблюдении температурного режима в колонне.

На высоте, соответствующей максимальному содержанию спиртовых паров, устанавливается заборный патрубок, сквозь который выделяется пар и поступает в конденсатор (холодильник), откуда спирт стекает в сборную емкость. Ректификационная колонна для самогонного аппарата работает очень медленно - отбор, как правило, производится капельно, но при этом обеспечивается высокий уровень очистки.

Колонна работает при атмосферном давлении, или чуть выше его. Для этого в верхней точке устанавливается атмосферный клапан или просто открытая трубка - не успевшие конденсироваться пары покидают колонну. Как правило - спирта в них практически нет.

Состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны

На графике изображены фиксированные состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны которые можно контролировать за температурой в данной точке. Горизонтальная часть графика соответствует максимальной концентрации вещества. Разделение не имеет четких границ - вертикальная линия соответствует смеси нижней и верхней фракций. Как видно, объем пограничных зон намного меньше фракционных, что дает определенный люфт температурного режима.

Устройство ректификационной колонны

Базой для колонны служит вертикальная труба из нержавеющей стали или меди. Другие металлы, особенно алюминий, для этой цели не подходят. Труба изолируется извне материалом низкой теплопроводности - утечка энергии может нарушить установившийся баланс и снизить эффективность теплообменных процессов.

В верхней части колонны монтируется предварительный холодильник дефлегматора. Как правило, он представляет собой встроенный или внешний змеевик, охлаждающий приблизительно 1/8-1/10 часть колонны по высоте. Найти в интернете можно и ректификационные колонны с водяной рубашкой или сложными шаровыми холодильниками. Кроме цены, они ни на что больше не влияют. Классический змеевик отлично справляется со своими задачами.

Колонна «Малютка»

Отношение количества отобранного конденсата к общему числу возвращающейся в бак флегмы называется флегмовым числом. Это характеристика отдельной модели колонны и описывает ее рабочие возможности.

Чем меньше флегмовое число, тем колонна производительнее. При Ф=1 колонна работает как обычный самогонный аппарат.

Промышленные установки обладают высокой разделительной фракционной способностью, поэтому их число равно 1,1-1,4. Для бытовой самогонной колонны оптимальным является Ф= 3-5.

Виды колонн

Ректификационная колонна для самогонного аппарата для увеличения точек соприкосновения пара и жидкости, где происходят теплообменные и диффузионные процессы, снабжается наполнителями, значительно увеличивающими площадь контакта. По типу внутренней конструкции колонны подразделяются на тарельчатые и насадочные. Классификация по производительности или высоте не показывает реальных возможностей.

Для увеличения площади контакта внутрь колонны помещается свитая в спираль мелкая сетка из нержавейки, насыпные мелкие шары, кольца Рашига, мелкие спиральки из проволоки. Они плотно укладываются или засыпаются на высоту до ¾ длины колонны, не достигая точки забора спирта.

Термометр должен находиться в свободной от насадок зоне, и показывать реальную температуру среды. Термометр выбирается электронный, как обладающий наименьшей инертностью. В некоторых моделях колонн роль играют десятые доли градуса. Для получения чистого спирта в зоне отбора температура должна поддерживаться в пределах 72,5-77 С.

Тарельчатая ректификационная колонна намного сложнее в изготовлении - конструкция колпачковых или ситчатых тарелок, представляющих собой горизонтальные перегородки внутри, сквозь которые жидкость протекает с некоторой задержкой. На каждой из тарелок создается зона барботирования, повышающая степень извлечения спиртовых паров из флегмы. Иногда ректификационные колонны называют укрепляющими - на них достигается почти стопроцентный выход спирта при минимуме посторонних добавок.

Работает колонна при атмосферном давлении, для связи с внешней средой колонна оборудуется специальным клапаном или открытой трубкой в верхней части конструкции. Этот факт определяет одну из особенностей ректификационной колонны для самогонного аппарата - при разном атмосферном давлении она работает по-разному. Температурный режим изменяется в пределах нескольких градусов (разница на термометре бака и колонны). Соотношение устанавливается экспериментально. По этой причине с колонной ТЭН.

Купив рабочую ректификационную колонну, или построив ее своими руками, вы сможете получить спирт высокой очистки без особых сложностей. Особенно эффективна колонна при перегонке самогона, полученного из обычного дистиллятора.

Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах.

Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей).

Анализ и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.

Поэтому процесс ректификации представляет собой массообмен, протекающий в обе стороны между 2-мя фазами смеси, одна из которых – жидкость, а другая – пар. Иными словами, это многократно повторяющееся контактное взаимодействие неравновесных фаз в виде жидкой нефти, а также пара.

Процесс ректификации осуществляется в результате контакта потоков пара и жидкости. При этом непременным условием является перемещение пара и жидкости навстречу друг другу по высоте (длине) ректификационного аппарата. Движущей силой тепло- и массообмена между паром и жидкостью в аппарате является разница температур по высоте (длине) аппарата.

Отпарные колонны, их классификация и принцип работы

Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.

Но одна ректификационная колонна не может справиться с задачами по разделению фракций. На нефтеперерабатывающих предприятиях колонна тесно связана со множеством другого оборудования – насосного, теплообменного, печного, сепарационного.

Наиболее удобно иллюстрировать принцип действия ректификационного аппарата на примере колонны с колпачковыми тарелками.

Ректификационные колонны

Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”.

В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого – конденсационными устройствами ( , холодные циркуляционные орошения).

В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая – тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения.

Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей:

• очень высокая производительность по сырью (до 1000 м 3 /ч для атмосферной колонны);
• подвод тепла в разделительную систему осуществляется огневым нагревом сырья в трубчатой печи (основная и вакуумная колонны АВТ), вводом перегретого водяного пара (практически все колонны) и циркуляцией «горячей струи» (отбензиневающая колонна АТ);
• последнее обстоятельство предполагает применение специальных сепарационных зон для разделения паровой и жидкой фаз;
• в схеме ректификации присутствуют выносные отпарные секции, а также циркуляционные орошения, что предполагает возможность организации на КУ боковых отборов жидкой фазы и подводов как паровой, так и жидкой фаз в нескольких точках по высоте колонны.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Распределители жидкости

Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.

Принцип работы ректификационной колонны

Конструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации.

В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести.

Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части:

1. Концентрационная секция – расположена выше точки ввода сырья в аппарат
2. Секция питания – в центре колонны, подается сырье на тарелку питания
3. Отгонная секция – находится ниже точки ввода сырья

Секция питания колонны
Концентрационная секция
Отгонная секция

Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен.

Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз.

Классификация ректификационных колон

Колонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса:

• Атмосферная и вакуумная перегонка (нефти и мазута);
• Вторичная перегонка бензина;
• Стабилизация нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;
• Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов;
• Отгонка растворителей при процессах очистки масел;
• Разделение продуктов термодеструктивных и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.;

Кстати, прочтите эту статью тоже: Насадочные и тарельчатые колонные аппараты

Типы контактных устройств ректификационных колон

Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства:

• Насадочные;
• Тарельчатые ;
• Роторные.

Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.

Тарелка с колпачковыми контактными устройствами

Видео: устройство и работа ректификационной колонны

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

На Атырауском НПЗ дан старт пусковым работам на Комплексе глубокой переработки нефти На НПЗ «Газпром нефти» в Москве установлена колонна вакуумной перегонки нефти установки «Евро+» Атырауский НПЗ в 2017 году переработал 4 723 647 т нефти и перевыполнил план на 1,6% Государства ОПЕК пришли к соглашению, касающегося добычи нефти в этом году

§ 3.3. Ограничение утечек горючих веществ

§ 3.4. Образование взрывоопасной смеси в помещении и на открытой площадке

Глава 4. Причины повреждения технологического оборудования

§ 4.1. Основы прочности и классификация причин повреждения оборудования

§ 4.2. Повреждения технологического оборудования в результате механических воздействий

§ 4.3. Повреждения технологического оборудования в результате температурного воздействия

§ 4.4. Повреждения технологического оборудования в результате химического воздействия

Защита от коррозии

Глава 6. Подготовка оборудования к ремонтным огневым работам

§ 6.1. Использование естественной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ

§ 6.2. Использование принудительной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ

§ 6.3. Пропаривание аппаратов перед проведением ремонтных огневых работ

§ 6.4. Промывка аппаратов водой и моющими растворами перед проведением ремонтных огневых работ

§ 6.5. Флегматизация среды в аппаратах инертными газами - способ подготовки их к проведению ремонтных огневых работ

§ 6.6. Заполнение аппаратов пеной при проведении ремонтных огневых работ

§ 6.7. Организация ремонтных огневых работ

Раздел второй. Предотвращение распространения пожара

Глава 7. Ограничение количества горючих веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе

§ 7.1. Выбор технологической схемы производства

§ 7.2. Режим эксплуатации технологического процесса производства

Производства,их удаление

§ 7.4. Замена горючих веществ, обращающихся в производстве, негорючими

§ 7.5. Аварийный слив жидкостей

§ 7.6. Аварийный выпуск горючих паров и газов

Глава 8. Огнезадерживающие устройства на производственных коммуникациях

§ 8.1. Сухие огнепреградители

Расчет огнепреградителя по методу я. Б. Зельдовича

§ 8.2. Жидкостные огнепреградители (гидрозатворы)

§ 8.3. Затворы из твердых измельченных материалов

§ 8.4. Автоматические заслонки и задвижки

§ 8.5. Защита трубопроводов от горючих отложений

§ 8.6. Изоляция производственных помещений от траншей и лотков с трубопроводами

Глава 9. Защита технологического оборудования и людей от воздействия опасных факторов пожара

§ 9.1. Опасные факторы пожара

§ 9.2. Защита людей и технологического оборудования от теплового воздействия пожара

§ 9.3. Защита технологического оборудования от разрушений при взрыве

§ 9.4. Защита людей и технологического оборудования от агрессивных сред

Пожарная профилактика основных

§ 10.2. Пожарная профилактика процессов измельчения твердых веществ

§ 10.3. Пожарная профилактика процессов механической обработки древесины и пластмасс

§ 10.4. Замена л вж и гж пожаробезопасными моющими средствами в технологических процессах обезжиривания и очистки поверхностей

Глава 11. Пожарная профилактика средств транспортировки и хранения веществ и материалов

§ 11.1. Пожарная профилактика средств перемещения горючих жидкостей

§ 11.2. Пожарная профилактика средств перемещения и сжатия газов

§ 11.3. Пожарная профилактика средств перемещения твердых веществ

§ 11.4. Пожарная профилактика технологических трубопроводов

§ 11.5. Пожарная профилактика хранения горючих веществ

Глава 12. Пожарная профилактика процессов нагревания и охлаждения веществ и материалов

§ 12.1. Пожарная профилактика процесса нагревания водяным паром

§ 12.2. Пожарная профилактика процесса нагревания горючих веществ пламенем и топочными газами

§ 12.3. Пожарная профилактика теплопроизводящих установок, используемых в сельском хозяйстве

§ 12.4. Пожарная профилактика процесса нагревания высокотемпературными теплоносителями

Глава 13. Пожарная профилактика процесса ректификации

§ 13.1. Понятие процесса ректификации

§ 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа

§ 13.3. Принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки

§ 13.4. Особенности пожарной опасности процесса ректификации

§ 13.5. Пожарная профилактика процесса ректификации

Пожаротушение и аварийное охлаждение ректификационной установки

Глава 14. Пожарная профилактика процессов сорбции и рекуперации

§ 14.1. Пожарная опасность процесса абсорбции

§ 14.2. Пожарная профилактика процессов адсорбции и рекуперации

Возможные пути распространения пожара

Глава 15. Пожарная профилактика процессов окраски и сушки веществ и материалов

§ 15.1. Пожарная опасность и профилактика процесса окраски

Окраска окунанием и обливанием

Окраска в электрическом поле высокого напряжения

§ 15.2. Пожарная опасность и профилактика процессов сушки

Глава 16. Пожарная профилактика процессов, протекающих в химических реакторах

§ 16.1. Назначение и классификация химических реакторов

§ 5. По конструктивному оформлению теплообменных устройств

§ 16.2. Пожарная опасность и противопожарная защита химических реакторов

Глава 17. Пожарная профилактика экзотермических и эндотермических химических процессов

§ 17.1. Пожарная профилактика экзотермических процессов

Процессы полимеризации и поликонденсации

§ 17.2. Пожарная профилактика эндотермических процессов

Дегидрирование

Пиролиз углеводородов

Глава 18. Изучение технологических процессов

§18.1. Информация о технологии производств, необходимая работнику пожарной охраны

§ 18.3. Методы изучения технологии производств

Глава 19. Исследование и оценка пожаровзрывоопасности технологических процессов производств

§ 19.1. Категории пожаровзрывоопасности производств согласно требованиям сНиПов

§ 19.2. Соответствие технологии производств системе стандартов безопасности труда

§ 19.3. Разработка пожарно-технической карты

Глава 20. Пожарно-техническая экспертиза технологических процессов на стадии проектирования производств

§ 20.1. Особенности пожарного надзора на стадии проектирования технологических процессов производств

§ 20.2. Использование норм проектирования по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов производств

§ 20.3. Задачи и методика пожарно-технической экспертизы проектных материалов

§ 20.4. Основные решения пожарной безопасности, разрабатываемые на стадии проектирования производств

Глава 21. Пожарно-техническое обследование технологических процессов действующих производств

§ 21.1. Задачи и организация пожарно-технического обследования

§ 21.2. Бригадный метод пожарно-технического обследования

§ 21.3. Комплексное пожарно-техническое обследование предприятий отрасли

§21.4. Нормативно-технические документы пожарно-технического обследования

§ 21.5. Пожарно-техническая анкета как методический документ обследования

§ 21.6. Взаимодействие госпожнадзора с другими надзорными органами

Глава 22. Обучение рабочих и инженерно-технических работников основам пожарной безопасности технологических процессов производств

§ 22.1. Организация и формы обучения

§ 22.2. Учебные программы

§ 22.3. Методика и технические средства обучения

§ 22.4. Программированное обучение

Литература

Оглавление

§ 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа

Как было сказано выше, ректификация осуществляется в специальных аппаратах - ректификационных колоннах, которые являются основными элементами ректификационных установок.

Процесс ректификации может осуществляться периодически и непрерывно, независимо от типа и конструкции ректификационных колонн. Рассмотрим процесс непрерывной ректификации, с помощью которого происходит разделение жидких смесей в промышленности.

Ректификационная колонна - вертикальный цилиндрический аппарат со сварным (или сборным) корпусом, в котором расположены массо- и теплообменные устройства (горизонтальные тарелки 2 или насадка). В нижней части колонны (рис. 13.3) имеется куб 3, в котором происходит кипение кубовой жидкости. Нагревание в кубе осуществляется за счет глухого пара, находящегося в змеевике или в кожухотрубчатом подогревателе-кипятильнике. Неотъемлемой частью ректификационной колонны является дефлегматор 7, предназначенный для конденсации пара, выходящего из колонны.

Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Предварительно нагревается до кипения исходная смесь, подлежащая разделению. Она подается на питательную тарелку 5, которая делит колонну на две части: нижнюю (исчерпывающую) 4 и верхнюю (укрепляющую) 6. Исходная смесь с питательной тарелки стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, обедняясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. В нижней части колонны идет процесс извлечения (исчерпывания) легколетучего компонента из исходной смеси и переход его в пар. Некоторая часть готового продукта (ректификата) подается на орошение верхней части колонны.

Жидкость, поступающую на орошение верха колонны и перетекающую по колонне сверху вниз, называют флегмой. Пар, взаимодействуя с флегмой на всех тарелках верхней части колонны, обогащается (укрепляется) легколетучим компонентом. Пар, выходящий из колонны, направляется в дефлегматор 7, в котором осуществляется его конденсация. Образующийся дистиллят делится на два потока: один в виде продукта направляется на дальнейшее охлаждение и на склад готовой продукции, другой направляется обратно в колонну в качестве флегмы.

Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. На рис. 13.4 изображена схема устройства и работы колпачковой тарелки. Она имеет дно 1, герметически соединенное с корпусом колонны 4, паровые патрубки 2 и сливные патрубки 5. Паровые патрубки предназначены для пропускания поднимающихся с нижней тарелки паров. По сливным патрубкам жидкость стекает с вышележащей тарелки на нижележащую. На каждый паровой патрубок монтируется колпачок 3, с помощью которого пары направляются в жидкость, барботируют через нее, охлаждаются и частично конденсируются. Дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. Кроме того, при частичной конденсации пара выделяется тепло. За счет этого тепла жидкость на каждой тарелке кипит, образуя свои пары, которые смешиваются с парами, поступившими с нижележащей тарелки. Уровень жидкости на тарелке поддерживается с помощью сливных патрубков.

Рис. 13.3. Схема ректификацион­ной колонны: / - корпус; 2 - тарелки; 3 - куб; 4, 6 - исчерпывающая и укрепляющая части колонны; 5 -питательная тарелка; 7 - дефлегматор

Процессы, протекающие на тарелке, можно описать следующим образом (см. рис. 13.4). Пусть на тарелку поступают пары состава Л с нижней тарелки, а с верхней тарелки по переливной трубке стекает жидкость состава В. В результате взаимодействия пара А с жидкостью В (пар, барботируя через жидкость, частично ее испарит, а сам частично сконденсируется) образуется новый пар состава С и новая жидкость состава D , находящиеся в равновесии. В результате работы тарелки новый пар С богаче легколетучим веществом по сравнению с поступившим с нижней тарелки паром А, то есть на тарелке пар С обогатился легколетучим веществом. Новая жидкость D , наоборот, стала беднее легколетучим веществом по сравнению с поступив­шей с верхней тарелки жидкостью В, то есть на тарелке жидкость обедняется легколетучим и обогащается труднолетучим компонентом. Короче, работа тарелки сводится к обогащению пара и обеднению жидкости легколетучим компонентом.

Рис. 13.4. Схема устройства и работы колпачковой тарелки: /- дно тарелки; 2 -паровой патрубок;

3 - колпачок; 4 - корпус колонны; 5 - сливной патрубок

Рис. 13.5. Изображение работы ректификационной тарелки на диаграмме у -х: 1 - равновесная кривая;

2 - линия рабочих концентраций

Тарелка, на которой достигается состояние равновесия между поднимающимися с нее парами и стекающей жидкостью, называется теоретической. В реальных условиях из-за кратковременного взаимодействия пара с жидкостью на тарелках не достигается состояние равновесия. Разделение смеси на реальной тарелке идет менее интенсивно, чем на теоретической. Поэтому для выполнения: работы одной теоретической тарелки требуется больше чем одна реальная тарелка.

На рис. 13.5 изображена работа ректификационной тарелки с использованием диаграммы у -х. Теоретической тарелке соответствует заштрихованный прямоугольный треугольник, катетами ко­торого являются величина приращения концентрации легколетучего компонента в паре, равная ус -y а , и величина уменьшения концентрации легколетучего компонента в жидкости, равная x B - x D . Отрезки, соответствующие указанным изменениям концентраций, сходятся на равновесной кривой. Тем самым предполагается, что фазы, покидающие тарелку, находятся в состоянии равновесия. Однако в действительности состояние равновесия не достигается, и отрезки изменения концентраций не достигают равновесной кривой. То есть рабочей (действительной) тарелке будет соответствовать меньший треугольник, чем тот, который изображен

на рис. 13.5.

Конструкции тарелок ректификационных колонн весьма разнообразны. Рассмотрим кратко основные из них.

Колонны с колпачковыми тарелками широко применяются в промышленности. Использование колпачков обеспечивает хороший контакт между паром и жидкостью, эффективное перемешивание на тарелке и интенсивный массообмен между фазами. По форме колпачки могут быть круглыми, многогранными и прямоугольными, тарелки - одно- и многоколпачковыми.

Тарелка с желобчатыми колпачками показана рис. 13.6. Пар с нижней тарелки проходит в зазоры и попадает в верхние (опрокинутые) желоба, которые направляют его в нижние желоба, заполненные жидкостью. Здесь пар барботирует через жидкость, что обеспечивает интенсивный массообмен. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством.

Колонны с ситчатыми тарелками показаны на рис. 13.7. Тарелки имеют большое количество отверстий малого диаметра (от 0,8 до 3 мм). Давление пара и скорость его прохода через отверстия должны находиться в соответствии с давлением жидкости на тарелке: пар должен преодолевать давление жидкости и препятствовать ее утечке через отверстия на нижележащую тарелку. Поэтому ситчатые тарелки требуют соответствующего регулирования и весьма чувствительны к изменению режима. В случае уменьшения давления пара жидкость с ситчатых тарелок уходит вниз. Ситчатые-тарелки чувствительны к загрязнениям (осадкам), которые могут забивать отверстия, создавая условия образования повышенных давлений. Все это ограничивает их применение.

Насадочные колонны (рис. 13.8) отличаются тем, что в них роль тарелок выполняет так называемая «насадка». В качестве насадки используют специальные керамические кольца (кольца Рашига), шарики, короткие трубки, кубики, тела седловидной, спиралевидной и т. п. формы, изготовленные из разнообразных материалов (фарфора, стекла, металла, пластмассы и др.).

Пар поступает в нижнюю часть колонны из выносного кипятильника и движется вверх по колонне навстречу стекающей жидкости. Распределяясь по большой поверхности, образуемой насадочными телами, пар интенсивно контактирует с жидкостью, обмениваясь компонентами. Насадка должна иметь большую поверхность в еди­нице объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и пара, обладать высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость.

Насадочные колонны имеют небольшое гидравлическое сопротивление, удобны в эксплуатации: легко опорожняются, промываются, продуваются, очищаются.

Пожарная безопасность процесса ректификации

Ректификация - это метод разделения смеси на чистые компоненты, осуществляемый путем многократного чередования процессов испарения жидкой фазы и конденсации паров.

Физическая сущность процесса заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При определенном числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих компонентов и жидкость, состоящую в основном из высококипящих компонентов.

Процесс ректификации можно проводить, в простейшем случае, в многоступенчатой установке. В первой ступени такой установки испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров первой ступени. В третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров). Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако, выход этой фазы будет достаточно мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, такие установки громоздки и их эксплуатация сопровождается большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается путем проведения процессов ректификации в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.

Работа ректификационных колонн основана на создании двух встречных потоков – поднимающихся паров и стекающих навстречу им жидкости. Контакт между ними происходит на горизонтальных тарелках, причем пар, подходящий к тарелкам, имеет температуру несколько более высокую, чем жидкость, находящаяся вних. Внутренний объем колонны условно разбивается на три части – эвапорационной, укрепляющей, исчерпывающей. В первом объеме происходит испарение подаваемой жидкости. Подача производится в среднюю часть колонны, так как в этой части состав флегмы примерно равен составу раствора подлежащего ректификации. Подогретая смесь поступает в питающую тарелку колонны и частично испаряется. Паровая фаза движется вверх, а неиспарившаяся смешивается с флегмой и стекает вниз. Часть колонны, расположенная выше ввода начальной смеси называется укрепляющей, так как в ней паровая фаза укрепляется легкими фракциями. Часть колонны, находящаяся ниже ввода начальной смеси называется исчерпывающей, так как в ней из стекающей вниз флегмы отгоняются (исчерпываются) оставшиеся легкие фракции.

Для обеспечения нормальной работы ректификационной колонны необходимо постоянное наличие восходящего потока пара и нисходящего потока флегмы. Для получения пара в нижней части колонны предусмотрена система обогрева. Процесс ректификации может осуществляться при атмосферном давлении, под вакуумом, под избыточным давлением при пониженной температуре. В основном процесс ректификации осуществляется при давлении близком к атмосферному. Вакуумной ректификации подвергают смеси веществ склонных к термическому распаду или полимеризации при высоких температурах. Низкотемпературная ректификация применяется для разделения растворов, имеющих низкую температуру кипения.

Рассмотрим принцип действия ректификационной колонны, входящей в состав ректификационной установки непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарных смесей.

Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат со сварным или сборным корпусом 1 . Исходная смесь предварительно нагревается в подогревателе 5 и подается в среднюю часть колонны. В нижней части колонны обеспечивается подогрев жидкости до температуры кипения. Образующиеся при этом пары поднимаются вверх по колонне и создают восходящий поток. В верхней части колонны пары отбираются и поступают в дефлегматор 3, где происходит их частичная конденсация. Смесь флегмы (жидкости, полученной в результате частичной конденсации пара) и несконденсировавшегося пара из дефлегматора подается в сепаратор 4 на разделение. Пар из сепаратора поступает в конденсатор-холодильник 6 на полную конденсацию и там же происходит охлаждение дистиллята (ректификата), а флегма направляется обратно в колонну и создает в ней нисходящий поток.

Таким образом, в ректификационной колонне создаются два встречных потока – поток поднимающихся вверх паров и поток стекающей навстречу им жидкости. Контакт между ними происходит на специальных тепломассообменных устройствах, расположенных по высоте колонны с определенным шагом. Такие устройства выполняются в виде горизонтальных тарелок или насадок.

Сущность теплообменных процессов. В колпачковой колонне каждая тарелка имеет несколько отверстий с невысокими патрубками 3, предназначенными для пропускания паров, поднимающихся снизу. На тарелках колонны всегда имеется слой флегмы. Сверху каждого парового патрубка монтируется колпачок 2 , нижние края которого погружены в жидкость. Колпачки у основания имеют зубчатые прорези для дробления пара на мелкие струйки. Тем самым увеличивается площадь контакта между парами и жидкостью. Так как флегма несколько холоднее паров, последние, барботируя через слой жидкости, охлаждаются и частично конденсируются. В процессе конденсации паров выделяется некоторое количество теплоты. Кроме того, дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. За счет этого тепла флегма нагревается и кипит. Уровень флегмы на каждой тарелке поддерживается с помощью переливных труб 4, которые связывают между собой все тарелки.

Таким образом, на тарелках происходит обогащение флегмы высококипящим компонентом (за счет частичной конденсации паров). А восходящие потоки пара обогащаются низкокипящим компонентом. Поскольку пары по мере продвижения снизу вверх все больше обогащаются низкокипящим компонентом, температура кипения жидкости на тарелках (снизу вверх) становится все ниже и ниже. При этом флегма, стекающая с тарелки на тарелку все больше обогащается высококипящим компонентом, и поэтому на нижних тарелках температура кипения максимальна. В результате многократного протекания процесса теплообмена пар, отводимый из верхней части колонны, представляет собой почти чистый низкокипящий компонент, а остаток в нижней части колонны – чистый высококипящий компонент.

Из вышесказанного следует, что для нормальной работы любой ректификационной колонны необходимо : чтобы исходный продукт был предварительно нагрет, непрерывно происходило орошение верхней части колонны, и подогрев нижней части.

Следует обратить внимание на то, что в промышленности чаще всего разделяют не бинарные, а многокомпонентные смеси. В этом случае для разделения смесей на три и более фракций применяют несколько последовательно работающих простых колонн или специальные сложные колонны, состоящие из нескольких простых.

В идеальном случае на каждой тарелке колонны паровая фаза и флегма находятся в состоянии фазового равновесия и, следовательно, каждой тарелке соответствует одна из точек, лежащей на кривой равновесия (рассматривали в начале лекции). В действительности полное равновесие фаз на тарелках ректификационной колонны не достигается. Это учитывается путем введения коэффициента полезного действия.

Для приближения к фазовому равновесию действительных концентраций жидкости и пара разработаны различные конструкции тарелок и насадок. Тарелки или насадки являются наиболее важным конструктивным элементом ректификационных колонн. Именно на них происходит процесс тепломассообмена между восходящим потоком пара и флегмой.

Ректификационные колонны в которых тепломассообменные устройства выполнены в виде тарелок называют барботажными , так как пар барботируется через слой флегмы. Если тепломассообменные устройства выполнены в виде различных насадок, то колонны называют насадочными .

Барботажные ректификационные колонны могут иметь тарелки со сливными устройствами или без них. Тарелки со сливными устройствами. К ним относятся колпачковые, ситчатые и клапанные.

Для разделения растворов используют колпачковые тарелки . Это связано с тем, что данный тип обеспечивает хороший контакт между паром и флегмой на тарелках. Смесь паров, поднимаясь, проходит патрубки (рис 3, методический материал) и, ударяясь о колпачки, барботирует сквозь слой флегмы на тарелках. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для дробления пара на мелкие струи. Приток и отток жидкости регулируют с помощью переливных трубок.

Ситчатые тарелки , имеют большое количество мелких (от 0,8 до 3мм) отверстий. Пар, проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Важным требованием является постоянные скорость движения пара и его давление, достаточное для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и предотвращающее ее стекание через отверстия.

Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Но они чувствительны к наличию примесей, которые забивают отверстия тарелок и создают условия для образования повышенных давлений. В случае значительного снижения давления пара вся жидкость с ситчатых тарелок сливается вниз и для возобновления процесса приходится запускать колонну вновь. Указанное накладывает существенные ограничения на использование данного типа тарелок.

Клапанные тарелки. Имеют отверстия перекрывающиеся специальными клапанами, которые поднимаются в зависимости от величины давления пара. При подъеме клапана образуется зазор, через который проходит пар барботирующийся через слой жидкости. С изменением давления клапан закрывается под действием силы собственной тяжести. Высота подъема клапана не превышает 8 мм. Достоинством таких тарелок является сравнительно высокая пропускная способность по пару, высокая эффективность в широком интервале нагрузок. Недостаток – повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана.

Тарелки без сливных устройств. Их особенностью является то, что пар и флегма проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелках одновременно с взаимодействием флегмы и пара путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку. Жидкость «проваливается». Выделяют дырчатые тарелки, решетчатые, трубчатые, волнистые.

Насадочные колонны. Тепломассообмен между паром и флегмой протекает в объеме насадок, выполненных из твердых тел различной формы (таблица с типами насадок). Принцип действия колонн. Пар из исчерпывающей части движется вверх по колонне навстречу стекающей жидкости. Распределяясь по большой поверхности насадочных тел пар интенсивно контактирует с жидкостью и теряет при этом часть высококипящего компонента и обогащается легкокипящим. Требования к насадкам – большая поверхность в единице объема, хорошая смачиваемость флегмой и равномерное ее распределение по всей насадке, малое гидравлическое сопротивление, химическая инертность, механическая прочность.