Ректификационные колонны

Ректификация — процесс разделения жидкостей на компоненты с помощью многократного испарения и конденсации. Используется основное свойство элементов смеси — разная температура парообразования. Если жидкость закипает быстрее или одновременно с паром, ректификация для этого раствора невозможна. Для эффективной работы требуется специальное оборудование — ректификационные колонны. В России они появились в 19 веке для очищения спирта на экспорт. Сейчас они широко применяются в химической, нефтеперерабатывающей, фармацевтической, парфюмерной, пищевой отрасли.

Принцип работы

Колонна представляет собой вертикальную трубу, установленную над перегонным кубом. Внутри цилиндра множество специальных перегородок. Пары нагретой смеси, которую надо разделить, поднимаются через наполнитель колонны. Конденсируются в холодильнике, оседают на верхней тарелке. Тяжёлые фракции будут стекать обратно вниз. Эту смесь называют флегма.

Поток пара и жидкости постоянно перемещается навстречу друг другу, возникает массообмен. В результате летучая фракция обогащается компонентами из флегмы, а тяжёлые части пара переходят обратно в жидкость. Процесс повторяется. В итоге сверху колонны — чистый пар, внизу — чистый мало летучий компонент раствора. Полученные продукты необходимой концентрации выводятся, и загружается новая смесь для разделения. Есть конструкции с непрерывным способом подачи и вывода готовых фракций.

Виды

В зависимости от наполнителя внутри трубы колонны делят на:

• тарельчатые;
• насадочные;
• роторные.

Тарельчатые колонны

Применяют на крупных производствах. В цилиндре через точное расстояние располагают тарелки разной формы: ситчатые, решетчатые, колпачковые, клапанные. К плюсам относят тонкое разделение множества фракций. К недостаткам — большой размер и высокую цену.

Насадочные колонны

Широко распространены, удобно использовать под вакуумом, для жидкостей с высоким пенообразованием. В цилиндре вместо тарелок — насадки. Бывают:

• Нерегулярные насадки. Хаотичный слой пористого материала. Большая контактная площадь, низкий вес.
• Регулярные. Сетки с отверстиями сформированы в кассеты. Эффективность — высокий КПД, нет перепада давления.
• Насадочные больше соответствуют современным требованиям разделения фракций.

Плюсы — экономичность, снижены затраты на энергию, оборудование. Не нужен подвод, отвод тепла, а также экологичность.

Роторные колонны

Поток пара и флегмы проходит через вращающийся ротор. Бывают:

• Распылительного типа. Жидкость распределяется капельно.
• Пленочные. Флегма образует плёнку.

К плюсам относят высокое качество ректификации и регулируемую скорость перегонки. Из недостатков — высокая стоимость и крупные габариты.

По принципу действия

Ректификационные колонны делят на:

• Периодического действия. Смесь загружают за один раз, разделяют до нужного состава элементов.
• Непрерывного. Процесс загрузки, выгрузки происходит без остановки.

Конструкции ректификационных колонн

Различают простые — для разделения на 2 фракции и сложные, предназначенные для получения 3-х и более компонентов. Поток пара образуется в перегонном кубе внизу колонны с помощью подогрева водяным паром, электрическим нагревателем. Движение жидкости происходит из-за отвода тепла в верхней части колонны.

Нижняя часть цилиндра — исчерпывающая, остаток смеси богат высококипящими компонентами. Верхняя — укрепляющая. Располагается дефлегматор, охлаждающий пар. Отводится продукт, богатый низкокипящими фракциями — дистиллят. В середине цилиндра для контакта жидкости и пара на определённом расстоянии устанавливают тарелки. Тип, размер отверстий подбирается под определённую смесь. Автоматикой контролируется расход жидкости, пропускная способность тарелок, температура, скорость пара, давление внутри колонны.

Для эффективности процесса тепломассообмена вычисляют КПД и область устойчивой работы тарелок. Отдельные части многокомпонентной смеси собирают с помощью боковых погонов. Большой выбор разнообразных конструкций, исходя из конкретной задачи, позволяет подобрать необходимую ректификационную колонну с максимально эффективным наполнением.

Использование ректификации позволяет добиться высокой концентрации заданных веществ и собирать одновременно несколько фракций в одной колонне. Полностью очищенный от примесей рафинированный концентрированный продукт можно получить только при помощи ректификационных колонн.