Пластиковые лодки 

Особенности устройства колпачковой колонны. Устройство и принцип работы ректификационной колонны Колпачковые тарелки в ректификационной колонне

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Физико-химические основы процесса

2. Физические свойства веществ, участвующие в процессе

3. Технологический расчёт

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

4.2 Расчётная часть

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

5.2 Расчётная часть

6. Конструктивный расчёт

6.1 Условные обозначения

6.2 Расчётная часть

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Перегонка и ректификация относятся к числу ведущих процессов химической технологии и составляют основу многих технологических процессов нефтегазопереработки. При этом нельзя не отметить, что из всех процессов ректификации, применяемых в химической технологии, более 80% приходится на нефтегазопереработку.

Перегонка и ректификация основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка - это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация - это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Принципиальная схема ректификационной колонны выглядит следующим образом:

Рисунок 1 - ректификационная колонна.

Ректификационная колонна? противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте осуществляется процесс тепломассообмена между стекающей вниз жидкостью (флегмой) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высоко кипящим компонентом, а паровая фаза - более низко кипящим.

Рассмотрим схему ректификационной установки непрерывного действия на рисунке 1. Внутри ректификационной колонны 1 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба-испарителя 2 (куб-испаритель может располагаться непосредственно под колонной). На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счёт конденсации - частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

Этот процесс имеет большое значение в химической технике. Достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жилкой смеси.

Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.

Суть процесса ректификации заключается в многократном повторяющемся по высоте колонны цикле испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний).

Для проведения процесса ректификации в основном используют два типа колонн:

· тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;

· насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.

Для разделения простых бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с небольшим числом тарелок устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число тарелок в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.

Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется.

Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

Для успешного взаимодействия флегмы, стекающей вниз по колонне, и пара, движущегося вверх, можно использовать любые другие контактные элементы, увеличивающие площадь и эффективность этого взаимодействия.

Для ректификационных колонн сверхмалого диаметра (10-70мм) более эффективным, по сравнению с тарелкой, контактным элементом является насадка. Насадка заполняет собой весь внутренний объем ректификационной части колонны. Существует множество различных типов насадок, например, регулярные насадки -- Спрейпак, Зульцер, Стедман; хаотичные (насыпные) -- керамические кольца Лессинга, Паля, Берля, наиболее распространенная - проволочная спирально-призматическая насадка.

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадок, например, спирально- призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.

Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).

В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью.

1. Фи зико-химические основы процесса

В рассмотренных процессах разделения бинарных жидких смесей обогащение достигается ректификацией восходящего потока паровой смеси, а накопление высококипящего компонента (исчерпывание низкокипящего) в кубовой жидкости - простой дистилляцией. Процесс разделения можно осуществить непрерывно, если производить обе операции ректификацией, использовав для этой цели две последовательно соединённые колонны: укрепляющую и исчерпывающую. В первом из этих колонн будет происходить обогащение паров, образующихся при частичном испарении жидкости смеси, низкокипящим компонентом (ректификация паров), а во второй - извлечение (отгонка, исчерпывание) этого компонента из стекающей вниз жидкой фазы (ректификация жидкости). Обе колонны располагаются чаще всего друг над другом, имея общий корпус, но могут также устанавливаться отдельно.

В ректификационной установке непрерывного действия исходная жидкая смесь состава X1 подаётся на нижнюю тарелку укрепляющей колонны, являющуюся одновременно верхней тарелкой исчерпывающей колонны; эта тарелка называется тарелкой питания. Укрепляющая колонна снабжена конденсатором и орошается потоком флегмы, обеспечивающим получение дистиллята требуемого постоянного состава.

С тарелки питания, где флегмы объединяются с исходной смесью, поток жидкости стекает в исчерпывающую колонну навстречу паровому потоку, образующемуся в дистилляционном кубе. Благодаря контакту с паром, обогащённым высококипящим компонентом, жидкость обедняется низкокипящим компонентом и стекает в дистилляционный куб, где часть её испаряется, а остальное количество непрерывно отводится в качестве кубового остатка. При подаче исходной смеси с температурой кипения и отсутствии потерь тепла в окружающую среду поток пара по высоте обеих колонн остаётся практически постоянным (D=const). Потоки жидкости в обеих колоннах различны: в укрепляющей колонне он равен количеству поступающей флегмы (W=const), а исчерпывающей он слагается из W и количества притекающей исходной смеси W1, поэтому W=W+W1.

Мы предполагали до сих пор, что разделяемая смесь поступает на тарелку питания ректификационной колонны при температуре кипения. В практике, однако, встречаются отклонения от этого режима; разделяемая смесь может иметь начальную температуру ниже точки кипения или находиться в парожидкостном и даже в парообразном состояниях. ,

2. Физические свойства веществ, участвующих в процессе

Исходные данные к расчёту.

Рассчитать ректификационную установку непрерывного действия для разделения F (кг/с) бинарной смеси с содержанием легко летучего компонента XF (% мольных), содержание низкокипящего компонента в дистилляте XP (% мольных), в кубовом остатке XW (% мольных). Продолжительность операции ф часов, давление в аппарате атмосферное, температурами охлаждающей воды в дефлегматоре и греющего пара обосновано задаться.

Выпишем необходимые справочные данные для веществ, участвующих в процессе:

Таблица 1 - Задание на курсовой проект.

Таблица 2 - Физические свойства веществ, участвующих в процессе.

3. Технологический расчёт

Таблица 3 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных %, температуры кипения (t) в ° С двойных смесей при 760 мм. рт.ст.

По данным о равновесных составах двойных смесей составим графики:

t - x - y диаграмму и x - y диаграмму.

Построение рабочей линии процесса.

XF=40 XP=90 XW=5

R - рабочее флегмовое число. Для вычисления рабочего флегмового числа, минимальное флегмовое число умножают на коэффициент избытка флегмы, который находится в пределах 1.2ч 2.5.

R=Rmin(1.2ч2.5).

Rmin - минимальное флегмовое число соответствует режиму работы колонны, когда весь получаемый конденсат идёт на орошение.

1.2ч2.5 - коэффициент избытка флегмы.

Основными параметрами, определяющими заданное разделение в процессе ректификации, являются флегмовое число (кратность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего орошения, вводимого в колонну, к количеству вещества. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить количество тарелок и наоборот. При минимальном флегмовом числе Rmin необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соответствуют оптимальному флегмовому числу и оптимальному числу тарелок.

Rmin =XP -YF/ YF -XF

max t - min t/10 = 56.2-39.3/10=2

Из графиков находим:

YF=57% tF=40 ° С

YP=78% tP=39.7 ° С

YW=19% tW=85 ° С

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

F - выход сходной смеси;

P - продукционный выход дистиллята;

W - выход кубовой жидкости;

aF, aP, aW - массовые доли низкокипящего компонента в потоке;

XF, XP, XW - мольные доли низкокипящего компонента в потоке;

YF, YP, YW - содержание низкокипящего компонента в парах над жидкостью;

Ф - расход флегмы.

4.2 Расчётная часть

1. колонна ректификации, точка водоисходной смеси условно делится на две части: нижняя - исчерпывающая колонна, верхняя - укрепляющая колонна;

Переведём мольные доли низкокипящего компонента в жидкой фазе в массовые.

1) aF=Мн.к.* XF / Мн.к.* XF+Мв.к.(1- XF)

aF=80*0.4/80*0.4+58(1-0.4)=0.48

2) aP= Мн.к.* XP / Мн.к.* XP+Мв.к.(1- XP)

aP=80*0.9/80*0.9+58(1-0.9)=0.93

3) aW= Мн.к.* XW / Мн.к.* XW+Мв.к.(1- XW)

aW=80*0.05/80*0.05+58(1-0.05)=0.068

Переведём массовый расход исходной флегмы в кг/с:

F` = =1.45 кг/с

Выход продукта вычисляем по формуле:

P=F`(aF-aW)/ aP - aW (4.2)

P=1.45(0.48-0.068)/0.93-0.068=0.7 кг/с

Выход кубовой жидкости вычисляем по формуле:

W=1.45-0.7=0.75 кг/с

Выход флегмы вычисляем по формуле:

Ф=0.7*4=2.8 кг/с

Расход паров в верхней части колонны вычисляем по формуле:

G=0.7+2.8=3.5 кг/с

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

Q - количество тепла, отданное греющим паром;

D` - расход пара, поступающего в рубашку колонны;

r - теплота конденсации паров (определяется по температуре греющего пара, который на 15-20 ° С выше температуры tW).

D`` - расход тепла в подогревателе;

rP - теплота конденсации паров;

g - расход охлаждающей воды;

G - выход паров в верхней части колонны;

C - теплоёмкость пара низкокипящего компонента;

tr - температура пара;

t1 - температура флегмы;

CВ - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг*К;

CF - теплоёмкость исходной смеси;

5.2 Расчётная часть

Тепло, пришедшее с исходной смесью:

Q1=F`*CF*tF (5.1)

CF=Cн.к.*aF/ Cн.к.*aF+Cв.к.(1- aF)

CF=946.625*0.48+2300(1-0.48)=1650.38 Дж/кг*К

Q1=1.45*1650.38*40=95722.04 Вт

Количество тепла, поступившее с флегмы:

Q2=Ф*Cф*tф (5.2)

Cф=Cн.к.* aP+ Cв.к.(1- aP)

Cф=946.625*0.93+2300(1-0.93)=1041.36 Дж/кг

tф=tp-15=39.7-15=24.7 К

Q2=2.8*1041.36*24.7=72020.46 Вт

Количество тепла, ушедшее с парами в верхней части колонны:

JP= rp+CP*tP (5.4)

rp=rн.к.*aP+ rв.к.(1-aP)

rp=334750*0.93+516000(1-0.93)=67257.5 Дж/кг

JP=67257.5+1041.36*39.7=108599.5 Дж/кг

Q3=3.5*108599.5=380098.5 Вт

Количество тепла, ушедшее с кубовой жидкости:

Q4=W*CW*tW (5.5)

CW=Cн.к.*aW+Cв.к.(1- aW)

CW=946.625*0.068+2300(1-0.068)=67257.5 Дж/кг

Q4=0.75*2208*51.3=84952.8 Вт

Потеря тепла составляет 3% от тепла, отданного греющим паром.

Qпотерь=0.03*D`*r (5.6)

Qпотерь=0.03*0.13*2321000=9052 Вт

D`==0.13 кг/с

Тепловой баланс дефлегматора.

Q 1 =G*r P =3.5*67257.5=235401.25 Вт (5.8)

Q 2 =G*C P (t P -t Ф)= 3.5*1041.36*(39.7-24.7)=54671.4 Вт (5.9)

Q= Q 1 + Q 2 =235401.25+54671.4=290072.65 Вт

Q=g*C воды (t 2 -t 1), температурами охлаждающей воды обоснованно задаться: t2=32 ° С и t 1 =22 ° С

g=Q/C воды* 10 ° С =290072.65 /4200*10=7 кг/с (5.10)

Q= 7*4200*10=294000 Вт

Определение общего расхода греющего пара на ректификацию.

Так как исходная смесь поступает нагретой до температуры кипения, определим расход пара на подогрев исходной смеси:

Qподогрева=F`*C F (t F -t), где t- температура хранения исходной смеси.

Qподогрева=1.45*1650.38(40-20)=47861.02 Вт

Q подогрева =D``*r пара, отсюда D``= Q под / r пара (5.11)

D``=47861.02 /2273*10 3 =0.021 кг/c

Общий расход пара на реакцию определяется:

D=0.13+0.021=0.151 кг/c

6. Конструктивный расчёт

6 .1 Условные обозначени я

ректификационный тарельчатый пар дистиллят

Д - диаметр колонны;

w - оптимально допустимая скорость паров в колонне;

с - коэффициент, учитывающий конструкцию тарелки;

с P - плотность дистиллята в жидком состоянии;

V - объёмный расход паров;

R - постоянная Больцмана;

Р - давление;

Т - температура дистиллята;

М ср. - средняя молекулярная масса.

6.2 Расчётная часть

Определение диаметра колонны:

1. Находим объёмный расход пара в верхней части колонны.

V=G*R*T/М ср. *Р, где R=8314 Дж/моль*К, P=10 5 Па (6.1)

T=t P +273 ° С (6.2)

М ср =М н.к. *X P +М в.к. (1- X P) (6.3)

T=39.7+273=312.7 К

М ср =80*0.9+58(1-0.9)=80 моль

V=3.5*8314*312.7/80*10 5 =1.14 м 3 /c

2. Определим оптимальную допустимую скорость пара в колонне

w=cv с P -с пара / с P (6.4)

По графику находим значение коофициента c, Выбираем колпачковые тарелки. Принимаем расстояние между тарелками HТ=300 мм, c=0.052 [Павлов, с. 323]

w=0.052v829.68-2.2/2.2=1.0088 м/с

3. Определим внутренний диаметр колонны

Принимаем стандартный диаметр колонны 1200 мм

Гидравлический напор.

Предварительно принимаем расстояние между тарелками HТ=0.3 м и коофициент вспениваемости ц=0.8

Скорость пара в рабочем сечении колонны равна:

w P =ц*w о (6.6)

w P =0.8*1.0088=0.81 м/с

Объёмный расход пара в колонне равен:

VП=G/ с P (6.7)

VП=3.5/2.7=1.3 м 3 /c

Рабочая площадь тарелки составит:

FP= VП/ w P (6.8)

FP=1.3/0.81=1.6 м 2

По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны диаметром:

Д=1200мм; периметр слива П=0.818 м; площадь слива F сл =0.099 м 2 ; площадь прохода пара F о =0.129 м 2 ; длину пути жидкости по тарелке l ж =0.856 м; зазор под сливным стаканом а=0.06 м; количество колпачков т=43; диаметр колпачка d к =100 мм

В задачу дальнейших гидравлических расчётов основных параметров тарелки входит определение высоты сливного порога h пор. , подпора жидкости над сливным порогом h сл. , высоты прорезей колпачка h пр. и, если это необходимо сопротивление тарелки ДP.

Из исходных данных имеем отношение ==1.25‹2. Следовательно, при определении величины h сл. Можно было бы не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности рассмотрим расчёт h сл. с учётом уноса жидкости.

Для того, чтобы найти величину У по уравнению (6.16), необходимо знать высоту пены на тарелке h пн. , которая рассчитывается по формуле (6.15), включающему, в свою очередь, величину h сл. и высоту h пор. .

Величину h сл рассчитываем предварительно без учёта уноса жидкости, тогда

h сл. =0.68(V ж. /П) 0.67 (6.9)

V ж =Ф/ с P (6.10)

с P =сН.К.* aP+сВ.К.(1-aP) (6.11)

с P =1263*0.93+792(1-0.93)=1230.04 кг/ м 3

V ж =2.8/1230.04=0.0023 м 3 /c

h сл. =0.68 () 0.67 =0.014 м

Для определения высоты сливного порога рассчитаем по уравнению (6.12) высоту прорезей в колпачках.

Примем колпачок с прямоугольными прорезями шириной b=4 мм. Количество прорезей в одном колпачке zКН=26. Общее количество колпачков на тарелке m=43.

h пр =0.46* (V П /mzb) 2 *с П /с ж -с П (6.12)

h пр =0.46* =0.03 м

Принимаем по таблице высоту прорези h пр =30 мм

В этом случае пар будет проходить через полностью открытые прорези и частично через нижнюю кромку колпачка. Для обеспечения этого примем высоту установки колпачка h у =10мм. Глубина барботажа при абсолютном давлении Р=98100Па, согласно уравнению (6.13) составит:

h г.б. =(0.7/с ж)р 0.35

h г.б. =()*(98100) 0.35 =0.028 м (6.13)

Найдём по уравнению (6.14) высоту сливного порога:

h пор. = h г.б -h сл. +h пр. +h у (6.14)

h пор. =0.028-0.014+0.03+0.01=0.054 м

Высота пены, образующейся на тарелке, в соответствии с формулой (6.15), составит:

h пн =К 2 /у 0.33 (К 3 *w р 2 *с П +К 4 *h сл +h пор) (6.15)

К 1 =23.0*10 -5

h пн =0.23/0.02 0.33 (4.4*10 -2 *(0.81) 2 *2.7+4.6*0.014+0.054)=0.2 м

Величина относительного уноса жидкости согласно уравнению (6.16) составит:

У=К 1 /у(w P /H Т -h пн.) n 1 (6.16)

У=23*10 -5 /0.02(0.81/0.3-0.2) 1.16 =0.010.1

Следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно.

Действительную нагрузку сливного устройства по жидкости рассчитываем по уравнению (6.17):

V ж.д. =V ж +G*У/с ж (6.17)

V ж.д. =0.0023+=0.00233 м 3 /c

Действительная величина подпора жидкости над сливным порогом

h сл. =0.68() 0.67 =0.013 м

мало отличается от ранее рассчитанной h сл. =0.014 м

Проверим работоспособность сливного устройства тарелки. Для этого рассчитаем скорость жидкости в сливном устройстве по формуле (6.18):

w ж.сл. =V ж.д. /F сл. <К 5 Н Т n 2 (6.18)

В соответствии с формулой (6.18) и данным таблицы комплекс:

F сл =0.099м 2

w ж.сл. ==0.024 м/с

К 5 Н Т n 2 =0.250(0.3) 0.65 =0.115

Следовательно, условие формулы (6.18) соблюдается и захлёбывания сливного устройства не произойдёт.

Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана рассчитываем по формуле (6.19):

w ж.з. =V ж.д. /(Па)<0.45 (6.19)

w ж.з ==0.0466 м/с <0.45

Из приведённых расчётов следует, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.

Сопротивление сухой тарелки определяем по формуле (6.20):

ДP c =ж c *с П *w о 2 /2 (6.20)

где скорость пара в паровых патрубках равна

w о =V П /F о (6.21)

w о ==6.6 м/с

Коэффициент сопротивления для колпачка диаметром D кл =100мм составит:

ж=1.73* D кл -0.25 (6.22)

ж=1.73*0.1 -0.25 =3.1

ДP c =3.1*2.7*(6.6) 2 /2=182.3 Па

Величина перепада уровня жидкости на тарелке в соответствии с формулой (6.23) составит:

Дh=0.1*лЭ*(lж*V ж 2 /П 2 (h пор + h сл.) 3 g (6.23)

Дh=0.1*16*(0.856*(0.0023) 2 /(0.818) 2 *(0.054+0.014) 3 *9.81=0.0023 м

Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по формуле (6.24):

ДPж=(h г.б + h пр + Дh/2) с ж *g (6.24)

ДPж=(0.028+)1230.04*9.81=532.8 Па

Общее сопротивление тарелки равно:

ДP= ДP c +ДPж (6.25)

ДP=182.3+532.8=715.1 Па

Найдём общую высоту колонны:

H=(n-1)h+Hверх.+Hнижн. (6.26)

H=(9-1)0.3+1+2=5.4 м

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Диаметры штуцеров рассчитываются по формуле (7.1)

1. Штуцер для ввода исходной смеси.

сF=сн.к.* aF+св.к.*(1- aF)

сF=1263*0.48+792*(1-0.48)=1018.08 кг/м 3

VF==0.0014 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=100 мм

2. Штуцер для выхода паров.

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=2.7*0.93+2.2*(1-0.93)=2.665 кг/м 3

Vпар==1.3 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=400 мм

3. Штуцер для входа флегмы.

VФ=Ф/ сP (7.5)

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=1263*0.93+792*(1-0.93)=1230.04 кг/м 3

VФ==0.0023 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY3=100 мм

4. Штуцер для выхода кубовой жидкости.

сw= сн.к.* aw+св.к.*(1- aw)

сw=1263*0/068+792(1-0.068)=824.028 кг/м 3

Vw==0.001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY4=100 мм

5. Штуцер для подачи греющего пара в рубашку аппарата.

V=D`/ сгр.п. (7.8)

сгр.п. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С выше, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 71.2 ° С.

сгр.п.=0.198 кг/м 3

Примем стандартный диаметр DY5=200 мм

6. Штуцер для выхода конденсата греющего пара

V=D`/ сконд. (7.9)

сконд.. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С ниже, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 31.2 ° С.

сконд.=998 кг/м 3

V==0.0001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY6=50 мм

Общая масса аппарата:

M=mобеч.+mдн. +mкр. (7.10)

mобеч.=*Дк*S* сст*H (7.11)

Подбираем днище и крышку аппарата:

V=421*10 -3 м 3

mдн.=mкр.=137 кг

Находим массу обечайки:

mобеч.=3.14*1.2*0.01*7850*5.4=1597.3 кг

По формуле (7.10) находим массу аппарата:

M=1597.3+137+137=1871.3 кг

Находим массу загрузки:

mзагр.=(Vкр.+Vдн.+Vк.) сср. (7.12)

сср.= сн.к+ св.к./2 (7.13)

сср.==1027.5 кг/м 3

Vк=*Дк 2 /4*H (7.14)

Vк=*5.4=6.1 м 3

По формуле (7.12) находим массу загрузки:

mзагр.=(0.421+0.421+6.1)1027.5=7133 кг

Масса нагрузки на опору с учётом запаса нагрузки 20 % :

P=(Mап.+ mзагр.)1.2*g/1000000 (7.15)

Заключение

Целью расчёта является расчёт ректификационной колонны тарельчатого типа. В ходе расчёта определили выход продукционного дистиллята и кубовой жидкости, расход флегмы, расход греющего пара, расход охлаждающей воды в дефлегматоре, габариты проектируемого аппарата, диаметр штуцеров, массу аппарата, а также максимальную загрузку на опору.

Список использованной литературы

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию, М., Химия, 1991 год.

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефте-химической технологии, М., Химия, 1987 год.

3. Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств, Л., 1970 год.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

    Описание технологической схемы, эксплуатация и конструкция аппарата ректификационной колонны. Материальный и тепловой баланс установки. Определение высоты и массы аппарата, подбор тарелок и опоры. Гидравлическое сопротивление насадки и диаметр штуцеров.

    курсовая работа , добавлен 30.10.2011

    Общее описание процесса ректификации. Разработка ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол. Технологический, гидравлический и тепловой расчет аппарата. Определение числа тарелок и высоты колонны, скорости пара и диаметра колонны.

    курсовая работа , добавлен 30.10.2011

    Схема ректификационной установки. Определение массовых и объемных расходов пара и жидкости вверху и внизу тарельчатой колонны. Гидравлическое сопротивление тарелок. Расчет теплообменных аппаратов: диаметра, изоляционного слоя и стенки корпуса колонны.

    курсовая работа , добавлен 04.06.2015

    Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.

    курсовая работа , добавлен 24.10.2011

    Средняя плотность пара в ректификационной колонне. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, получаемой в кубе-испарителе, в водяном холодильнике кубового остатка, в водяном холодильнике дистиллята. Расчет удельных диаметров фланцев.

    курсовая работа , добавлен 13.10.2011

    Способы определения расхода поглотительного масла, концентрации бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера. Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера. Определение требуемой поверхности нагрева в кубе колонны и расхода греющего пара.

    контрольная работа , добавлен 07.06.2011

    Технологическая схема процесса ректификации. Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок. Равновесные составы жидкости и пара. Материальный баланс процесса ректификации. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара.

    курсовая работа , добавлен 19.09.2014

    Теоретические основы процесса выпаривания. Устройство, принцип работы выпарного аппарата с выносной греющей камерой. Определение расхода охлаждающей воды, диаметра и высоты барометрического конденсатора. Расчет вакуумнасоса, теплообменного аппарата.

    курсовая работа , добавлен 19.06.2015

    Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Определение средних физических величин пара и жидкости. Высота газожидкостного слоя. Скорость пара в свободном сечении тарелки. Расчет гидравлического сопротивления колонны.

    курсовая работа , добавлен 24.10.2011

    Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

Многоколпачковая тарелка с круглыми колпаками - наиболее распространенная (рис. 7.68). Она имеет металлическое полотно с отверстиями для паровых патрубков, которые прикреплены к полотну.

Над патрубками устанавливаются колпачки, чаще всего диаметром 60 и 80мм. Колпачки имеют прорези высотой 15, 20 или 30мм Для создания необходимого уровня жидкости используют переливные трубки, которые располагаются по диаметру, или сегментные переливные перегородки. Прорези колпачков должны быть погружены в жидкость, потому переливные трубки и перегородки выступают над тарелкой на определенную высоту. Пар поступает через паровой патрубок, проходит через прорези и барботирует сквозь слой жидкости. При взаимодействии пара и жидкости образуется мелкопористая пена и проходит обмен компонентами между фазами. На тарелке имеет место перекрестное течение жидкости и пара. Эти тарелки принадлежат к группе барботажных контактных устройств. Жидкость перетекает вниз из тарелки на тарелку через переливные устройства (стаканы). Навстречу снизу вверх проходит пар.

Колпачковые контактные устройства имеют широкий интервал устойчивой работы, относительно высокий коэффициент полезного действия (0,5-0,7), но имеют большое гидравлическое сопротивление и могут использоваться для переработки чистой жидкости. Недостатком также является значительная металлоемкость и сложность изготовления.

Одноколпачковая тарелка работает аналогично многоколпачковой. Одноколпачковые тарелки хорошо работают в колоннах малого диаметра. С увеличением диаметра эффективность их работы уменьшается.

Многоколпачковые тарелки используются в колоннах брагоректификационных установок: эпюрационных, спиртовых, сивушных, конечной очистки. Используют их также в концентрационной части брагоперегонных установок для получения спирта-сырца. В современных установках эпюрационные колонны имеют 39-40 многоколпачковых тарелок, а спиртовые 71 - 74.

Бражные колонны брагоректификационной установки и истощающая часть колонны брагоперегонной установки оснащены одноколпачковыми тарелками. Они могут использоваться для перегонки бражки и других жидкостей, которые содержат суспендированные твердые частицы.

Сетчатая тарелка является одним из самых простых тарельчатых контактных устройств (рис. 7.69.). Это перфорированный металлический диск с отверстиями диаметром 2-12 мм, которые размещаются на плоскости тарелки по вершинам равносторонних треугольников. Тарелка укрепляется горизонтально в колонне. Для поддержания определенного уровня жидкости в колоннах малого диаметра применяются переливные трубки, нижние концы которых погружены в сплошные стаканы. В колоннах большего диаметра используют сегментные переливные перегородки. Пар, который поднимается в колонне, проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в слое жидкости в виде пузырьков и струек. При этом происходит массообмен между фазами. Сетчатые тарелки имеют большее свободное сечение (плоскость отверстий), чем колпачковые, потому производительность их по пару на 30-40 % превышает колпачковые. Уровень жидкости на тарелке поддерживается определенным давлением в колонне. При уменьшении давления жидкость может протечь через отверстия по всей плоскости тарелки или отдельных ее частях, что ухудшает массообмен. Это может произойти также при неточном установлении (перекосе) тарелок.

Сетчатые тарелки эффективны, просты в изготовлении, имеют малую металлоемкость, но нуждаются в точном горизонтальном монтаже.

Сетчатые тарелки применяются в бражных колоннах большого диаметра (> 1400 мм).

Провальные контактные тарелки .В этих тарелках пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия, потому они имеют больше, чем сетчатые, свободное сечение (12-20 %). Эти конструкции не нуждаются в переливных устройствах и имеют большую рабочую площадь.

Решетчатые провальные тарелки изготовляются из стальных или медных листов толщиной 3-5 мм. Щели штампуются или фрезеруются шириной 2-6 мм и длиной 60-200 мм. На соседних тарелках щели располагаются взаимно перпендикулярно. Такие тарелки просты по конструкции, их пропускная способность по жидкости больше чем в сетчатых, но они имеют узкий диапазон стабильной работы. Решетчатые провальные тарелки рекомендуется использовать в бражных колоннах.

Чешуеобразная тарелка (рис. 7.70) изготавливается из металлического листа, в котором в шахматном порядке штампуется арочная чешуя. Угол наклона составляет 15-20°. Изменение свободного сечения тарелки (рекомендуется 8-15 %) достигается изменением количества чешуек. Тарелка имеет утопленные приемные и сливные сегменты. К сливному сегменту прикреплена переливная труба. Поток пара, который перемещается в колонне, изменяет направление движения при прохождении через чешую, прорези которой направлены в сторону движения жидкости. Направленный паровой поток увеличивает скорость жидкости, которая перемещается с подъемом в сторону слива. В рабочем струйном режиме пар интенсивно турбулизирует жидкостной поток, значительная часть парожидкостной смеси поднимается над тарелкой и двигается в межтарельчатом пространстве. Чешуеобразные тарелки работают при высоких скоростях пара и незначительном брызговыносе, имеют высокую эффективность (КПД 0.5-0.7) .

Этот тип тарелок рекомендуется применять в бражных колоннах диаметром больше 1,4 м при перегонке бражки из измельченного зерно-картофельного сырья. Бражная колонна с чешуеобразными тарелками характеризуется широким диапазоном стабильной работы, большей на 20-40 % производительностью сравнительно с типичными бражными колоннами, способствует улучшению качества спирта.

Клапанные тарелки . Металлическое плоское полотно тарелки имеет круглые или квадратные отверстия, которые закрыты клапанами. Соответственно изготовляют дисковые и прямоугольные клапаны (рис. 7.71). При перемещении в колонне пара снизу вверх клапаны немного поднимаются, пар проходит сквозь прорез, который образовался, и контактирует с жидкостью, которая находится на тарелке. С увеличением количества пара клапан поднимается выше. Проходное сечение увеличивается, а скорость движения пара не меняется. Высота подъема клапана составляет 6-8 мм и ограничивается кронштейном-ограничителем. Клапанные тарелки оснащены также переливными устройствами и могут работать в режимах с перекрестным и прямоточным взаимодействием фаз. В последнем случае клапаны имеют ограничители разной длины.

На современном этапе клапанными тарелками оснащают бражные и эпюрационные колонны. В ректификационных установках для переработки вторичного сырья виноделия и дистилляции масляных мисцел используют вихревые контактные устройства.

§ 1.2 Тарельчатые колонны. Требования и типы конструкций тарелок

Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки.

Тарелки – это барботажное устройство, в котором при работе происходит массообменный процесс, т.е. переход компонента из одной фазы в другую в результате непосредственного контакта между рабочими средами.

В химической и нефтеперерабатывающей промышленности применяют тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 ÷ 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5 ÷ 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Обычно расстояния между тарелками принимают 250 ÷ 300 мм. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок в колоннах большого диаметра расстояние между ними увеличивают до 500 ÷ 600 мм.

Общий вид тарельчатой ректификационной колонны представлен на рисунке. Она состоит из корпуса 3, переливных патрубков 1 , коль­цевой опоры 4, опорных колец 6, тарелок 2 и выносного кипятильника 5 и имеет ряд штуцеров для подачи продуктов и установки приборов.

Из-за разнообразия массообменных процессов применяют тарелки различных типов: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйно-направленные, с S-образными элементами.

К тарелкам предъявляют следующие основные требования:

Они должны иметь высокий К.П.Д., т.е. обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром;

Они должны обладать малым гидравлическим сопротивлением;

Они должны устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости;

Они должны быть просты по конструкции;

Они должны быть удобны в эксплуатации;

Они должны быть нечувствительны к различным осадкам и отложениям.

Конструкции тарелок.

Колпачковые тарелки сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других типов.

Основной частью колпачковой тарелки (см. рисунок) является основа­ние 2 – стальной отбортованный диск толщиной 4 мм с отверстиями для установки паровых патрубков 3 и сегментной сливной трубы 1. Над паровыми патрубками установлены стандартные колпачки 4. Для создания необходимого уровня жидкости тарелка снабжена сливной перегородкой 10, к которой винтами прикреплена регулировочная планка 9. Перегородка 5 образует так называемый входной карман, в который погружается сливная труба выше расположенной тарелки. Нижняя тарелка установлена на кольце 15, приваренном к царге. Точность горизонтальной установки обеспечивается регулировочными винтами 14.

Для установки располагаемой выше тарелки служат стоики 1 , имеющие опорные плитки 8. Таким образом заполняют всю царгу.

Зазор между бортом основания тарелки и царгой уплотняют установкой сальниковой набивки 13 и зажатием ее прижимным кольцом 6 с помощью шпилек 11 и скоб 12.

Жидкость через сегментную сливную трубу заполняет тарелку на уровень, определяемый положением регулировочной планки 9 . Колпачки своими прорезями погружены в жидкость. Пар проходит снизу через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости; при этом проис­ходит массообмен. Жидкость переливается на ниже расположенную тарелку, а пар идет вверх.

Колпачки (см. рисунок) для тарелок изготавливают двух исполнений (I – нерегулируемые по высоте и II – регулируемые по высоте).

Колпачки 1 прикреплены к паровым патрубкам 2 специаль­ными болтами 5 , шайбами 3 и гайками 4. По краю колпачок имеет прорези шириной 4 мм и высотой 15; 20 или 30 мм.

Колпачки располагают на тарелке по вершинам равносторонних треугольников или в шахматном порядке. Расстояние между краями колпачков 40 ÷ 60 мм.

Ситчатая тарелка – это лист с пробитыми в ней круглыми (рисунок а ), щелевидными (рисунок б ) или просеченными треугольными (рисунок в ) отверстиями размером 2 ÷ 15 мм. Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях 10 ÷ 12 м/с.

Ситчатые тарелки просты в конструкции и эффективны. Их недостаток – необходимость точного регулирования заданного режима (особенно по расходу газа) и чувствительность к осадкам и отложениям, забивающим отверстия.

Ситчатые тарелки применяют в основном для колонн малого размера, т.к. при диаметрах более 2,5 м распределения жидкости на тарелке становится неравномерным.

Волнистая ситчатая тарелка

Клапанные тарелки. Основные элементы клапанной тарелки – подъемные клапаны (см. рисунок) круглой и прямоугольной формы, закрывающие отверстия в тарелке. Конструктивно клапан выполнен так, что подъем возможен только на определенную величину. При определенной скорости паров в отверстии клапаны уравновешиваются потоками пара и при дальнейшем увеличении нагрузки начинают подниматься таким образом, что скорость пара в сечении между клапаном и полотном тарелки остается примерно постоянной. Следствием этого является равномерное распределение пара по площади тарелки, уменьшение уноса жидкости и меньшее гидравлическое сопротивление.

Клапаны изготавливают штамповкой из листового металла толщиной 2 ÷ 3 мм. Диаметр дисковых клапанов 50 ÷ 100 мм, полная высота подъема 8 ÷ 15 мм. В крайнем нижнем положении между клапаном и плоскостью тарелки имеется зазор 1 ÷ 1,5 мм.

Тарелки струйно-направленные. Применяют для колонных аппаратов диаметром 1000 … 3600 мм. На штампованных секциях просечены и отогнуты под углом 30 или 40° полукруглые “язычки” (радиусом 20; 25 или 30 мм). Расстояние между соседними рядами язычков 50 мм. При поступлении снизу пара (газа) создается его струйно-направленное движение через слой находящейся на тарелке жидкости и происходит интенсивный барботаж.

Тарелка с S-образными элементами (см. рисунок). Их основное преимущество – простота конструкции и большая жесткость штампо­ванных элементов. S-образные элементы представляют собой кол­пачки с односторонним выходом пара. Пар из них выходит в том же направлении, что и движущаяся по тарелке жидкость.

Тарельчатые колонны для дистилляции имеют небольшую укрепляющую способность и традиционно используются при производстве виски, коньяка и других благородных напитков. Небольшое количество тарелок позволяет сохранить органолептику сырья при высокой стабильности и производительности аппарата.

Материал

Медные тарельчатые колонны со смотровыми окнами из-за своей похожести называют флейтами, а изготовленные в корпусе из стекла – хрустальными. Понятно, что эти названия всего лишь маркетинговый ход и к самой конструкции не имеют отношения.

Медь – материал недешёвый, поэтому и подход к его обработке тщательный. Медная флейта от ведущих производителей – произведение искусства и предмет их гордости. Стоимость изделия может составлять абсолютно любую сумму, которую готов потратить покупатель.

Ненамного дешевле флейты в корпусе из нержавеющей стали, а самый бюджетный вариант – в корпусе из стекла.

Конструктивные особенности и виды тарельчатых колонн

Наибольшее распространение получили модульные конструкции колонн на базе тройников-отводов или цилиндров из боросиликатного стекла. Естественно, это большое количество лишних соединительных деталей и завышенная стоимость.

Более простой вариант представляет собой готовые блоки на 5-10 тарелок. Здесь выбор шире, а цена умеренней. Как правило, этот вариант изготавливают в стеклянных корпусах.

Есть и совсем бюджетные варианты – просто вставки для существующих царг.

Их можно набирать из комплектующих в любом требуемом количестве.

Конструкция может быть разной, но если такие тарельчатые колонны применять с металлическими колбами, теряется наглядность процесса. Намного труднее понять, в каком режиме работает колонна, а для работы с тарелками это очень важно.

Для герметизации каждого этажа применяют простые силиконовые диски.

Естественно, это менее надежно, чем уплотнительные прокладки в модульных конструкциях, но в целом работают неплохо.

Как альтернатива существует упрощенная модульная конструкция, где каждый этаж собирается из простых и недорогих деталей, а вся конструкция стягивается воедино шпильками.

Преимуществом модульных колонн является в первую очередь их ремонтопригодность и открытость для модификаций. Например, легко дополнить колонну на нужном уровне узлом промежуточного отбора фракций и штуцером под термометр. Стоит всего лишь поменять тарелку.

Более дешевым вариантом являются колонны с ситчатыми тарелками. Это не означает, что качество продукта с их использованием будет хуже. Но они требуют более точного управления.

Еще более дешевы провальные тарелки, но их рабочий диапазон очень узок, поэтому нужно быть готовым к точному управлению нагревом источниками со стабилизированной мощностью. В основном провальные тарелки используют на НБК.

Наиболее распространенный материал для изготовления тарелок – медь, нержавейка и фторопласт. Возможно их любое сочетание. Медь и нержавейка материалы привычные, фторопласт – один из самых инертных материалов, сравнимый с платиной. Но вот его смачиваемость плохая.

Если сравнивать фторопластовую тарелку с нержавеющей, то она будет намного быстрее затапливаться.

Количество тарелок в колонне как правило ограничивают 5 для получения дистиллятов крепостью 88-92% и 10 для очищенных дистиллятов с укреплением до 94-95%.

Модульные колонны позволяют сделать набор нужного количества тарелок из различного материала.

Разница между насадочной и тарельчатой колонной

«У меня есть насадочная колонна, нужна ли мне тарельчатая?» – этот вопрос рано или поздно становится перед каждым винокуром. Обе колонны реализуют технологию тепломассообмена, но в их работе есть существенные отличия.

Количество ступеней укрепления

Насадочная колонна работает в режиме максимального разделения на предзахлебной мощности. Регулируя флегмовое число, можно менять количество теоретических тарелок в широком диапазоне: от нуля до бесконечности (при полностью отключенном дефлегматоре и работе колонны на себя).

Тарельчатой колонне характерно конструктивно заданное количество ступеней разделения. Одна физическая тарелка имеет КПД от 40 до 70 %. Другими словами, две физические тарелки дают одну ступень разделения (укрепления, теоретическую тарелку). В зависимости от режима работы КПД меняется не на столько, чтобы существенно повилять на количество ступеней.

Удерживающая способность

Насадочная колонна со своей малой удерживающей способностью позволяет хорошо очищать дистиллят от головной фракции и как-то сдерживать хвостовую.

Тарельчатая колонна имеет на порядок большую удерживающую способность. Это мешает ей сделать такую жесткую очистку от «голов», но позволяет прекрасно сдержать хвосты. То есть выровнять дистиллят по химическому составу. При этом чем больше нужно очистить дистиллят от примесей, тем больше тарелок требуется поставить. Простая задача, решаемая практически. Один раз нашел для себя оптимальное количество тарелок и больше не думаешь об этом.

Чувствительность к управляющим воздействиям

Насадочная колонна очень чувствительна к перепаду давления воды в дефлегматоре или изменению мощности нагрева. Небольшое их изменение приводит к изменению количества ступеней укрепления в разы или даже в десятки раз.

КПД тарелок может поменяться максимум в 1,5 раза, да и то при очень большом и целевом изменении этих параметров. Можно считать, что настроенная тарельчатая колонна, с точки зрения разделяющей способности, практически не будет реагировать на обычные небольшие перепады давления воды или напряжения.

Производительность

Производительность насадочной колонны в основном зависит от её диаметра. Оптимальным диаметром для современных насадок является 40-50 мм, при дальнейшем увеличении диаметра стабильность процессов падает. Начинают проявлять себя пристеночные эффекты и каналообразование. Тарельчатые колонны такими слабостями не страдают. Их диаметр и производительность можно увеличивать до любого необходимого значения. Лишь бы хватило мощности нагрева.

Технологические особенности получения ароматных дистиллятов

При использовании насадочных колонн для ограничения степени укрепления мы вынуждены применять более короткие царги и более крупную насадку. Иначе эфиры, дающие основную вкусоароматику дистилляту, создадут с примесями головной фракции азеотропы, затем быстро вылетят из куба. Отбор «голов» производим коротко, «тело» — на повышенной скорости. Что касается «хвостов», то малое количество насадки и короткая царга не дает полностью сдержать сивуху. К отбору хвостовых фракций приходится переходить раньше или работать с малыми кубовыми навалками.

Тарельчатая колонна имеет сравнительно большую удерживающую способность, поэтому с удержанием сивухи вопросов нет. Для отбора «голов» и «тела» 5-10 физических тарелок дают 3-5 ступеней укрепления. Это позволяет проводить перегон по правилам обычной дистилляции. Спокойно, без риска лишить дистиллят аромата, отбирать «головы», а при сборе «тела» не задумываться о преждевременном подходе «хвостов». Запотевание на нижних тарелках в конце отбора наглядно даст знать о необходимости поменять тару. Степень очистки можно задать, изменяя количество тарелок.

Пяти или десяти тарелок недостаточно, чтобы по степени очистки приблизиться к спирту, но попасть в требования ГОСТ по дистилляту реально.

Использование тарельчатых колонн при перегонке фруктового или зернового сырья особенно для дальнейшей выдержки в бочках значительно упрощает жизнь винокуру.

Основы выбора конструктивных размеров тарелок для колонны

Рассмотрим конструкции самых распространенных для бытовых целей тарелок.

Провальная тарелка

По своей сути это просто пластина с отверстиями, которые могут быть круглыми, прямоугольными, и т.д.

Флегма стекает в относительно крупные отверстия навстречу пару, что определяет главный недостаток провальных тарелок – необходимость точного регулирования заданного режима.

Небольшое уменьшение мощности нагрева приводит к тому, что вся флегма проваливается в куб, а увеличение мощности запирает флегму на тарелке и приводит к захлебу. Эти тарелки могут удовлетворительно работать в сравнительно узком диапазоне изменения нагрузок, где они вполне конкурентоспособны.

Простота конструкции и высокая производительность провальных тарелок, наряду с привычным в домашнем винокурении нагревом ТЭНами со стабилизированным по напряжению источником питания, привела к их широкому применению для непрерывных бражных колонн (НБК), что в сочетании с корпусом из боросиликатного или кварцевого стекла, делает настройку колонны простой и наглядной.

Для расчета количества и диаметра отверстий исходят из условия обеспечения барботажа. Экспериментально определено, что суммарная площадь отверстий должна быть равной 15-30% от площади тарелки (сечения трубы). В общем случае для БК периодического действия базовый диаметр отверстий порядка 9-10% от диаметра колонны позволяет попасть в рабочую зону.

Диаметр отверстий провальных тарелок для НБК подбирают, исходя из свойств сырья. Если при перегонке сахарной браги и вина достаточно отверстий диаметром 5-6 мм, то при перегонке мучных заторов диаметр отверстий 7-8 мм предпочтительнее. Впрочем, тарелки для НБК имеют свои особенности расчета, поскольку плотность паров по высоте колонны значительно меняется, то размеры необходимо просчитывать для каждой тарелки отдельно, иначе их работа будет далека от оптимальной.

Ситчатая тарелка с переливом

Если диаметры отверстий провальной тарелки сделать менее 3 мм, то уже при относительно небольшой мощности флегма будет запираться на тарелке и без дополнительных устройств перелива будет происходить её затопление. Но оборудованная такими устройствами ситчатая тарелка существенно расширяет свой рабочий диапазон.


Схема устройства ситчатой колонны:
1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан

С помощью переливных устройств на этих тарелках задается максимальный уровень флегмы, что позволяет избежать раннего затопления и более уверенно работать с высокой нагрузкой по пару. Это не мешает флегме при выключении нагрева полностью слиться в куб и перезапускать колонну придется с нуля, как и обычно для всех провальных тарелок.

При упрощенном расчете таких тарелок исходят из следующих соотношений:

  • суммарная площадь отверстий 7-15% от площади сечения трубы;
  • соотношение между диаметрами отверстий и шагом между ними около 3,5;
  • диаметр сливных трубок примерно 20% от диаметра тарелки.

В сливных отверстиях обязательно ставятся гидрозатворы, чтобы избежать прорыва пара. Ситчатые тарелки нужно устанавливать строго горизонтально для прохождения пара сквозь все отверстия и во избежание стекания флегмы сквозь них.

Колпачковые тарелки

Если вместо отверстий в тарелках сделать паропроводные трубки высотой больше, чем сливные трубки, и накрыть их колпачками с прорезями, то получим совершенно новое качество. Эти тарелки при отключении нагрева не сольют флегму. Разделенная по фракциям флегма останется на тарелках. Поэтому для продолжения работы достаточно будет включить нагрев.

Кроме того, такие тарелки имеют конструктивно закрепленный слой флегмы на поверхности, они работают в более широком диапазоне мощностей нагрева (нагрузок по пару) и изменениях флегмового числа (от полного отсутствия до полного возврата флегмы).

Немаловажно и то, что колпачковые тарелки имеют относительно высокий КПД – порядка 0,6-0,7. Все это, наряду с эстетичностью процесса, и определяет популярность колпачковых тарелок.

При расчете конструктива исходят из следующих пропорций:

  • площадь паровых трубок -порядка 10% от сечения колонны;
  • площадь прорезей – 70-80% от площади паровых трубок;
  • площадь слива 1/3 от суммарной площади паровых трубок (диаметр примерно 18-20% от диаметра сечения трубы);
  • нижние тарелки проектируют с большим уровнем флегмы и большим сечением прорезей для того, чтобы они работали как удерживающие;
  • верхние тарелки изготавливают с меньшим уровнем флегмы и сечением прорезей для того, чтобы они работали как разделяющие.

Исходя из графиков, приведенных у Стабникова, видим, что при слое флегмы в 12 мм (2 кривая) максимальный КПД достигается при скорости пара порядка 0,3-0,4 м/с.

Для колонны в 2” с внутренним диаметром 48 мм необходимая полезная мощность нагрева составит:

N = V * S / 750;

  • V – скорость пара в м/с;
  • N – мощность в кВт, S – площадь сечения колонны в мм².

N = 0,3 * 1808 / 750 = 0,72 кВт.

Можно подумать, что 0,72 кВт определяют небольшую производительность. Возможно, с учетом доступной мощности стоит увеличить диаметр колонны? Наверно, это правильно. Распространенные диаметры кварцевых стёкол для диоптров – 80, 108 мм. Возьмем 80 мм с толщиной стенки 4 мм, внутренний диаметр 72 мм, площадь сечения 4069 мм². Пересчитаем мощность – получим 1,62 кВт. Ну уже получше, для домашней газовой плиты подходит.

Выбрав диаметр колонны и расчетную мощность, определим высоту переливной трубочки и расстояние между тарелками. Для этого воспользуемся следующим уравнением:

V = (0,305 * H / (60 + 0,05 * H)) — 0,012 * Z (м/с);

  • H – расстояние между тарелками;
  • Z – высота трубочки перелива (т.е. толщина слоя флегмы на тарелке).

Скорость пара 0,3 м/с, высота тарелки не должна быть меньше её диаметра. Для нижних тарелок высота слоя флегмы побольше. Для верхних поменьше.

Рассчитаем наиболее близкие варианты сочетаний высот тарелок и перелива, мм: 90-11; 100-14; 110-18; 120-21. С учетом того, что стандартное стекло имеет высоту 100 мм, для модульной конструкции выбираем пару 100-14 мм. Естественно, это всего лишь наш выбор. Можно взять и больше, тогда лучше будет защита от брызгоуноса с увеличением мощности.

Если конструкция не модульная, то простора для творчества больше. Можно сделать нижние тарелки с большей удерживающей способностью 100-14, а верхнюю с большей разделительной – 90-11.

Колпачки выбираем из стандартных и доступных размеров. Например, заглушки для медной трубы 28 мм, паровые трубы – труба 22 мм. Высота паровой трубки должна быть больше, чем у переливной, скажем 17 мм. Зазоры для прохода пара между колпачком и паровой трубой должны иметь большую площадь сечения, чем у паровой трубы.

Прорези для прохождения пара в каждом колпачке обязательно площадью сечения порядка 0,75 от площади паровой трубы. Форма прорезей особой роли не играет, но их лучше выполнять максимально узкими, чтобы пар разбивался на более мелкие пузырьки. Это увеличивает площадь соприкосновения фаз. Увеличение количества колпачков так же идет на пользу процессу.

Режимы работы колонны тарельчатого типа

Любые барботажные колонны могут работать в нескольких режимах. При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде пузырьков движется сквозь слой флегмы. Поверхность контакта фаз минимальна. При повышении скорости пара (мощности нагрева) отдельные пузырьки на выходе из прорезей сливаются в сплошную струю, а через небольшие расстояния из-за сопротивления барботажного слоя, струя распадается на множество мелких пузырьков. Образуется обильный пенный слой. Зона контакта – максимальна. Это пенный режим.

Если продолжить повышать скорость подачи пара, то длинна струй пара увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя не разрушаясь, образуя большое количество брызг. Площадь контакта снижается, эффективность тарелки падает. Это струйный или инжекционный режим.

Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Поэтому даже при расчете промышленных колонн определяют только скорости пара по нижнему и верхнему пределу работы. Рабочую же скорость (мощность нагрева) просто выбирают в этом диапазоне. Для домашних же колонн проводится упрощенный расчет на некую среднюю мощность нагрева, чтобы осталась возможность для регулировок в процессе работы.

Желающим провести более точные расчеты можно порекомендовать книгу А.Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической промышленности».

P. S. Вышеизложенное не является полноценной методикой, позволяющей рассчитать оптимальные размеры каждой тарелки применительно к любому конкретному случаю и не претендует на точность или наукообразность. Но всё же этого достаточно, чтобы сделать рабочую тарельчатую колонну своими руками или разобраться в достоинствах и недостатках колонн, предлагаемых на рынке.

Существует довольно много устройств и приспособлений для переработки продуктов брожения посредством дистилляции. Одним из таких устройств, получивших повсеместное распространение, является обычный самогонный аппарат. Примитивный агрегат обладает довольно простой конструкцией и состоит из бака и сухопарника. Однако некоторые умельцы, предпочитающие натуральный продукт высокого качества, для переработки браги также используют такие устройства, как дистилляционные колонны. Что это такое и зачем они нужны, вы узнаете далее.

Общая информация

Обычный ректификационный самогонный аппарат, обладающий примитивной конструкцией, который использует большинство обывателей, не позволит получить высококачественный самогон. Для этого нужны модернизированные приборы, которые по своим конструктивным особенностям и принципу работы аналогичны промышленным агрегатам, используемым на спиртовых заводах. Однако вся проблема заключается в том, что они не только довольно сложны в использовании, но и требуют определенных знаний и приспособлений для изготовления в домашних условиях.

Основное отличие промышленного оборудования от любительских самогонных аппаратов заключается в том, что в них предусмотрены дистилляционные колонны. Сделать их может каждый человек, у которого есть хоть какой-то опыт работы с электрическими инструментами, а все необходимые детали без особого труда можно приобрести в магазине. При этом следует учитывать размеры и колонны. Все дело в том, что они должны быть определенных пропорций. Если их не соблюсти, то у вас получится не модернизированный самогонный аппарат промышленного типа, а обычный дистиллятор.

Предназначение колпачковой колонны

Колпачковые колонны обладают более простой конструкцией, в связи с чем они получили более широкое распространение. Поэтому процесс модернизации самогонного аппарата мы рассмотрим именно на ее примере. Однако перед тем, как поговорить о том, как ее сделать, необходимо разобраться в предназначении и принципе работы.

Колпачковая колонна для дистилляции выполняет функцию тепломассобмена между паром и жидкостью. Они могут обладать различным количеством колпачков, чем больше которых будет, тем больше в устройстве точек преобразования пара в жидкость, и тем большее количество готового продукта будет на выходе.

Принцип работы

Как уже упоминалось ранее, колонна может иметь различное количество колпачков. В процессе переработки браги колпачки нагреваются, а их температура возрастает сверху вниз. Каждый колпачок имеет несколько отверстий, сквозь которые стекает флегма и попадает на колпачок, расположенный ниже. Таким образом, происходит несколько процессов повторного испарения, в результате чего на выходе получается вода с более высокой температурой кипения. Благодаря этому получается спирт с большим градусом.

Чтобы было понятнее, стоит рассмотреть это на конкретном примере. Давайте представим, что у нас есть колпачковая колонна для дистилляции высотой 50 см и с десятью колпачками. За один цикл переработки браги она обеспечивает до 40 повторных процессов испарения, благодаря чему на выходе получается чистый спирт, кратность чистоты которого соответствует общему количеству испарений.

Особенности использования колонн при перегонке спирта

Если ректификационный самогонный аппарат оснащен колонной колпачкового типа, то при переработке браги в домашних условиях следует отсекать хвосты. Все дело в том, что именно в самом первом самогоне, выходящем в начале перегонки, содержатся вредные и опасные для организма вещества, такие как эфиры, метиловый спирт, ацетон и альдегиды, употребление которых может быть опасно для жизни. Поэтому чтобы получить чистый, качественный и безопасный самогон, рекомендуется использовать дробную перегонку.

Что касается оптимальной температуры, то в процессе первой перегонки она должна быть в районе 73 градусов, а при повторной ее следует увеличить до 78 градусов. На объем чистого продукта на выходе это никак не скажется.

Как сделать колпачковую колонну своими руками?

Итак, мы рассмотрели принцип работы колпачковой колонны, поэтому самое время приступать к ее изготовлению. Первым делом вам необходимо купить в магазине колпачковые тарелки, которые являются главным компонентом этого приспособления. Если они у вас уже есть, то никаких проблем с производством колонны в домашних условиях не возникнет. Стоит отметить, что тарелки можно сделать и самому, однако процесс этот довольно сложный и хлопотный, поэтому лучше купить уже готовые.

Как уже упоминалось ранее, очень важно соблюсти правильное соотношение прибора, поэтому первым делом следует выполнить расчет колпачковой ректификационной колонны. Диаметр шахты по отношению к ее высоте должен быть не менее 1 к 8. Если этого не сделать, то из спирта не будут полностью удаляться вредные примеси, что существенно снизит его качество.

Помимо колпачковых тарелок, также понадобится:

  • медная пластина;
  • стеклянная или медная трубка высотой 75 мм и диаметром 10 мм.

Первым делом из нужно вырезать круги диаметром 10 мм и проделать в них четыре отверстия. Два из них должны находиться в центре диска, а два - по краям и иметь диаметр один миллиметр. В эти отверстия необходимо вставить медные трубки соответствующего диаметра, по которым будет осуществляться подача пара. Для обеспечения герметичности все отверстия рекомендуется пропаять.

Далее на десятимиллиметровые трубки насаживаются колпачковые тарелки таким образом, чтобы они соприкасались с дисками. Для фиксации колпачком можно использовать обычные саморезы по металлу. В верхней части трубки проделываются небольшие отверстия диаметром 1 мм. Чем больше будет отверстий, тем лучше выполнит свои функции тарельчатая колонна. Снизу трубки подрезаются на 2 миллиметра.

Таким образом, у вас будет готов один элемент колонны. Для одного самогонного аппарата их необходимо от 5 до 8. Для фиксации каждой тарелки на самогонном аппарате используют небольшие штыри, которые обеспечивают тарелкам хорошую устойчивость и позволяют без проблем снимать их для чистки.

При переработке браги, колпачковые колонны соединяются с холодильником при помощи двух термопар, которые находятся в нижней части прибора и на кубе. Пароотводящий патрубок должен находиться немного ниже резьбы, приблизительно на один сантиметр.

Как это работает?

В процессе перегонки горячий пар поступает по трубкам из резервуара с брагой, который стоит на огне, в пространство над первым колпачком, где он преобразовывается в жидкость, стекающую через отверстия на тарелку. Постепенно жидкости становится все больше. После того как уровень поднимется до определенной отметки, пар, проходя сквозь эту жидкость, вместе со спиртами поднимается до следующей тарелки, расположенной выше, где весь процесс повторяется. После того как уровень жидкости превысит срез, флегма стекает в куб.

По мере прохождения пара через колпачковые тарелки градусы спирта увеличиваются, а количество вредных примесей уменьшается. Аналогичным образом работают абсолютно все колпачковые колонны. Однако есть один важный нюанс. Если вы хотите получить спирт самого высокого качества, то рекомендуется делать двойной перегон. Для этого брага сперва перерабатывается на обычном самогонном аппарате, после чего сырец проходит повторный перегон через колонну. Это занимает довольно много времени, но только так можно получить кристально чистый спирт.

Тарельчатая и колпачковая колонна: в чем разница?

Многих людей интересует вопрос о том, какая колонна лучше: тарельчатая или колпачковая, однако однозначного ответа не существует. Все дело в том, что разновидность этого оборудования не влияет на качество спирта, а основное различие заключается в конструктивных особенностях. В колоннах тарельчатого типа вместо специальных колпачков используются традиционные тарелки. Несмотря на то что на таком оборудовании невозможно изготовить натуральный спирт, тем не менее перегнать брагу в высококачественный дистиллят вполне возможно.

В нашей стране тарельчатая колонна пользуется огромной популярностью среди подавляющего большинства винокуров и имеет множество вариаций, которые позволяют получить самый разнообразный результат. Чтобы понимать, какая разновидность колонны лучше подойдет для вас, давайте разберемся в их основных отличиях.

Серия оборудования

Здесь все довольно просто и понятно. В зависимости от применения, все оборудование разделяется на серии. Самой популярной является колпачковая колонна ХД 4, разработанная специально для переработки браги в высококачественный самогон в домашних условиях. Это оборудование обладает высоким качеством и доступной ценой. Вторая популярная серия - это ХД/3, рассчитанная на большие объемы производства и способные работать беспрерывно.

Материалы

Современные колпачковые колонны могут быть изготовлены из металла или стекла. Если для вас более важна долговечность, то стоит отдать предпочтение первому варианту, однако металл дает небольшой привкус, избавиться от которого помогут только стеклянные колонны.

Конструктивные особенности

Различные вариации колонн обладают разной высотой и количеством тарелок. В большинстве случаев оборудование имеет размер 375 или 750 миллиметров. Количество тарелок может варьироваться в зависимости от того, какой крепости должен быть продукт на выходе. Чем больше колпачков, тем выше градус будет у дистиллята. При этом важно понимать, что количество тарелок можно регулировать вручную.

Тип тарелок

На сегодняшний день в продаже можно найти множество вариантов тарелок, однако наиболее часто встречающимися являются колпачковые и провальные. Последние являются более доступными и позволяют получить качественный продукт при соблюдении правильного режима нагрева. Колпачковые обладают более высоким КПД и позволяют перерабатывать брагу в качественный дистиллят в любых условиях.

Как оказалось, освоить принцип работы колпачковой колонны несложно. Кроме этого, сделать ее можно и в домашних условиях своими руками. Самое главное - в процессе изготовления придерживаться определенной инструкции и соблюдать технику безопасности. Не бойтесь экспериментировать! Не получается только у того, кто ничего не делает.