Типы лабораторных ректификационных колонн

Процессы массо- и теплопереноса протекают в ректификационной колонне на поверхности раздела жидкой и паровой фаз. Следовательно, конструкция колонны должна обеспечить протекание этих процессов в условиях противоточного движения пара и жидкости при наличии развитой поверхности контакта фаз. Можно выделить следующие основные типы колонн: безнасадочные, насадочные, тарельчатые, с неподвижными контактными устройствами и с вращающимися контактными устройствами. Ниже будут более подробно рассмотрены только два типа: насадочные и тарельчатые.

 

Насадочные колонны

Насадочная колонна представляет собой трубу, в которой размещены слои из нерегулярно уложенных элементов насадки. Насадку укладывают на решетки различной формы или на перфорированные воронки. Свободное сечение решеток не должно быть меньше свободного сечения уложенных на них слоев насадки.

Выбор диаметра насадочной колонны определяется требуемой пропускной способностью. В лабораторных ректификационных установках используют обычно колонны диаметром 10-50 мм. В зависимости от цели перегонки и необходимого числа теоретических ступеней разделения применяют колонны, составленные из отдельных царг. Это позволяет без особых трудностей собрать колонну требуемой высоты.

Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам, необходимо неоднократно собирать флегму по высоте колонны и снова распределять ее, возвращая к центральной части колонны. Это можно достичь за счет конструкционных особенностей колонны (колонна делится на отдельные участки и флегма перераспределяется в конце каждого участка) или использования специальных вставок (например, из металлической сетки с коническими углублениями).

Нерегулярно уложенные насадки применяют для получения в ректификационных колоннах возможно большей поверхности, по которой жидкость распределяется в виде тонкой пленки. Поверхность насадки, на которой происходит массо- и теплообмен, называют активной поверхностью. Чем меньше по размеру элементы насадки, тем больше их суммарная поверхность, приходящаяся на единицу объема колонны. Однако при этом возрастает и удерживающая способность насадки по жидкости, что снижает разделяющую способность колонны. Таким образом, необходимо выбирать для конкретного процесса оптимальные форму, размер и материал насадки с учетом всех перечисленных факторов.

На рисунке 4 приведены примеры насадок различной формы. Наиболее часто используются насадки с цилиндрическими элементами.

 

Тарельчатые колонны

Тарельчатые колонны применяют в лабораторных и промышленных установках для специальных задач разделения, например, для получения дистиллята с высокой степенью чистоты методом непрерывной ректификации. Эти колонны используют также в лаборатории для проведения сравнительной ректификации, моделирующей промышленный процесс. Ректификацию в тарельчатых колоннах проводят в основном при атмосферном давлении вследствие их высокого гидравлического сопротивления потоку паров, которое существенно превышает гидравлическое сопротивление колонн других типов.

Принцип действия тарельчатых колонн заключается в барботаже восходящего потока пара через перемещающийся по тарелке слой жидкости определенной высоты. Флегма перетекает с вышележащей тарелки на нижележащую по переливным трубам, расположенным внутри или снаружи колонны.

По конструктивному выполнению различают колпачковые, решетчатые, клапанные, струйные и ситчатые тарелки. Выбор типа тарелки зависит от многих факторов, к которым, в первую очередь, относятся: эффективность разделения компонентов, экономичность про­цесса, длительность эксплуатации, возможность быстрой эвакуации про­дуктов из колонны и ряд других факторов