Виды ректификационных колон

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 колонныКонцентрационная секцияОтгонная 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.

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 самогонного аппарата 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.

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 (холодильники – конденсаторы, 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 м3/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.

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

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.

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 медной пластины 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.

Изготовление колпачковой колонны

Сделать своими руками колпачковую колонну несложно, если у вас есть в наличии одна из самых сложных в изготовлении ее составных частей — колпачковые тарелки. Купить их можно на соответствующих сайтах в интернете. В большинстве случаев, продаются тарелки из Китая. Но выбирать не приходится — товар слишком специфический и занимаются их производством считанное количество мастерских. Самостоятельно же сделать рабочие тарелки достаточно сложно, но возможно.

Для этого понадобятся медные или нержавеющие пластины, из которых вырезаются круги, равные внутреннему диаметру основной трубы колонны. Сама колонна изготовляется из стеклянной, медной или нержавеющей трубы, диаметром 8-10 мм и длиной (высотой) около 75 см. Стеклянные колонны, предлагаемые многими производителями, пользуются популярностью из-за того, что за процессом барботирования можно наблюдать — это довольно эффектное зрелище. Но на работоспособность колонны материал ее влияет мало.

В вырезанных дисках проделываются 4 отверстия диаметром 1-1,5 мм и в них вставляются трубки из меди или нержавейки высотой около 1,5 см. Они служат для прохождения пара снизу вверх. Два отверстия делаются по краям диска. Их диаметр около 10 мм. В них также вставляются трубки, но высотой поменьше — 1,5-0,8 см. Стыки трубок и дисков пропаиваются.

Медные тарелки для колонны

На торцы средних трубок насаживаются колпачки с таким расчетом, чтобы они касались поверхности диска. Верхняя часть трубок перфорируется по периметру отверстиями 1-2 мм диаметром, для выхода пара. Чем их больше, тем лучше. Нижние края колпачков пропиливаются на высоту 0,5 см. Они должны быть на 2 мм ниже среза боковых трубок.

Колпачки классического полусферического вида изготовить сложно, поэтому можно выполнить их конусообразными или стакановидными. Закрепить их на паропроводных трубках можно саморезами или муфтами. Тарелка в сборе представляет один рабочий элемент. В колонне указанной высоты их должно быть не менее 5, максимально — 8.

Чтобы тарелки было удобнее вставлять в колонну и извлекать для чистки, их насаживают на штырь, диаметром 5-8 мм и закрепляют гайками на равном расстоянии друг от друга. Верхний край колонны паропроводом соединяется с холодильником проточного типа. Термометры устанавливаются в верхней точке колонны и на кубе. Чтобы устанавливать и извлекать тарелочную сборку из корпуса было удобнее, верх колонны выполняется в виде винтовой крышки. Патрубок отвода пара устанавливается ниже уровня резьбы на 1-1,5 см.

Словарь

атмосферная перегонка atmospheric distillation
вакуумная перегонка vacuum distillation
верхний продукт overhead product
газоконденсат gas condensate
кипятильник (рибойлер) reboiler
клапанная тарелка valve tray
колпачковая тарелка bubble-cap tray
кубовый остаток bottoms
насадка packing
насадочная колонна packing column
непрерывного действия continuously-operated
нестабильный бензин unstable gasoline
нижний продукт bottom product
остаток residue
отпарная колонна stripper
периодического действия batch-operated
пленочная колонна film-type column
ректификат rectificate
решетчатая тарелка grid plate
роторная колонна rotary column
ситчатая тарелка sieve tray
сливной стакан downcomer
стабилизации нефти oil stabilization
тарельчатая колонна tray column
фракционирование fractionation

Ахметов С. А. и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие / С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов; Под ред. С. А. Ахметова. — CПб.: Недра, 2006. — 868 с.; ил.

,
,
,
,
Скобло А. И., Молоканов Ю. К., Владимиров А. И., Щелкунов В. А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. – 677 с.

,
,
,
,
,
,
,
Гуревич И. Л. Технология нефти (Ч. 1). Общие свойства и первичная перегонка нефти: Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Химия, 1972. 359 с.

Скобло А. И., Трегубова И. А., Молоканов Ю. К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1982 — (Серия: «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии») — 584 с.

Зыков Д.Д., Деревицкая В.А., Тростянская Е.Б. и др. Общая химическая технология органических веществ. Изд.2, перераб. 1966. Твердый переплет. 608 с.

Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов по специальности «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»/И. И. Поникаров, О. А. Перелыгин, В. Н. Доронин, М. Г. Гайнуллин. — М.: Машиностроение, 1989. — 368 с.

Типы тарелок для тарельчатой ректификационной колонны

Тарелки бывают разнообразных конструкций и различаются по типу барботажных устройств.

Ситчатые тарелки

Ситчатые тарелки имеют отверстия 2 диаметром 3-12 мм, расстояние между которыми в 3,5-4 раза больше их диаметра. Слой жидкости 1 высотой 25-30 мм удерживается на тарелках восходящим потоком паров, которые проходят через отверстия 2 и барботируют через слой жидкости. Избыток флегмы перетекает вниз по сливным стаканам 3. Если сливные стаканы отсутствуют, то жидкость перетекает на нижележащую тарелку через те же отверстия, через которые проходят пары. Площадь сечения всех отверстий (степень перфорации) иногда достигает 40% от площади тарелки.

Устройство ситчатой тарелки: 1 — уровень жидкости на тарелке; 2 — отверстия тарелки; 3 — сливной стакан; 4 — стенка колонны

Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме:

а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные.

Решетчатые тарелки провального типа

Решетчатые тарелки провального типа являются разновидностью ситчатых, в них нет сливных устройств. Секция тарелки представляет собой стальной лист 1 со щелями 2 прямоугольной или иной формы. Барботаж паровой фазы через жидкость осуществляется по всему сечению колонны. Пары и жидкость, как правило, в противотоке проходят через одни и те же щели в тарелках. На тарелках удерживается слой жидкости, высота которого определяется величиной подпора потока паров. Избыток жидкости проваливается через щели на нижележащую тарелку. С увеличением расхода паров на тарелке растёт перепад давления и удерживается слой жидкости большей высоты. Прорези работают периодически: места стока жидкости и прохода пара произвольно перемещаются по полотну тарелки.

Ситчатые тарелки с S-образной перегородкой

Ситчатая тарелка с S-образной перегородкой – перфорированный лист, к которому припаяна S-образная перегородка 3, делящая тарелку на две части. Стекающая с верхней тарелки жидкость через прорези в сливном стакане 2 и далее через переливную перегородку 5 поступает на тарелку и движется в направлении, указанном стрелками, контактируя с паром, поднимающимся через отверстия в листе 1. Подойдя к перегородке 3 с другой стороны, жидкость стекает на следующую тарелку через сливную перегородку 4 и сливной стакан.

Колпачковые тарелки

Устройство колпачковой тарелки: 1 — пластина; 2 — сливной стакан; 3 — колпачок; 4 — паровой патрубок; 5 — прорези колпачка; 6 — кольцевое пространство; 7 — подпорная перегородка; 8 — стенка колонны

Колпачковая тарелка представляет собой перфорированную пластину 1 с патрубками 4 и прикрывающими их колпачками 3 со щелями 5 (прорезями). По патрубкам, кольцевому пространству 6 и через щели пары вводятся под слой жидкости на тарелке. Постоянство уровня жидкости обеспечивается подпорными перегородками 7. Избыток флегмы по сливным стаканам 2 перетекает на нижележащую тарелку.

Тарелки с S-образными элементами

Тарелка из S-образных элементов:
1—S-образный элемент; 2—плоский сегмент; 3—карман; 4—сливная перегородка; 5—опорная полоса; б—струб­цина-скоба; 7—первый элемент; 8—колпачок.

S-образные колпачки штампуют из листовой стали с прорезями по одной из продольных кромок. При сборке образуется ряд продольно расположенных и чередующихся желобов и колпачков. На тарелке поддерживается определенный слой флегмы, а ее избыток перетекает вниз через сливные стаканы. Прорези колпачков погружены в слой жидкости на тарелках, образуя гидравлический затвор. Пары, двигаясь снизу вверх, распределяются прорезями на струйки, барботирующие через слой жидкости на тарелке.

Клапанные (дисковые) тарелки

Основным элементом тарелок с пластинчатыми клапанами является L-образный клапан 1 – пластина, закрывающая щель прямоугольной формы. В нерабочем состоянии под действием собственного веса клапан закрывает отверстие. Вращаясь в месте перегиба пластины, клапан приподнимается проходящими парами. При 70% проектной нагрузки клапан полностью открывается. Полное открытие клапана фиксируется ограничителем в форме скобы.

Клапанные колпачки – прямоугольный (а) и круглый (б): 1 – клапан; 2 – удерживающая скоба.

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.

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.

Принцип работы колпачковой колонны

Работает колпачковая колонна по принципу тепломассобмена между поднимающимся снизу, из испарителя, паром и стекающей сверху охлаждённой флегмой. Колпачки, или тарелки служат для увеличения площади контакта нагретого пара и жидкости. От количества тарелок зависит количество точек превращения пара в жидкость и повторного испарения жидкости. Конденсируется спиртосодержащий пар не только на внутренних стенках колонны, но и на поверхности тарелок. Они имеют форму полусферы, обращенной выпуклостью вверх.

Конденсирующаяся на внешней поверхности флегма стекает вниз сквозь переливные отверстия и попадает на нижнюю тарелку, нагретую до более высокой температуры. Спирт и другие легкокипящие фракции повторно испаряются, а жидкости с более высокой температурой кипения (сивушные масла и вода) стекают обратно в испаритель, где остаются в виде водного раствора.

При прохождении спиртового пара колонной высотой 50 сантиметров при монтаже внутри нее 8- 10 колпачков, процесс превращения жидкости в пар и обратно происходит не менее 30- 40 раз. Это количество называется кратностью очистки. Если вы прочитаете в характеристиках колпачковых колонн промышленного изготовления, которые можно без труда купить в интернете, что их кратность очистки составляет 20 или 50, это не значит, что спирт становится во столько раз чище, а характеризует только особенности технологического процесса.

Естественно, чем выше кратность, тем качественнее спирт получается, и тем меньше в нем примесей. Соотношение диаметра и высоты колонны должно составлять не менее 1 к 8, это оптимальные размеры, как для промышленных установок, так и для любительских. Поднимаясь вверх по колонне, пар обогащается спиртом и из него удаляются примеси, он укрепляется, поэтому часто такие колонны называются укрепляющими.

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.

Ссылка на основную публикацию