3.2. Устройство ректификационных аппаратов

Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций, основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т.д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами — кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректи­фикационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверх­ность нагрева в виде змеевика (рис. XV-8) или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны (рис. ХV-9, а). Более удобны для ремонта и замены выносные кипя­тильники (рис. ХV-7), которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испа­рителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1.3-1.6 раза больше его единовременной загрузки (на одну опера­цию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насы­щенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и по­дачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденси­руются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена,

В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его рас­полагают, либо вне колонны (рис. XV-7) непосредственно над колон­ной (рис. ХV-9, а), чтобы обеспечить большую компактность установки. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы, показанном на рис. ХV-9.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанав­ливают выше колонны (рис. XV-7), непосредственно на колонне (рис. ХV-9, а) или ниже верха ко­лонны (рис. ХV-9, б) для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегма­тора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто приме­няют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Барботажные колонны. Эти аппараты в процессах ректификации наиболее ши­роко распространены. Они применимы для больших производительностей, ши­рокого диапазона, изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов — относительно вы­сокое гидравлическое сопротивление — в условиях ректификации не имеет узкого существенного значения, как в процессах абсорбции, где величина р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. При ректификации повышение гидрав­лического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению дав­ления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидрав­лическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректи­фикации под вакуумом.

Насадочные колонны. В этих колоннах используются насадки различ­ных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротив­ление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верх­ней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом. В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Однако и при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруд­нено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификацион­ных колонн обычно не превышает 0.8-1 м.

Пленочные аппараты. Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органи­ческого синтеза).

В ректификационных аппаратах пленоч­ного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидко­сти в единице объема работающего аппарата мала.

К числу пленочных ректификационных ап­паратов относятся колонны с регулярной на­садкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм (многотрубчатые колонны), а также пакетов плоскопараллельной или со­товой насадки с каналами различной формы, изготовленной из перфорированных металли­ческих листов или металлической сетки.

Одна из распространенных конструкций роторно-пленочных колонн показана на рис. ХV-10. Она состоит из колонны, или ректифи­катора 1, снабженного наружным обогревом через паровые рубашки 2 и ротором 3, ротор­ного испарителя 4 и конденсатора 5. Ротор, представляющий собой полую трубу с лопастя­ми, охлаждаемую изнутри водой, вращается внутри корпуса колонны. Исходная смесь по­дается в колонну через штуцер 6, Сверху колонна орошается флегмой, поступающей из конденсатора 5 через штуцер 7. Пар подается в колонну через штуцер 8 из испарителя 4, снабженного неохлаждаемым ротором и анало­гичного пленочному выпарному аппарату. Под­нимаясь в пространстве между ротором 3 и корпусом колонны 1, пар конденсируется на наружной поверхности ротора. Образующаяся пленка конденсата отбрасывается под действием центробежной силы по поверхности лопастей ротора к периферии. Попадая на обогревае­мую внутреннюю поверхность, жидкость испаряется, и образующийся пар поднимается квер­ху. Таким конденсационно-испарительным способом (при работе ко­лонны в неадиабатических условиях) достигается четкое разделение смеси при малом времени ее пребывания в аппарате и незначитель­ном перепаде давлений по высоте колонны, так как большая часть внутреннего пространства корпуса заполнена потоком пара. Роторные испарители типа испарителя 4 могут быть использованы в качестве само­стоятельных аппаратов для вакуумной дистилляции смесей, чувствитель­ных к высоким температурам.

Н едостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к проч­ности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные рас­ходы.