Насадочная колонна для перегонки бражки, эпюрации и ректификации спирта

Насадочная колонна для перегонки бражки, эпюрации и ректификации спирта как правило представляет собой цилиндр, наполненный насадкой — телами с развитой поверхностью. Известно много разновидностей насадок: различные кольца, шары, седла, сетки, спирали, блоки, пакеты, рейки и т.д. (рис. Типы насадок).

Рис. Типы насадок.

Пар и жидкость контактируют на поверхности насадки при противоточном движении. При малой скорости пара поверхность контакта обычно не превышает смоченной поверхности насадки, однако с увеличением скорости пара начинается турбулизация потока стекающей жидкости и поверхность контакта значительно возрастает. Для равномерного орошения жидкостью (флегмой) поверхности насадки вверху колонны устанавливаются специальные распределительные устройства. Дополнительные устройства устанавливаются и по высоте слоя насадки для перераспределения орошающей жидкости, так как по мере стекания флегма обычно смещается к стенкам колонны, возникает проскок пара и флегмы, приводящий к сбою в работе колонны.

В насадочных колоннах мы имеем случай движения жидкости и газа через слой твердых тел различной конфигурации / насадку / . Изучение этого движения жидкого потока за последнее время [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] позволило выяснить механизм процесса и сформулировать основные закономерности его. Глубокое изучение процесса движения жидкости и газа через слой твердых тел различной конфигурации / насадку / вместе с тем дало возможность значительно интенсифицировать процесс и расширить область его применения.

При изучении противоточного движения газа и жидкости в насадочных колоннах наблюдаются 4 режима движения, возникающие в зависимости от плотности орошения и скорости газа.

Пленочный режим работы насадочной колонны имеет место при малых плотностях орошения и малых скоростях газа (пара).

В этом режиме орошающая жидкость движется по орошаемой насадке в виде пленок и капель, перемещающихся от одного элемента насадки к другому. Контакт между паром и жидкостью происходит на поверхности жидкости, смачивающей насадку.

Пар движется в этом режиме непрерывным сплошным потоком, заполняя свободный объем насадки. Дисперсной фазой при этом режиме является жидкость, а сплошной фазой — газ.

Промежуточный режим работы насадочной колонны возникает при увеличении плотности орошения и скорости газа при переходе к турбулентному режиму. В промежуточном режиме уже начинает сказываться тормозящее действие пара на жидкий поток. Пленки и струи в этом режиме, взаимодействуя с паром, заставляют его образовывать вихри, однако сплошной фазой и в этом режиме является пар. При дальнейшем увеличении скорости пара возникает турбулентный режим.

Турбулентный режим работы насадочной колонны характеризуется тем, что жидкая фаза в нем турбулизована, но течение ее сохраняет струйно-пленочный характер. Режим этот возникает при таких скоростях пара, при которых пар препятствует стоку мы работы насадочных колонн. жидкости и вызывает подвисание (задержку) жидкости в насадке.

Взаимодействие фаз происходит на поверхности турбулированной пленки жидкой фазы. Сплошной фазой остается паровая фаза.

Эмульгационный режим работы насадочной колонны. Турбулентный режим переходит в последний, наиболее эффективный, режим эмульгирования. При этом режиме работы насадочной колонны нельзя уже определить, какая из фаз является сплошной, а какая — дисперсной. Фазы непрерывно инверсируют, меняясь ролями. Происходит интенсивное перемешивание фаз. Режим этот возникает при больших плотностях орошения и скорости газа. Как в той, так и в другой фазах при этом режиме возникают многочисленные вихри. При дальнейшем увеличении скорости газа в некоторый момент жидкость перестает перемещаться вниз и увлекается потоком газа вверх. Происходит явление, называемое «захлебыванием» колонны. Жидкость поднимается выше верхнего уровня насадки и выбрасывается из аппарата.

Рис. 1. Гидродинамические режимы насадочных колонн. На рис. I показана зависимость перепада давления на единицу высоты насадки от скорости газа. Цифрами обозначены последовательно возникающие режимы: 1 — пленочный, 2 — промежуточный, 3 — турбулентный, 4 — эмульгационный. Буквами обозначены особые точки — точки перехода от одного режима к другому: а — точка торможения, Ь — точка подвисания, с — точка инверсии фаз, d — точка захлебывания.

Для сухой насадки величина сопротивления ее изображается прямой линией. Для работающей насадочной колонны зависимость представлена ломаной линией, причем точки перелома соответствуют переходу от одного режима к другому.

На основании обширного экспериментального материала Кафаров предложил уравнение для нахождения скорости, при которой происходит инверсия фаз в насадочной колонне. Это уравнение имеет следующий вид:

здесь W_0.и — искомая скорость пара, при которой происходит инверсия, м/сек;

б — удельная поверхность насадки, м2/м3;