Ректификационный аппарат периодического действия состоит из куба а, ректификационной колонны б, дефлегматора В, холодильника Г, сортировочного фонаря Д, сивухопромывателя (на рисунке не показан, так как он стоит в другом помещении) и парового регулятора е.

Куб

Куб ректификационного аппарата периодического действия одновременно служит сборником спирта, подвергающегося ректификации, и парообразователем спиртового пара.

Вертикальный куб ректификационного аппарата (рис. 4) имеет форму цилиндра, диаметр которого равен или несколько меньше его высоты. Куб ректификационного аппарата изготовляют обычно из листового железа. Дно куба плоское, а крышка коническая, реже — сферическая, с горловиной в центре, на которую устанавливают ректификационную колонну.

Недостатком вертикального куба является нарушение его герметичности в момент пуска аппарата, т.е. в начале обогрева. Поэтому при изготовлении необходимо особенно тщательно обрабатывать места соединения его частей.

Внутри куба для нагрева перегоняемого спирта помещаются два змеевика: один для острого, а второй для мятого или отработанного пара. При необходимости большой поверхности нагрева добавляют третий змеевик. В этом случае два змеевика делают цилиндрическими, а третий — спиральным и помещают его параллельно дну куба.

Для ускорения нагрева содержимого (навалки) куба, особенно при кубах большой емкости, ставят еще барботер, т. е. трубу с мелкими отверстиями, при помощи которой не только усиливается нагрев, но и размешивается содержимое куба.

Выходной конец каждого змеевика соединяют с автоматическим прибором (конденсационным горшком), отводящим конденсат пара, (т. е. воду). Эти выходные концы змеевиков внутри куба должны иметь значительный уклон в сторону конденсационного горшка, чтобы внутренние поверхности каждого змеевика были возможно меньше покрыты конденсационной водой, препятствующей передаче тепла перегоняемой жидкости через стенки змеевика.

На вертикальной стенке куба делают лаз такой величины, чтобы в случае надобности можно было вынуть через него части змеевиков и произвести необходимый ремонт.

До последнего времени емкость куба рассчитывали на возможно большее количество часов работы ректификационного аппарата. Считалось наиболее рациональным строить куб на 48—60 часов нормальной производительности ректификационной колонны.

Кубы малой емкости невыгодны, так как на подготовительные операции для ректификации расходуется столько же времени, сколько и для кубов большой емкости, из-за чего на получение годовой продукции остается мало времени.

Толщина стенок вертикального куба определяется по котельной формуле, но к расчетной толщине обычно прибавляют 0,1 см ввиду свойства стали ржаветь.

Днище и крышку куба рассчитывают по соответствующим формулам (толщина их стенок больше, чем толщина вертикальных стенок куба).

В пароприемниках, работающих под давлением выше 1 ати, нельзя делать стенки тоньше 7 мм. Куб ректификационного аппарата, хотя и является приемником спиртового пара, но работает под давлением всего 0,2—0,25 ати. Поэтому законоположения о пароприемниках к нему неприменимы.

Поверхность нагрева змеевиков рассчитывают на передачу такого количества тепла, которое необходимо для превращения в пар спирта, получаемого в час,, и погона, возвращаемого в течение часа из ректификационной колонны в куб.

Величина поверхности нагрева змеевиков обусловливается нормальной производительностью ректификационной колонны; для колонны производительностью 100 л/час ректификата I сорта при рабочем давлении обогревающего пара в 3 ати ставят змеевик в 5 м². Если в змеевики поступает мятый пар, то поверхность нагрева увеличивают до 7— 8 м2. При смешанном обогреве — мятым и острым паром — учитывают соотношение обоих видов пара.

Указанные поверхности нагрева относятся к змеевикам, сделанным из меди. В случае применения стальных змеевиков поверхность нагрева должна быть на 25% больше.

По данным проф. А. А. Фукса¹на качество ректификата (в сторону его ухудшения) влияет величина поверхности нагрева змеевиков, равно как и характер пара (перегретый или насыщенный) и его давление. Разумеется, что от величины поверхности нагрева зависит производительность аппарата ректификации оного аппарата.

Наиболее эффективно работающий змеевик ректификационого аппарата периодического действия спроектирован Д. Круповесом (рис. 5).

змеевик ректификационого аппарата периодического действия

Змеевик состоит из кольцевой магистрали а, снабженной 10 патрубками б1—б10, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, и из 10 витков. Каждый виток ж змеевика изогнут в виде спирали; одним концом он присоединяется к патрубкам б1 — б10 кольцевой магистрали а, а другим — к патрубкам B1—B10 кольцеобразной трубы г, из которой конденсационная вода отводится через патрубок д. Пар поступает в кольцевую магистраль а по трубе е.

Кольцевая паровая магистраль а расположена горизонтально у периферии куба. В описанном устройстве обогревающей поверхности водно-спиртовая жидкость правильно циркулирует по всему кубу, что благоприятно отражается на ее нагреве. У периферии куба происходит самое сильное кипение и образуются самые сильные восходящие токи жидкости, по мере же приближения к кольцеобразной трубе г сила их уменьшается. Внутри кольца, образуемого трубой г, нет кипения; здесь образуются нисходящие токи, и жидкость опускается на дно, подходит к спиралям и вновь поднимается вверх. Для быстрого стока конденсационной воды спирали змеевика расположены не в горизонтальной плоскости, а ступенчато, при этом патрубок д помещается внизу трубы г.

Коэффициент теплопередачи змеевика системы Круповеса в пять раз больше, чем при обычных змеевиках. Поэтому для аппаратов с производительностью ректификата 1 сорта 100 л/час ставят змеевики с поверхностью нагрева всего 1 м2.

Величина коэффициента теплопередачи змеевика зависит от устройства системы для отвода образовавшейся в нем конденсационной воды. Вместе с конденсационной водой из змеевиков не должен уходить пар. Поэтому образовавшуюся воду отводят из самой нижней точки змеевика через конденсационный горшок.

Однако еще до сих пор в ректификационных цехах имеются змеевики, из которых вода отводится по трубам, идущим кверху — почти до уровня входных штуцеров, через которые пар подается в змеевики. В этом случае змеевик почти весь заполнен водой и коэффициент его теплопередачи в несколько раз ниже, чем у змеевика, заполненного только паром. Поэтому конденсационные горшки необходимо ставить, по крайней мере, на 0,5 ниже нижнего штуцера змеевика, через который отводится конденсат.

Конденсат, образующийся в змеевике, обогреваемом острым паром, после того как он прошел через конденсационный горшок, может быть поднят на значительную высоту (соответственно 3Д давления внутри змеевика). Для того чтобы столб конденсата, находящегося в трубопроводе, не давил на отводящий механизм конденсационного горшка, на выходном штуцере горшка должен стоять обратный клапан.

Чем выше поднимается конденсат, полученный в змеевике, обогреваемом острым паром, тем больше давление внутри него (при обычном давлении в аппарате в 2—2,4 м вод. ст.). Если требуется, например, поднять конденсат на 10 м выше конденсационного горшка, то внутри змеевика давление будет равно 14 м вод. ст., или 1,4 ати.

Конденсат острого пара не следует поднимать слишком высоко, так как получающееся при этом повышенное давление вызывает пушение змеевиков с тонкими стенками (они дают трещины) и пязоыв сверток между фланцами.

Конденсационный горшок может обслуживать змеевики только одинаковым давлением. Для змеевика, обогреваемого мятым паром ставится отдельный конденсационный горшок, конденсат из которого не может высоко подниматься.

Конденсационный горшок хорошо работает только при нормальной производительности, а не максимальной, обычно указываемой в каталогах.

Нормальной производительностью конденсационного горшка принято считать максимальной производительности. Подбор производительности конденсационного горшка ведут на 1 дкл 1 сорта спирта.

Пример. На 1 дкл спирта 1 сорта должно быть израсходовано не более 12 кг пара. При производительности аппарата 100 дкл/час расходуется, следовательно, 1200 кг пара. Столько же получается килограммов конденсата.

Максимальная производительность конденсационного горшка в четыре раза больше нормальной, т. е. равна (1200 X 4) = 4800 кг/час.

При определении указанной максимальной производительности и температуры внутри змеевика 110 °С, 1 кг воды будет иметь объем 1,05 л. Следовательно, из змеевика будет отходить 5040 л воды.

Горизонтальный куб.

В последнее время в спиртовой промышленности стали применять также горизонтальные кубы, главным преимуществом которых является их герметичность: при разогреве они равномерно расширяются, без резких деформаций штампованных сферических днищ.

Горизонтальные кубы оборудуются не змеевиками (их трудно ремонтировать, и, кроме того, они не обеспечивают герметичности фланцевых соединений), а нагревательными трубчатками (рис. 6).

Нагревательная трубчатка имеет две распределительные коробки а и б для пара с закрепленными в них трубами.

ректификации спирта в аппарате периодического действия с горизонтальным кубом

Рис. б. Нагревательная трубчатка: а—передняя распределительная коробка; б—задняя распределительная коробка; в —горловина переднего днища куба.

Трубы располагают в шахматном порядке для лучшего использования площади распределительных коробок.

Распределительная коробка а крепится к горловине в переднего днища куба. Распределительная коробка б остается свободной, так как она поддерживается на рельсах роликами. Такая конструкция трубчатки дает возможность трубам свободно расширяться, благодаря чему достигается полная их герметичность в распределительных коробках и удлиняется срок службы трубчатки.

Толщину стенок горизонтального куба рассчитывают по котельной формуле, так же как толщину стального горизонтального цилиндрического сосуда.

Стенки горизонтального куба делают толще стенок вертикального куба, вследствие чего и стоимость его дороже, однако это компенсируется преимуществами при эксплуатации.

если на горизонтальный куб устанавливают колонну непосредственно, то ему придают соответствующую жесткость, устраивая внутри него специальные конструкции, принимающие на себя нагрузку колонны и распределяющие ее на весь куб.

Куб снабжается следующей арматурой: водомерными кранами со стеклянными трубками для указания уровня жидкости в кубе; кранами для запуска спирта и воды в куб; паровыми вентилями; краном для выпуска остающейся в кубе воды после окончания перегонки; пробными кранами на отводных трубах от паровых змеевиков, для контроля плотности змеевиков, т. е. для выяснения, не проникает ли в них спиртовая жидкость, теряющаяся в этом случае безвозвратно; воздушным клапаном, автоматически предохраняющим от образования внутри куба и главным образом в колонне вакуума( безвоздушного пространства), при котором вследствие наружного давления может сплющиться аппарат и нарушиться его герметичность; термометром, показывающим температуру в разных стадиях перегонки.

Давление в кубе в процессе работы показывает паровой регулятор; он же заменяет и предохранительный клапан, обычно не устанавливаемый, так как куб сообщается с атмосферой через ректификационную колонну, дефлегматор и холодильник.

Паровое пространство куба сообщается с паровым пространством нижнего резервуара парового регулятора, посредством которого поддерживается постоянное давление в кубе во время работы аппарата.

Пружинный манометр не следует ставить, так как он плохо показывает давление ниже 0,3 ати. Рациональнее устанавливать водяной указатель давления или вакуумпрерыватель, водоуказательное стекло которого одновременно показывает и давление.

Ректификационная колонна

В ректификационной колонне происходит собственно ректификация (укрепление спиртовых паров и освобождение ректификуемого спирта от имеющихся в нем примесей). Сначала выделяются головные примеси. Несмотря на их незначительное содержание в спирте, процесс выделения примесей на периодически действующих ректификационных аппаратах является наиболее трудным и продолжительным. Выделить все головные примеси не удается, и они долго сопровождают ректификуемый спирт. После отбора этих примесей из спирта, находящегося в кубе, начинается собственно ректификация, или укрепление этилового спирта, и длится оно до тех пор, пока не начнут выделяться хвостовые примеси.

Выделением хвостовых примесей заканчивается процесс работы колонны. Из ректификационной колонны все примеси и готовая продукция получаются в виде спиртового пара, который поступает в дефлегматор и холодильник.

Ректификационная колонна состоит из нескольких частей или звеньев (царг), соединенных между собой железными фланцами. Ректификационную

Ректификационная колонна состоит из нескольких частей или звеньев (царги ректификационной клонны), соединенных между собой железными фланцами. Ректификационную колонну всегда ставят выше куба для того, чтобы погон (флегма) мог поступать в него самотеком. Обычно колонну устанавливают на крышке железного куба. В случае необходимости ее можно устанавливать и отдельно от куба — на балках или кронштейнах. Расположение колонны непосредственно на кубе несравненно проще и дает большую устойчивость, но зато установка колонны отдельно от вертикального куба дает возможность не снимать и не разбирать колонну для того, чтобы вынуть змеевики из куба (правда, надобность в выемке змеевиков встречается очень редко).

Ректификационные колонны соответственно конструкции их тарелок называются ситовыми и колпачными. В колпачных колоннах применяются разнообразные колпачки: круглые, кольцеобразные и щелевые. Эти колонны в сечении делаются круглыми, либо прямоугольными. При ситовой ректификационной колонне самая нижняя тарелка всегда делается с одним центральным колпаком (по типу обыкновенной бражной тарелки). Сливную трубку спускают в жидкость куба возможно глубже для того, чтобы конец ее был погружен в перегоняемую жидкость до самого конца сгонки. Если ректификационная колонна расположена отдельно от куба, то на последнем устанавливают промежуточную колонку (называемую переломом), внутри которой имеется перегородка, задерживающая капли, уносимые спиртовым паром из куба. Поступающий в промежуточную колонку спиртовый пар поднимается вверх и, огибая перегородку, направляется через боковой штуцер в нижнюю часть ректификационной колонны под первую снизу тарелку (рис. 7).

В таком случае нижнее дно устраивается со сливным штуцером для отвода погона в колонны в нижнюю часть куба. Очень важно, чтобы паровые штуцеры в промежуточной колонне имели достаточные размеры, иначе при большой скорости спиртового пара в соединительной спиртовой трубе ректификационная колонна будет работать с меньшей производительностью. Максимальная производительность ректификационной колонны получается в том случае, когда площадь штуцера равна площади всех отверстий ректификационной тарелки этой колонны (т. е. живому сечению колонны). Во всяком случае площадь штуцера, по которому спиртовый пар поступает в колонну, не должна быть меньше половины площади отверстий тарелки, через которые спиртовый пар поступает в ректификационную колонну. Однако в этом случае давление в кубе аппарата несколько повышается.

Производительность ректификационной колонны, стоящей отдельно от куба, во многом зависит от площади соединительного штуцера. Так, производительность этой колонны, получающей спиртовый пар по штуцеру, площадь сечения которого в три раза меньше площади живого сечения ректификационной тарелки, на 40-50% меньше производительности колонны тех же размеров и работающей в одинаковых условиях, но стоящей на кубе.

При малой площади сечения спирто-паровой трубы, соединяющей промежуточную колонку с ректификационной колонной, следует поставить дополнительную спирто-паровую трубу такого же диаметра, как и основная, и тем самым увеличить производительность ректификационного аппарата.

Точно так же крайне важно правильно устроить отвод спиртового пара из колонны в дефлегматор и холодильник. Не следует ставить отводящие трубы слишком малого диаметра, так как они требуют повышенного давления, и, кроме того, количество спиртового пара, отводимого из колонны и дефлегматора, сокращается.

Ректификационная колонна должна быть оборудована следующей арматурой: краном в верхней части колонны для промывки ее водой, паровым вентилем для пропаривания паром, дроссельным клапаном, закрывающим отверстие для выхода паров из колонны при пропаривании ее, и воздушным клапаном на крышке колонны для автоматического впуска воздуха в случае внезапного образования вакуума внутри ректификационной колонны. В некоторых случаях ставят второй вакуумпрерыватель с водоуказательным стеклом, показывающим давление перед дефлегматором.

Тарелки ректификационной колонны. Самые простые и в то же время наиболее дешевые тарелки — ситовые. Колпачовые тарелки наиболее надежны в работе. Применяя колпачки той или иной формы, стремятся либо увеличить путь, проходимый погоном при перетекании жидкости с одной тарелки на другую, либо увеличить длину линии барботажа, по которой спиртовые пары проникают в массу погона на каждой тарелке. Чем длиннее путь, проходимый погоном в колонне, и чем длиннее линия, по которой пары проникают сквозь погон (флегму), тем лучшего качества получается ректификат. При более длинном пути погон отдает большее количество заключающегося в нем спирта, а при длинной линии барботажа пара сквозь погон, кипение последнего происходит спокойнее — без перебрызгивания с нижних тарелок на верхние. В ректификационных колоннах применяются тарелки следующих систем: ситовые, двойной выварки, с многими круглыми колпачками, с кольцеобразными и с прямыми колпачками (щелевыми).

От ректификационных аппаратов периодического действия необходимо плавно переходить к ректификационным аппаратам непрерывного действия.

Также вы можете приобрести недорогие китайские ректификационные аппараты периодического действия, обогреваемые открытым паром или через теплообменник.