Для чего нужны тарелки в колонне
Тарельчатая колонна: преимущества, какой должна быть, формула расчета высоты + подборка схем
Тарельчатая колонна – разновидность ректификационных устройств для изготовления домашнего спиртного.
Представляет собой вертикальный цилиндр, внутри которого на определенном расстоянии помещаются горизонтальные перегородки (тарелки), по которым стекает жидкий продукт во время перегонки.
Позволяет получать довольно качественный алкоголь даже при однократной дистилляции благодаря многократному контакту жидкости и газа.
Преимущества тарельчатой колонны
Хорошая очистка от ядовитых примесей (чем больше перегородок – тем выше);
Вариативность конструкции (можно менять характеристики дистиллята, уменьшая или увеличивая число тарелок);
Отсутствие зависимости от перепадов давления воды или напряжения (в отличие от устройств насадочного типа);
Высокая производительность (усиливается за счет большего диаметра цилиндра).
Тарельчатые колонны делают и меди, стали, стекла и фторпласта. Медные варианты в простонародье называют «флейтами» из-за сходства с музыкальным инструментом.
Отличаются колонны и типом отверстий на тарелках. Они могут быть колпачковыми, ситчатыми, решетчатыми, пластинчатыми, дисковыми.
Для получения качественного домашнего спиртного лучше всего подходят колпачковые варианты, которые отличаются высокой производительностью и легкостью эксплуатации.
Однако они довольно сложны в сборке и требуют дорогих комплектующих. Поэтому чаще всего такие приборы используют для изготовления благородных напитков: виски, коньяка, бурбона.
При желании можно собрать самостоятельно и более дешевый аналог колпачковой колонны.
Какой должна быть тарельчатая колонна
Корпус устройства обычно делают из нержавейки, но стеклянные модели обладают большей наглядностью.
Диаметр зависит только от мощности нагрева: можно увеличивать его на свое усмотрение, тем самым повышая КПД устройства.
Градус и степень очистки напитка усиливают, добавляя тарелки внутрь цилиндра.
Чаще всего используют колонны с 5–10 перегородками (диапазон крепости дистиллятов – от 88 до 95%).
Для герметизации этажей применяют обычные силиконовые диски.
По желанию можно дополнить колонну узлом промежуточного отбора или штуцером под термометр.
Примерные параметры элементов:
Площадь паровых трубок – около 10% от сечения колонны;
Площадь прорезей – 70–80% площади паровых трубок;
Площадь слива 1/3 от общей площади паровых трубок (диаметр – около 18–20% от толщины трубы).
Формула расчета высоты тарельчатой колонны
H = (N-1)*h + z₁ + z₂
Где h – расстояние между тарелками, z₁ – расстояние между верхней перегородкой и крышкой колонны, z₂ – расстояние между нижней перегородкой и дном колонны, N – число тарелок.
Нижние перегородки делают с большим сечением отверстий и уровнем флегмы (как удерживающие), верхние – с меньшими параметрами (как разделяющие).
Колпачки выбирают из доступных размеров (например, заглушки диаметром 28 или 22 мм).
Форма отверстий в тарелках особой роли не играет, но лучше делать их максимально узкими, чтобы пар разделялся на мелкие пузырьки, тем самым увеличивая площадь контакта фаз. Большее число колпачков также пойдет на пользу.
Усовершенствовать устройство можно, разместив вместо отверстий в тарелках паропроводные трубки (большей высоты, чем сливные) и накрыв их колпачками с прорезями. Разделенная по фракциям флегма останется на перегородках даже после отключения нагрева.
Скачать схему тарельчатой колонны
Для того чтобы загрузить архив с чертежами нажмите на картинку ниже, либо эту ссылку.
Теоретическая тарелка — устройство, количество, расчет
Внутри классической колонны есть плоские горизонтальные контактные элементы, которые очень напоминают тарелки. На поверхности этих элементов происходит тепломассообмен между флегмой и парами и разделение фракций. Или, если проще, пузырьки пара проходит через слой флегмы на тарелке. Чем больше количество тарелок и площадь контакта, тем лучше разделяющая способность колонны. В поисках способа измерить эту способность и была придумана теоретическая тарелка (ТТ).
Что такое теоретическая тарелка?
Это удобный термин, созданный для измерения разделяющей способности колонны. Теоретическая тарелка — это модель обмена теплом и массой в парожидкостной среде. Модель основана на представлении колонны идеальным изолированным устройством, со 100-процентной разделяющей способностью, на которую не влияют внешние факторы. Колонна как будто находится в непрерывном термодинамическом равновесии.
Теоретические тарелки нужны, как удобное понятие, от которого отталкиваются при расчетах.
Даже если в колонне не тарелки, а спирально-призматическая насадка (СПН), она все равно обладает разделяющей способностью, которая может быть измерена при помощи теоретической тарелки.
Можно пояснить по-другому. Из водно-спиртовой смеси крепостью 10% можно получить простой перегонкой спирт крепостью 40%. При последующих перегонках мы получим, соответственно, спирт крепостью 60, 70, 80, 90, 96%. Каждая физическая перегонка с повышением крепости продукта считается теоретической тарелкой или единицей массопереноса. Всего таких перегонок нужно около 10. То есть, ректификация — это 10 последовательных дистилляций, которые идут параллельно на разных тарелках.
Итак, КПД теоретической тарелки всегда 100%. Этим она и отличается от физической тарелки.
Теоретические тарелки в ректификационных колоннах
Теоретическая тарелка в ректификации — это часть колонны, в которой при конкретных условиях и режиме работы колонны достигается равновесие жидкой и парообразной фаз и теплообмен прекращается. Самой маленькой эта часть будет, когда колонна работает “на себя”, без отбора — с СПН она составит всего 1,5-3 см. При отборе голов и хвостов — 2-4 см, тела — 6-8 см.
Число теоретических тарелок в ректификационной колонне
В зависимости от числа флегмы и спиртуозности жидкости в кубе, меняется количество теоретических тарелок одной и той же колонны. Если при работе “на себя” в ней будет около 100 ТТ, то при отборе тела — 10-40 ТТ, поскольку флегмы будет много.
Конструкция тарелок ректификационной колонны
Устройство тарелок ректификационной колонны может быть самым разнообразным, но самый простой, эффективный и популярный вариант насадки в бытовой колонне — это СПН.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Тарелка ректификационной колонны представляет собой горизонтальную перегородку в колонне, на тарелке находится слой стекающей по колонне жидкости ( орошение), сквозь которую барботируют поднимающиеся снизу пары. Тарелки бывают разнообразных конструкций и различаются по типу барботаж-ных устройств. Наиболее распространены колпачковые тарелки ( рис. 13), в которых имеются паровые патрубки 2, перекрытые колпачками 3 с зазубренными нижними краями. Чем больше в колонне тарелок и чем интенсивнее ее орошение, тем более четко удается разделить компоненты исходной смеси. [2]
Тарелка ректификационной колонны выполняет функцию смесителя, приводя в тесный контакт паровой и жидкий потоки, поступающие на нее, и функцию сепаратора, разделяющего достигшие равновесия фазы. Вследствие значительной разности плотностей пара и жидкости равновесные фазы легко отделяются друг от друга и свободно переходят в следующую ступень контакта. [3]
Тарелка ректификационной колонны представляет собой горизонтальную перегородку в колонне, на тарелке находится слой стекающей по колонне жидкости ( орошение), сквозь которую барботируют поднимающиеся снизу пары. Тарелки бывают разнообразных конструкций и различаются по типу барботаж-ных устройств. Наиболее распространены колпачковые тарелки ( рис. 13), в которых имеются паровые патрубки 2, перекрытые колпачками 3 с зазубренными нижними краями. Чем больше в колонне тарелок и чем интенсивнее ее орошение, тем более четко удается разделить компоненты исходной смеси. [5]
Тарелка ректификационной колонны выполняет функции смесителя, приводя в тесный контакт паровой и жидкий потоки, поступающие на нее, и функции сепаратора, разделяющего достигшие равновесия фазы. [6]
Сборка тарелок ректификационных колонн осуществляется при горизонтальном и вертикальном положениях. [7]
К тарелкам ректификационных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации и иметь малую массу. [9]
К тарелкам ректификационных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, иметь малое гидравлическое сопротивление, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны иметь малую массу, быть простыми по конструкции и удобными в эксплуатации. [10]
Расчет числа тарелок ректификационных колонн для заданных условий перегонки производится с помощью графического метода следующим образом. [14]
Тарельчатые колонны: понятие, виды, выбор, изготовление своими руками
Тарельчатые колонны для дистилляции имеют небольшую укрепляющую способность и традиционно используются при производстве виски, коньяка и других благородных напитков. Небольшое количество тарелок позволяет сохранить органолептику сырья при высокой стабильности и производительности аппарата.
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.
Если сравнивать фторопластовую тарелку с нержавеющей, то она будет намного быстрее затапливаться.
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.
Разница между насадочной и тарельчатой колонной
«У меня есть насадочная колонна, нужна ли мне тарельчатая?» – этот вопрос рано или поздно становится перед каждым винокуром. Обе колонны реализуют технологию тепломассообмена, но в их работе есть существенные отличия.
Количество ступеней укрепления
Насадочная колонна работает в режиме максимального разделения на предзахлебной мощности. Регулируя флегмовое число, можно менять количество теоретических тарелок в широком диапазоне: от нуля до бесконечности (при полностью отключенном дефлегматоре и работе колонны на себя).
Тарельчатой колонне характерно конструктивно заданное количество ступеней разделения. Одна физическая тарелка имеет КПД от 40 до 70 %. Другими словами, две физические тарелки дают одну ступень разделения (укрепления, теоретическую тарелку). В зависимости от режима работы КПД меняется не на столько, чтобы существенно повилять на количество ступеней.
Удерживающая способность
Насадочная колонна со своей малой удерживающей способностью позволяет хорошо очищать дистиллят от головной фракции и как-то сдерживать хвостовую.
Тарельчатая колонна имеет на порядок большую удерживающую способность. Это мешает ей сделать такую жесткую очистку от «голов», но позволяет прекрасно сдержать хвосты. То есть выровнять дистиллят по химическому составу. При этом чем больше нужно очистить дистиллят от примесей, тем больше тарелок требуется поставить. Простая задача, решаемая практически. Один раз нашел для себя оптимальное количество тарелок и больше не думаешь об этом.
Чувствительность к управляющим воздействиям
Насадочная колонна очень чувствительна к перепаду давления воды в дефлегматоре или изменению мощности нагрева. Небольшое их изменение приводит к изменению количества ступеней укрепления в разы или даже в десятки раз.
КПД тарелок может поменяться максимум в 1,5 раза, да и то при очень большом и целевом изменении этих параметров. Можно считать, что настроенная тарельчатая колонна, с точки зрения разделяющей способности, практически не будет реагировать на обычные небольшие перепады давления воды или напряжения.
Производительность
Производительность насадочной колонны в основном зависит от её диаметра. Оптимальным диаметром для современных насадок является 40-50 мм, при дальнейшем увеличении диаметра стабильность процессов падает. Начинают проявлять себя пристеночные эффекты и каналообразование. Тарельчатые колонны такими слабостями не страдают. Их диаметр и производительность можно увеличивать до любого необходимого значения. Лишь бы хватило мощности нагрева.
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.
Использование тарельчатых колонн при перегонке фруктового или зернового сырья особенно для дальнейшей выдержки в бочках значительно упрощает жизнь винокуру.
Основы выбора конструктивных размеров тарелок для колонны
Рассмотрим конструкции самых распространенных для бытовых целей тарелок.
Провальная тарелка
По своей сути это просто пластина с отверстиями, которые могут быть круглыми, прямоугольными, и т.д.
Флегма стекает в относительно крупные отверстия навстречу пару, что определяет главный недостаток провальных тарелок – необходимость точного регулирования заданного режима.
Небольшое уменьшение мощности нагрева приводит к тому, что вся флегма проваливается в куб, а увеличение мощности запирает флегму на тарелке и приводит к захлебу. Эти тарелки могут удовлетворительно работать в сравнительно узком диапазоне изменения нагрузок, где они вполне конкурентоспособны.
Простота конструкции и высокая производительность провальных тарелок, наряду с привычным в домашнем винокурении нагревом ТЭНами со стабилизированным по напряжению источником питания, привела к их широкому применению для непрерывных бражных колонн (НБК), что в сочетании с корпусом из боросиликатного или кварцевого стекла, делает настройку колонны простой и наглядной.
Для расчета количества и диаметра отверстий исходят из условия обеспечения барботажа. Экспериментально определено, что суммарная площадь отверстий должна быть равной 15-30% от площади тарелки (сечения трубы). В общем случае для БК периодического действия базовый диаметр отверстий порядка 9-10% от диаметра колонны позволяет попасть в рабочую зону.
Диаметр отверстий провальных тарелок для НБК подбирают, исходя из свойств сырья. Если при перегонке сахарной браги и вина достаточно отверстий диаметром 5-6 мм, то при перегонке мучных заторов диаметр отверстий 7-8 мм предпочтительнее. Впрочем, тарелки для НБК имеют свои особенности расчета, поскольку плотность паров по высоте колонны значительно меняется, то размеры необходимо просчитывать для каждой тарелки отдельно, иначе их работа будет далека от оптимальной.
Ситчатая тарелка с переливом
Если диаметры отверстий провальной тарелки сделать менее 3 мм, то уже при относительно небольшой мощности флегма будет запираться на тарелке и без дополнительных устройств перелива будет происходить её затопление. Но оборудованная такими устройствами ситчатая тарелка существенно расширяет свой рабочий диапазон.
Схема устройства ситчатой колонны:
1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан
С помощью переливных устройств на этих тарелках задается максимальный уровень флегмы, что позволяет избежать раннего затопления и более уверенно работать с высокой нагрузкой по пару. Это не мешает флегме при выключении нагрева полностью слиться в куб и перезапускать колонну придется с нуля, как и обычно для всех провальных тарелок.
При упрощенном расчете таких тарелок исходят из следующих соотношений:
В сливных отверстиях обязательно ставятся гидрозатворы, чтобы избежать прорыва пара. Ситчатые тарелки нужно устанавливать строго горизонтально для прохождения пара сквозь все отверстия и во избежание стекания флегмы сквозь них.
Колпачковые тарелки
Если вместо отверстий в тарелках сделать паропроводные трубки высотой больше, чем сливные трубки, и накрыть их колпачками с прорезями, то получим совершенно новое качество. Эти тарелки при отключении нагрева не сольют флегму. Разделенная по фракциям флегма останется на тарелках. Поэтому для продолжения работы достаточно будет включить нагрев.
Кроме того, такие тарелки имеют конструктивно закрепленный слой флегмы на поверхности, они работают в более широком диапазоне мощностей нагрева (нагрузок по пару) и изменениях флегмового числа (от полного отсутствия до полного возврата флегмы).
Немаловажно и то, что колпачковые тарелки имеют относительно высокий КПД – порядка 0,6-0,7. Все это, наряду с эстетичностью процесса, и определяет популярность колпачковых тарелок.
При расчете конструктива исходят из следующих пропорций:
Исходя из графиков, приведенных у Стабникова, видим, что при слое флегмы в 12 мм (2 кривая) максимальный КПД достигается при скорости пара порядка 0,3-0,4 м/с.
Для колонны в 2” с внутренним диаметром 48 мм необходимая полезная мощность нагрева составит:
N = V * S / 750;
N = 0,3 * 1808 / 750 = 0,72 кВт.
Можно подумать, что 0,72 кВт определяют небольшую производительность. Возможно, с учетом доступной мощности стоит увеличить диаметр колонны? Наверно, это правильно. Распространенные диаметры кварцевых стёкол для диоптров – 80, 108 мм. Возьмем 80 мм с толщиной стенки 4 мм, внутренний диаметр 72 мм, площадь сечения 4069 мм². Пересчитаем мощность – получим 1,62 кВт. Ну уже получше, для домашней газовой плиты подходит.
Выбрав диаметр колонны и расчетную мощность, определим высоту переливной трубочки и расстояние между тарелками. Для этого воспользуемся следующим уравнением:
V = (0,305 * H / (60 + 0,05 * H)) — 0,012 * Z (м/с);
Скорость пара 0,3 м/с, высота тарелки не должна быть меньше её диаметра. Для нижних тарелок высота слоя флегмы побольше. Для верхних поменьше.
Рассчитаем наиболее близкие варианты сочетаний высот тарелок и перелива, мм: 90-11; 100-14; 110-18; 120-21. С учетом того, что стандартное стекло имеет высоту 100 мм, для модульной конструкции выбираем пару 100-14 мм. Естественно, это всего лишь наш выбор. Можно взять и больше, тогда лучше будет защита от брызгоуноса с увеличением мощности.
Если конструкция не модульная, то простора для творчества больше. Можно сделать нижние тарелки с большей удерживающей способностью 100-14, а верхнюю с большей разделительной – 90-11.
Колпачки выбираем из стандартных и доступных размеров. Например, заглушки для медной трубы 28 мм, паровые трубы – труба 22 мм. Высота паровой трубки должна быть больше, чем у переливной, скажем 17 мм. Зазоры для прохода пара между колпачком и паровой трубой должны иметь большую площадь сечения, чем у паровой трубы.
Прорези для прохождения пара в каждом колпачке обязательно площадью сечения порядка 0,75 от площади паровой трубы. Форма прорезей особой роли не играет, но их лучше выполнять максимально узкими, чтобы пар разбивался на более мелкие пузырьки. Это увеличивает площадь соприкосновения фаз. Увеличение количества колпачков так же идет на пользу процессу.
Режимы работы колонны тарельчатого типа
Любые барботажные колонны могут работать в нескольких режимах. При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде пузырьков движется сквозь слой флегмы. Поверхность контакта фаз минимальна. При повышении скорости пара (мощности нагрева) отдельные пузырьки на выходе из прорезей сливаются в сплошную струю, а через небольшие расстояния из-за сопротивления барботажного слоя, струя распадается на множество мелких пузырьков. Образуется обильный пенный слой. Зона контакта – максимальна. Это пенный режим.
Если продолжить повышать скорость подачи пара, то длинна струй пара увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя не разрушаясь, образуя большое количество брызг. Площадь контакта снижается, эффективность тарелки падает. Это струйный или инжекционный режим.
Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Поэтому даже при расчете промышленных колонн определяют только скорости пара по нижнему и верхнему пределу работы. Рабочую же скорость (мощность нагрева) просто выбирают в этом диапазоне. Для домашних же колонн проводится упрощенный расчет на некую среднюю мощность нагрева, чтобы осталась возможность для регулировок в процессе работы.
Желающим провести более точные расчеты можно порекомендовать книгу А.Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической промышленности».
P.S. Вышеизложенное не является полноценной методикой, позволяющей рассчитать оптимальные размеры каждой тарелки применительно к любому конкретному случаю и не претендует на точность или наукообразность. Но всё же этого достаточно, чтобы сделать рабочую тарельчатую колонну своими руками или разобраться в достоинствах и недостатках колонн, предлагаемых на рынке.