Различные типы насадок и их характеристики

Насадка является главным конструктивным элементом колонны. Она «заведует» процессом ректификации и именно от неё зависят диаметр и высота, и, в конечном счете, цена любой колонны.

Процесс тепломассообмена в насадке проходит непрерывно по высоте, а состояние фазового равновесия, эквивалентное одной теоретической ступени, наступает после преодоления паром некоторого слоя «мокрой» насадки. Высоту этого слоя называют высотой, эквивалентной одной теоретической ступени - ВЭТС. (пояснение в «Теории»)

Понятно, что чем меньше ВЭТС, тем ниже будет насадочная колонна. Поэтому ВЭТС - один из основных показателей эффективности насадки.

Следует иметь в виду, что ВЭТС не является константой для выбранной насадки, а зависит от диаметра колонны и «перерабатываемого» вещества. Поэтому в ниже приведенной таблице характеристик насадок ВЭТС приведена исключительно для спирта и для колонны Ø40мм при нормальном атмосферном давлении.

Кроме ВЭТС эффективность насадки характеризуется и другими существенными показателями, «весомость» которых меняется в зависимости от условий ректификации (например, наличие вакуума), т.е. однозначно определить эффективность насадки невозможно, особенно, а ведь необходимо учитывать ещё и цену колонны.

Этими характеристиками насадки являются:

НП - насыпная плотность.
Это вес одного литра насадки и обычно измеряется в - [г/л]

СО - свободный объем, или объём не занятый материалом насадки.
Обычно измеряется в процентах от общего объёма - [%], и легко считает исходя из НП.

УП - удельная площадь тепломассообмена.
Измеряется «мокрой площадью» (площадь, которая покрыта пленкой флегмы) насадки в литре - [дм2/л].

СМ - смачиваемость насадки (или статическое влагоудержание).
Это объём жидкости, который способен «повиснуть» на литре насадки. Вычисляется из разницы веса сухой и мокрой насадки (обычно по воде). И измеряется в процентах к общему объёму насадки - [%].

ПС - пропускная способность.
В промышленности измеряется расходом пара, который в состоянии пропустить поперечная площадь этой насадки перед тем как произойдет её захлебывание – [(кг/час)/м2]. Но конкретно для спирта и для малых колонн гораздо удобнее пользоваться эквивалентным способом измерения - [Вт/см2], поскольку каждой единице мощности, затраченной на испарение, соответствует вполне определенный массовый расход спиртового пара (0,973кг/ч на каждый кВт).

УС - удельное сопротивление.
Перепад давления (ΔР) на одном метре насадки. В правильных единицах эта величина должна измеряться в [Па/м]. Но при лабораторных работах на колонне обычно применяют манометрическую трубку для измерения перепада давления. Поэтому в таблице мы приводим эту характеристику - [(мм Н2О)/м].

Если геометрические показатели насадок: НП, СО и УП, рассчитываются теоретически, а СМ определяется с помощью весов, то достаточно справедливые цифры по, ПС, ВЭТС и УС можно получить исключительно экспериментальным путем в колонне при реальном процессе в специальном боксе (как на картинке). Есть еще характеристики, которые не вошли в таблицу, например, способность насадки к перераспределению пара и флегмы – хорошая насадка должна обладать способностью быстро (через один-два калибра царги) распределить поток флегмы, поступающий только на одну сторону насадки, равномерно по всему своему сечению.

Здесь в таблице мы приводим характеристики ряда профессиональных насадок. В своих колоннах мы применяем только регулярную насадку «Зульцер спиральный» и насыпную «спирально-призматическую» насадку.

Шарики - не профессиональная насадка, но мы привели их в таблице исключительно для сравнения, как некую теоретическую форму, геометрические характеристики которой легко считаются, и которая достаточно часто обсуждается на спиртовых форумах (хотя из таблицы видно, что даже геометрические характеристики её очень плохие).

В этой таблице технических характеристик насадок некоторые графы пусты, мы их заполним позже.

Важно отметить, что из приведенных в таблице параметров важнейшим является ПС (пропускная способность по пару), которая в сочетании с ВЭТС определяет высоту и диаметр, т.е. цену колонны.

НАСАДКА		НП г/л	СО %	УП дм2/л	ПС Вт/см2	ВЭТС мм	УС (мм вод.ст)/м	Цена насадки руб/л
Насыпная	Шарики Ø4мм	4140	47,6	79	40	30	-	-
Насыпная	Трубки 6х5х0,5 (аналог колец Рашига)	1580	80,0	88	85	35	-	-
Насыпная	Спирально-призматическая 3х3х0,2	924	88,3	149	89	25	233	-
Насыпная	Спирально-призматическая 4х4х0,27	930	88,2	111	130	30	220	-
Регулярная	Зульцер классический 2,5	329	96,0	100	172	38	145	-
Регулярная	Зульцер спиральный 2,5	331	95,8	108	170	40	150	-
Регулярная	Стедман Прямой 2,5	350	90,0	187	205	70	104	-
Регулярная	Стедман Наклонный 2,5	340	92,0	170	195	65	117	-

В лабораторной ректификации есть еще группа контактных устройств, которые не занимают собой весь внутренний объем царги и не являются в классической трактовке ни тарелками, ни насадкой, а относятся к элементам пленочной ректификации. Например:

поперечные шайбы и диски из сетки, чередующиеся через разграничители;
усеченные сетчатые конуса с боковыми полуокнами, установленные с чередованием положения вершины конуса вверх и вниз;
гармошка, сложенная из сетчатых полос;
однозаходная или многозаходная спираль Архимеда;
вертикальные струны (стержни, мелкие цепочки, бусы, тросы, и т.п.), по которым тонким слоем течет флегма, а пар движется параллельно этой конструкции.

Мы эти контактные элементы не применяем и здесь не рассматриваем, но эффект пленочной ректификации используем в конструкции вертикальных дистилляторов.

← пред.

В оглавление: Конструкция ректификационной колонны

след. →