1. APARATE TIP COLOANA IN INDUSTRIA CHIMICA

Transcript

1 1. APARATE TIP COLOANA IN INDUSTRIA CHIMICA 1.1 Caracterizarea aparatelor tip coloană Definire şi elemente componente Aparatele de tip coloană sunt recipiente cilindrice cu diametru mic comparativ cu înălţimea. Considerarea unui utilaj ca aparat tip coloană, din punct de vedere mecanic, depinde de svelteţea sa caracterizată de înălţimea relativă H t i H = (1.1) Di ech în care: Ht - înălţimea totală a utilajului măsurată de la sol, iar Diech.- diametrul interior echivalent al coloanei. Independent de tipul procesului fizic sau fizico - chimic care are loc, un utilaj de tip recipient se încadrează în grupa aparatelor tip coloană dacă H t D i ech. > 5 şi H t < 10m, sau pentru orice raport H t / D ech., i dacă H t > 10m. Aparatele de tip coloană au ca scop realizarea unui anumit proces fizic sau fizico-chimic, caracterizat prin parametri de regim determinaţi. Se întâlnesc coloane care lucrează sub vid, la presiune atmosferică sau supra atmosferică (1-50 at.) şi la temperaturi de o C (coloane de funcţionare în instalaţiile de cracare, reactoare şi generatoare pentru reacţii catalitice, etc.) In industria chimică, în majoritatea cazurilor în aparatele de tip coloană au loc procese de transfer de substanţă (absorbţie, desorbţie, chemosorbţie, rectificare, extracţie, adsorbţie), motiv pentru care ideea de aparat tip coloană este asociată cu transferul de substanţă sau de masă. În cazul proceselor de transfer de substanţă este necesar un contact intim între două faze : gaz lichid, lichid lichid; solid gaz. Spre a asigura timpul de contact necesar realizării procesului dorit, coloana trebuie să aibă o anumită înălţime, care este un multiplu al diametrului. In majoritatea coloanelor pentru procese de transfer de substanţă sau de masă, lichidul curge de sus în jos, sub acţiunea gravitaţiei, iar gazul sau vaporii de jos în sus, sub acţiunea presiunii. Interioarele coloanelor au drept scop crearea şi mărirea la maxim a suprafeţei de contact între faze. In acest scop se umple coloana cu corpuri de umplere, peste care curge lichidul supus prelucrării sau se pulverizează lichidul (coloane cu umplutură). In alte cazuri se compartimenteaza coloana pe înălţime, cu ajutorul unor talere, pe care are loc fie barbotarea gazului prin lichid (coloane cu funcţionare în regim de barbotare), fie pulverizarea lichidului de către gaz (coloane cu functionare în regim de picături sau de pulverizare). In coloanele cu umplutură sau cu pulverizare, concentraţia celor două faze variază continuu pe înălţime. In coloanele cu talere variaţia fazelor se face în trepte ale caror numar este egal cu cel al talerelor. Există şi coloane mixte, cu 1

2 umplutură şi cu talere, de exemplu în industria sodei caustice pentru recuperarea CO 2 şi NH 3. In figura 1.1 sunt prezentate principial cele două tipuri de coloane: cu umplutură (fig. 1.1a) şi cu talere (fig. 1.1b). In interiorul coloanei cu umplutură se află un număr de grătare pe care se aşează câte un strat de corpuri de umplere. Lichidul L trece prin aceste straturi, curgând desus in jos şi iese cu compozitia L 1. Gazul G sau vaporii V trec de jos în sus prin stratul de umplutura şi ies cu compoziţia G 1. Coloanele cu talere sunt prevăzute în interior cu talere situate la o anumită distanţă H, între ele (fig. 1b). Lichidul trece de sus în jos de la un taler la altul, iar gazul de jos în sus, pe taler schimbându-se atât compoziţia lichidului cât si a gazului. Construcţia interiorului coloanei urmăreşte mărirea la maxim a suprafetei de contact dintre faze. Umplutura şi talerele au acest rol. Lichidul şi vaporii (gazele) circulă în general în contracurent. Ideea dispunerii pe verticală, în coloană a elementelor componente ale instalaţiilor a fost aplicată şi în domeniul proceselor de transfer de căldură (coloane de evaporare). De exemplu coloana din fig. 1.2 poate fi utilizată pentru operaţii de transfer de substanţă sau de căldură între un material solid adus pe talerul superior al coloanei şi o fază gazoasă sau de vapori care intră pe la partea inferioară a coloanei, prin racordul 6. Faza solidă este alimentată, dozat, pe talerul superior prin intermediul alimentatorului compus din sistemul de antrenare 9, gura de alimentare 10, şi transportorul melcat 11. Talerele 4, fixate de peretele coloanei sunt prevăzute cu deschiderile 5 prin care faza solidă trece de pe un taler pe altul, iar faza gazoasă dintr-un compartiment inferior în unul superior. Deplasarea solidului pe taler se realizează cu ajutorul paletelor racloare 3, prinse pe arborele 2, antrenat în mişcare de rotaţie de grupul motor reductor 1. Evacuarea fazei solide are loc în jgheabul 7, iar a fazei gazoase prin racordul 12. Prin dispunerea deschiderilor 5, a două talere alăturate la 180 o, timpul de contact gaz solid pe fiecare taler este egal cu 1/n, în care n este turaţia arborelui 2. 2

3 Construcţiile de aparate de mare capacitate, prevăzute cu dispozitive de amestecare, ce se caracterizează prin raport H/D i mare se încadrează în categoria aparatelor tip coloană. Aparatul din figura 1.3 cu o capacitate de 80 m 3 şi având un debit de 190 m 3 /min, poate fi considerat ca un aparat tip coloană, deşi serveşte numai operaţiilor de amestecare şi transfer de căldură. Intensitatea acestor operaţii este asigurată de cinci amestecătoare 4, prinse pe arborele 3, antrenat în mişcare de rotaţie de motorul electric 8. Datorită înălţimii aparatului, arborele este construit din două părţi şi asamblat cu ajutorul unui cuplaj rigid 5. In general aparatul tip coloană este cilindric cu acelaşi diametru interior, sau diametre diferite pe înălţime (fig. 1.4). Un aparat tip coloană este construit din 3

4 următoarele părţi principale: corpul coloanei, inclusiv sistemul de rezemare, amenajările interioare (interioarele); amenajările exterioare (exterioarele). Amenajările sau echipamentele interioare favorizează transferul de substanţă, iar amenajările exterioare permit realizarea operaţiilor de întreţinere curentă, montarea sau demontarea interioarelor coloanelor. Amenajările interioare pot fi: talere, corpuri de umplere, serpentine, iar cele exterioare : scări, platforme, dispozitive de ridicare. Corpul coloanei (aparat tip recipient) se realizează prin sudare din virole (cilindrice sau cilindrice şi tronconice) sau se asamblează din virole (sudate sau turnate) prevăzute cu flanşe. Coloana se rezeamă pe o virolă suport (coloană autoportantă), pe suporturi laterale sau este rezemată la diverse niveluri. Corpul coloanei se realizează din materiale corespunzătoare condiţiilor de lucru, ţinând seama şi de tehnologia de fabricare posibil a fi aplicată. Grosimea peretelui coloanei în anumite condiţii de funcţionare (presiuni şi temperaturi mari) poate ajunge până la 120 mm. In funcţie de diametrul şi înălţimea coloanei precum şi în funcţie de valoarea parametrilor de regim grosimea pereţilor poate avea valori ce variază între 4 şi 120 mm. Interioarele coloanei au drept scop realizarea procesului fizic sau fizicochimic propus. Ele depind de tipul procesului fizic sau fizico- chimic care are loc în utilaj si trebuie să satisfacă, prin formă şi dimensiuni condiţiile pentru realizarea funcţionării optime. Alegerea tipului de amenajări interioare se face în functie de asigurarea unui debit de lichid (L), corespunzător unei densităti de stropire mai mare decât o valoare minimă de m 3 /m 2 h. Exterioarele coloanei au drept scop deservirea elementelor funcţionale ale coloanei (armături), accesul la gurile de vizitare şi control, etc. Acestea sunt constituite din: scări, platforme, dispozitive de ridicat, etc. Aparatele tip coloană pot atinge înălţimi de peste 100 m şi diametrul de peste 15 m. Aparatele tip coloană se montează în instalaţii fie independent (fig. 1.1), fie în grup (fig. 1.5). In acest din urmă caz coloanele pot avea fundaţii independente sau comune. De asemenea platformele de deservire pot fi comune, de exemplu poz. 4 (fig. 1.5) sau individuale 5, 6, 7. (fig. 1.5). La coloanele montate în grup, care 4

5 necesită deservire la multe niveluri, în locul platformelor prinse la corpul coloanei, se utilizează o construcţie metalică independentă (ca o schelă) care cuprinde toate coloanele, pe laturi şi pe înălţime. Pe partea exterioară coloana este prevăzută cu inele şi cleme pentru fixarea izolaţiei termice şi ignifuge Tipuri de aparate tip coloană. Domenii de utilizare. In funcţie de variantele constructive ale amenajărilor interioare se deosebesc urmatoarele tipuri de aparate tip coloană. Coloane cu umplutură. Acestea se utilizează îndeosebi la prelucrarea substanţelor agresive sau de mare vâscozitate, când sunt necesare căderi mici de presiune sau când cantitatea de lichid din coloană este mică. Coloanele cu umplutură se utilizează de exemplu la operaţii de distilare fracţionată în vid (cădere mică de presiune), sau în operaţii de fracţionare discontinuă, în instalaţiile pilot şi semiindustriale şi în lucrări de cercetare în laborator. Noile tipuri de umplutură de mare eficacitate, permit separarea în coloanele cu umplutură, a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate. Unele coloane cu umplutură, în care lichidul este pulverizat servesc la curăţirea, răcirea sau umezirea gazelor. Coloane cu talere. Sunt utilizate în industria chimică pentru distilări şi rectificări, pentru absorbţie, extracţie, desorbţie, reacţii chimice în sistem eterogen, gaz - lichid şi lichid-lichid, etc. Transferul de substanţă la aceste coloane are loc în zona de spumare ce se obţine ca urmare a barbotării vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler. Dispersarea fazelor de pe taler este uniformă. Faţă de coloanele cu umplutură, coloanele cu talere au următoarele dezavantaje: căderi de presiune mai mari, construcţie mai complicată, preţ de cost mai mare şi întreţinere mai pretenţioasă. Coloane cu rafturi şi cu şicane. Coloanele cu rafturi în cascadă se utilizează în general la răcirea şi umezirea gazelor, sau la absorbţia gazelor care se dizolvă uşor în lichide. Ele sunt mai economice decât coloanele cu umplutură d. p. d. v. al consumului de apă, au însă gabarite mai mari decât coloanele cu umplutură. 5

6 Coloane cu sisteme de injectare a vaporilor prin lichid. Mărirea debitelor coloanelor de rectificare şi de absorbţie se poate face pe două cai: prin mărirea diametrului coloanei sau prin utilizarea unor amenajări interioare care să permită mărirea vitezei vaporilor şi a debitului de lichid. Sistemele de injectare a vaporilor în vederea intensificării transferului de masă, permit mărirea debitului şi realizarea unor construcţii compacte. Coloane cu elemente tubulare. Se utilizează numai pentru operaţii de transfer de masă însoţite sau nu de transfer de căldură. Coloane cu elemente rotative. Unele aparate tip coloană sunt prevăzute cu elemente rotative: arbori cu amestecătoare sau cu discuri. La operaţiile de extracţie lichid - lichid continue, intensificarea transferului de masă se poate obţine prin turbulenţa care rezultă din amestecarea sau agitarea lichidelor Utilizarea aparatelor tip coloană în industria alimentară Aparatele tip coloană sunt întâlnite în industria alimentară, în liniile tehnologice de fabricaţie a unor produse cu puritate sau concentraţie ridicată, procesul de lucru având la bază operaţia de distilare. Prin distilare se separă prin vaporizare, urmată de condensarea vaporilor rezultaţi, diferite substanţe din amestecurile omogene formate din două sau mai multe componente ale căror temperaturi de fierbere sunt diferite la aceiaşi presiune. Dacă la aceiaşi presiune, între temperaturile de fierbere ale componentelor este o diferentă foarte mică, atunci nu este suficientă o singură operaţie de distilare. Operaţia se va repeta până la separarea completă a componentelor şi în acest caz se numeşte rafinare sau rectificare. Distilarea se realizează prin mai multe metode urmărindu-se fie obţinerea unui distilat cât mai bun (de exemplu în industria spirtului), fie a unui concentrat cât mai pur (de exemplu în industria uleiului şi a concentratelor de fructe). De obicei nu se poate obţine un component în stare pură printr-o singură distilare. În acest caz se aplică metode de rectificare care sunt utilizate, fie la concentrarea alcoolului, fie la recuperarea aromelor volatile din sucurile de fructe, care au fost supuse în prealabil unui tratament termic. In industria alimentară distilarea şi rectificarea se aplică la obţinerea alcoolului rafinat din produse amidonoase, la rafinarea uleiului, la obţinerea distilatelor de vin, la recuperarea aromelor din sucurile de fructe supuse concentrării prin evaporare, etc. Se cunosc următoarele metode de distilare: simplă, fracţionată, integrală şi rectificarea (rafinarea) Distilarea simplă Această metodă se utilizează pentru a separa un component uşor volatil (alcool) dintr-un amestec care pe lângă apă conţine şi substanţe volatile. Distilarea simplă se realizează printr-o evaporare lentă a soluţiei, care fierbe în blaza de distilare, cu evacuarea continuă a vaporilor formaţi în instalaţie şi 6

7 condensarea succesivă a acestora. Pe parcursul operaţiei, conţinutul relativ de substanţe volatile scade încetul cu încetul atât în distilatul obţinut din condensarea vaporilor cât şi în soluţia rămasă în blaza de distilare. In majoritatea cazurilor, distilarea simplă este însoţită de o îmbogăţire suplimentară a distilatului cu componentul cel mai volatil, prin răcirea vaporilor cu aer sau cu apă. Operaţia se numeşte deflegmare, iar răcitorul se numeşte deflegmator). Ca rezultat, are loc condensarea parţială a vaporilor şi o îmbogăţire a acestora cu un component ceva mai volatil. Condensatul obţinut se scurge înapoi în blaza de distilare, participând la schimbul de masă şi căldură. In majoritatea cazurilor, cu ajutorul distilării simple nu putem obţine o separare completă a amestecului omogen pe componente, fiind nevoie să se recurgă şi la alte operaţii. In figura 1.6 sunt prezentate scheme de principiu ale procesului de distilare simplă. Distilarea simplă constă în evaporarea amestecului într-un fierbător (blaza de distilare) 1 şi condensarea vaporilor rezultaţi într-un condensator 2, plasat în afara spaţiului de fierbere fig. 1.6a. Amestecul se introduce în blază prin racordul 3, unde, cu un sistem de încălzire (serpentină manta sau fascicul tubular), se aduce la fierbere. Vaporii trec la condensator pentru a suferi transformarea inversă de fază. Faza lichidă introdusă în blază se numeşte amestec iniţial, ceea ce rămâne în blază la sfârşitul distilării formează reziduul care se evacuează prin racordul 5. Vaporii condensaţi constituie distilatul 6 care se colectează în rezervorul 7. Gradul de separare se îmbunătăţeşte dacă o parte din distilat se reîntoarce în blază. Fracţiunea de distilat returnată în blază se numeşte reflux. Cu cât cantitatea de lichid refluxată este mai mare, cu atât distilatul este mai bogat în component uşor volatil. Refluxul 8 se poate obţine printr-o condensare parţială ă vaporilor întrun condensator (deflegmator) 9, situat în afara spaţiului de filtrare ( fig. 1.6 b ) sau chiar deasupra blazei ( fig. 1.6 c ). Vaporii care rămân necondensaţi în deflegmator trec în condensatorul 2, unde condensează total şi lichidul rezultat constituie distilatul. 7

8 Distilatul are o compoziţie variabilă, la începutul operaţiei este mai bogat în component uşor volatil şi poate fi colectat în recipienţi separaţi pe diverse intervale de temperatură. Rezultatele fracţionării formează aşa numitele fracţii, apoi se obţine un produs de mijloc şi în final cozile (produsul cu conţinutul cel mai scăzut de component uşor volatil) Distilarea fracţionată Se foloseşte când se urmăreşte obţinerea, din amestecul supus distilării, a componentelor volatile cu concentraţii diferite, fiecare prezentând interes din punct de vedere economic. Această metodă de distilare se realizează prin creşterea treptată a temperaturii amestecului, astfel încât la temperaturi diferite, să se obţină componente de compoziţii diferite. Prima fracţiune va fi mai bogată în conţinut uşor volatil, pe când ultima va fi mai săracă în acelaşi component Distilarea integrală Când în urma vaporizării se obţin vapori care sunt menţinuţi în acelaşi aparat de distilare, nefiind imediat separaţi, aceştia se îmbogăţesc în componentul uşor volatil. După o perioadă de menţinere a fazei vaporilor în contact cu faza lichidă, vaporii care nu au condensat în aparatul de distilare, sunt evacuaţi într-un condensator, unde se realizeaza condensarea, obţinându-se astfel un lichid destul de bogat în component uşor volatil Rectificarea In cazul în care este necesar sa se obţină componente de puritate cât mai mare, se aplică distilarea repetată prin vaporizarea componentului uşor volatil şi condensarea acestuia în mai multe trepte, numite trepte de concentrare. Pe fiecare treaptă de concentrare ( formată din lichidul în care condensează de fiecare dată, numai componentul volatil ) se separă componentul uşor volatil, la ultima treaptă obţinându-se componentul aproape pur. 8

9 2. Instalaţii pentru distilarea şi rafinarea spirtului 2.1 Distilarea plămezii fermentate Plămada fermentată este un amestec apos de diferite substanţe aflate în soluţie sau în suspensie, unele dintre ele fiind substanţe nefermentabile provenite din materii prime şi auxiliare, iar altele produse ale fermentaţiei alcoolice. In timpul fermentaţiei alcoolice se formează ca produse principale alcoolul etilic şi bioxidul de carbon, iar ca produse secundare aldehide, esteri, alcooli superiori, alcool metilic, glicerină, etc. De asemenea, plămada fermentată mai conţine drojdie şi eventual bacterii de infecţie. Concentraţia alcoolică a plămezii fermentate variază în limite largi cuprinse între 6 şi 12 %, în funcţie de felul materiei prime şi de procesul tehnologic aplicat, de obicei fiind de 8-9 % alcool vol. Plămezile fermentate din materii prime amidonoase sau melasă sunt supuse operaţiei de distilare prin care se extrag din plămadă alcoolul etilic şi alte substanţe volatile sub forma spirtului brut, care este concentrat şi purificat în continuare prin operaţia de rafinare obţinându-se ca produs finit spirtul rafinat. Distilarea se realizează prin încălzirea până la fierbere şi fierberea plămezilor fermentate în instalaţii speciale prin care alcoolul etilic şi alţi componenţi volatili trec în fază de vapori şi sunt apoi condensaţi prin răcire cu apă. Pentru a înţelege mai bine procesul de separare a alcoolului din plămadă prin distilare se poate asimila plămada fermentată cu un amestec binar miscibil format din alcool etilic şi apă, având o concentraţie alcoolică egală cu a plămezii fermentate. Separarea alcoolului etilic din acest amestec se bazează pe diferenţa de volatilitate dintre acesta şi apă. Astfel alcoolul etilic este mai volatil ca apa, având o temperatură de fierbere de 78,39 o C, în timp ce temperatura de fierbere a apei este 100 o C, la presiune atmosferică. Totuşi separarea alcoolului etilic din amestec nu se face la presiunea (temperatura) de fierbere a alcoolului etilic pur, ci la o presiune care rezultă din solubilitatea reciprocă a alcoolului etilic şi a apei. Întrucât separarea componentelor din amestec prin distilare se face în ordinea volatilităţii lor, distilând mai întâi cele ce au volatilitate mai ridicată, deci cu temperatură de fierbere mai scăzută, înseamnă că vaporii rezultaţi prin fierberea amestecului de alcool şi apă vor fi mai bogaţi în alcool etilic, iar amestecul supus distilării se va epuiza treptat în alcool. Pe măsura epuizării în alcool temperatura de fierbere a amestecului se va apropia de cea a apei, ajungând la C pe măsură ce amestecul este epuizat în alcool. In afara de alcool şi apă, prin distilarea plămezii fermentate trec în distilat şi alte substanţe volatile conţinute ca: aldehide, esteri, alcooli superiori, acizi volatili, alcool metilic, care îi conferă un gust şi un miros neplăcut. Se obţine aşa numitul spirt brut, care trebuie purificat în continuare prin operaţia de rafinare. Reziduul fără alcool rezultat de la distilare este denumit borhot. În funcţie de construcţie şi de modul de funcţionare instalaţiile de distilare şi rafinare pot fi: cu funcţionare continuă sau cu funcţionare discontinuă. 9

10 2.1.1 Instalaţii de distilare continuă a plămezii fermentate Operaţia de distilare a plămezii fermentate se realizează astăzi în exclusivitate în instalaţii cu funcţionare continuă în care procesul fizic care are loc este următorul: - plămada fermentată preîncălzită intră pe la partea superioară a unei coloane de plămadă prevăzută cu talere cu clopote (fig.1.1b) şi se scurge prin coloană cu viteză constantă în contracurent cu aburul care se introduce pe la baza coloanei; - pe măsură ce urcă în coloană vaporii se îmbogăţesc treptat în alcool, prin vaporizările repetate de component volatil (alcool) şi condensările repetate de component mai puţin volatil (apă), rezultând pe la partea superioară coloanei de plămadă (deasupra talerului de alimentare cu plămadă) vapori alcoolici cu concentraţia în alcool în echilibru cu cea a plămezii fermentate, care sunt concentraţi suplimentar până la tăria necesară a spirtului brut într-o coloană de concentrare; - prin scurgerea plămezii de pe un taler pe altul se realizează epuizarea treptată a plămezii în alcool, rezultând pe la baza coloanei un reziduu dezalcolizat borhotul. Instalaţiile de distilate continuă a plămezilor fermentate se pot împărţi în funcţie de modul de amplasare a celor două coloane, de plămadă şi de concentrare în două grupe: - instalaţii cu două coloane suprapuse; - instalaţii cu două coloane alăturate Instalaţia cu două coloane suprapuse Instalaţia cu două coloane suprapuse este prezentată în figura 2.1. Cu ajutorul pompei cu piston 1 plămada fermentată este introdusă în deflegmatorul 2 al coloanei de distilare 3, unde se preîncălzeşte până în apropierea punctului de fierbere pe seama vaporilor alcoolici care se condensează parţial în deflegmator. Plămada preîncălzită se introduce apoi pe talerul superior al coloanei de plămadă 3a, încălzită la bază cu abur direct, în care se realizează epuizarea plămezii în alcool, rezultând pe la partea inferioară borhot, care este evacuat din coloană cu ajutorul regulatorului de borhot 4. Vaporii alcoolici rezultaţi din coloana de plămadă, care este prevăzută cu talere cu clopote, trec apoi în coloana de concentrare 3b, prevăzută de obicei cu talere cu site, în care se realizează concentrarea vaporilor de spirt brut. Vaporii de spirt brut trec apoi în deflegmatorul 2, în care se condensează parţial componentul mai puţin volatil, pe seama plămezii care se preîncălzeşte şi eventual a apei de răcire. In acest fel deflegmatorul realizează o concentrare suplimentară a vaporilor prin condensarea componentului mai puţin volatil, care se reîntoarce în coloană sub formă de reflux extern printr-o conductă specială. Deflegmatorul este paralelipipedic, montat direct deasupra coloanei de concentrare, fiind răcit cu plămadă în zona 2a şi cu apă în zona 2b,. 10

11 Se pot utiliza şi deflegmatoare multitubulare verticale, montate în acelaşi mod, cât şi deflegmatoare multitubulare orizontale, cu unul sau două corpuri amplasare separat. In ultimul caz se formează un reflux extern, care se întoarce în coloană pe ultimile talere de sus. Vaporii de spirt brut deflegmaţi sunt trecuţi apoi în condensatorul răcitor 5, în care se face condensarea în partea superioară multitubulară 5a, şi răcirea în partea inferioară 5b, spirtul brut circulând prin serpentină. In scopul economisirii apei de răcire, aceasta trece în continuare la răcirea deflegmatorului 2b. Spirtul brut obţinut, cu o concentraţie alcoolică de % vol., este trecut apoi la felinarul decontrol 6, unde se poate citi tăria alcoolică şi temperatura, cu ajutorul unui termometru. Trece în continuare în filtrul de spirt 7, unde se separă pe bază de diferenţă de densitate impurităţile mecanice din spirt. Separarea acestor impurităţi cât şi omogenizarea care se realizează în filtru sunt necesare pentru operaţia următoare de măsurare a cantităţii şi concentraţiei spirtului brut 8, care se realizează cu ajutorul unui aparat special de control. De la aparatul de control spirtul brut este trecut prin conducte la rezervorul de colectare a spirtului brut. In cazul în care se produce un spirt brut de concentraţie mai redusă, având în vedere faptul că, pentru rafinare spirtul brut se diluează cu apă, se poate lucra fără apă de răcire la deflegmator, fiind suficientă răcirea cu plămada care se preîncălzeşte. Acest tip de instalaţie are avantajul că se manipulează mai uşor, deoarece extragerea şi concentrarea alcoolului se fac într-o singură operaţie, iar consumul de abur şi pierderile în alcool sunt mai mici. Datorită acestor avantaje este instalaţia 11

12 de distilare cea mai răspândită. Ca dezavantaje s-ar putea menţiona înălţimea instalaţiei, cât şi faptul că se obţine un borhot mai diluat, cu un gust mai puţin plăcut, deoarece refluxul de la deflegmator curge prin coloană şi diluează suplimentar borhotul Instalaţia cu două coloane alăturate Acest tip de instalaţie prezentat în figura 2.2, elimină cele două dezavantaje ale instalaţiei cu coloane suprapuse. Plămada fermentată preîncălzită în deflegmatorul 5, intră pe la partea superioară a coloanei de plămadă 1, care este încălzită pe la bază de abur. In coloană se realizează epuizarea plămezii în alcool obţinându-se borhot care se evacuează pe la baza coloanei prin regulatorul de borhot 2. Din coloana de plămadă rezultă vapori de spirt diluat, care se ridică în partea superioară a coloanei şi sunt trecuţi prin separatorul de picături 6, în coloana de condensare 3. In partea inferioară 3a se face epuizarea lichidului în alcool, obţinându-se pe la bază un lichid fără alcool denumit apă de luter, care se evacuează prin intermediul regulatorului 4. In partea superioară a talerului de alimentare 3b, se concentrează vaporii de spirt brut, care sunt trecuţi în continuare în deflegmatorul 5, în condensatorul răcitor 6, în felinarul de control 7 şi apoi în filtrul de spirt brut 8. Borhotul rezultat din această instalaţie este mai concentrat, deoarece apa de luter rezultată din refluxul coloanei 3 se evacuează separat. Astfel din 100l plămadă se obţin aproximativ 100 l borhot, comparativ cu instalaţia cu coloane suprapuse în care se obţine circa 110 l borhot. Dezavantajele acestei instalaţii sunt determinate de consumul mai ridicat de abur, şi de pericolul de a pierde o parte din alcool prin apa de luter. Datorită acestor dezavantaje, acest tip de instalaţie este mai puţin utilizată în practică. 12

13 2.1.4 Incălzitoare si răcitoare Blazele de distilare sunt schimbătoare de căldură fig. 2.3 cu manta (a) cu serpentină interioară (b) sau cu fascicul multitubular (c). Corpul blazei trebuie să fie suficient de mare pentru a asigura capacitatea de preluare/şarjă. In cazul în care blaza se află în afara coloanei de distilare, este prevăzută cu racorduri pentru alimentare cu amestec 2, evacuarea vaporilor care s-au strâns în dom 3, evacuarea produsului rămas după distilare în blază 4, reîntoarcerea fracţiunilor grele sub formă de reflux 5. Spaţiul de încălzire 6 este de asemenea prevăzut cu racord de alimentare 7 şi de evacuare a agentului de încălzire 8. In blază amestecul este încălzit şi menţinut la o anumită temperatură, pentru vaporizarea componentului uşor volatil. Deflegmatorul este un schimbător de căldură în care se realizează condensarea parţială a vaporilor formaţi. Condensatorul este un recipient în care se condensează vaporii bogaţi în component uşor volatil rămaşi necondensaţi în deflegmator Exploatarea instalaţiilor de distilare Înainte de a se pune în funcţiune instalaţia din figura 2.1, se umple cu apă coloana de distilare 2, în care se introduce abur, pentru a constata dacă nu există neetanşeităţi pe la flanşe. Dacă etanşarea coloanei este bună, se demontează vizoarele din dreptul talerelor pentru scurgerea apei şi apoi se montează din nou. Se umple coloana cu plămadă cu ajutorul pompei 1, care se opreşte şi apoi se dă drumu, la abur de 4-5 at., pentru încălzirea coloanei. Acest proces este considerat încheiat în cazul în care conducta de spirt de la condensatorul-răcitor la felinarul de control se încălzeşte. Se începe alimentarea coloanei cu plămadă, prin deschiderea robinetelor de apă de răcire a condensatorului-răcitor şi a deflegmatorului. Se reglează astfel debitul de alimentare cu plămadă, încât în 13

14 coloană să se ajungă la un regim normal de funcţionare la o temperatură de o C şi la o suprapresiune 0,12-0,13 at. Printr-o corelare a debitului de plămadă, abur şi apă de răcire trebuie să se ajungă la un debit constant de spirt la felinarul de control, a cărui tărie trebuie să fie de o alcoolice, iar temperatura o C. Dacă temperatura în coloană creşte este necesar să se mărească debitul de plamadă şi invers. O mărire excesivă a debitului de plămadă poate determina creşterea conţinutului de alcool în borhot, datorită unei insuficiente epuizări în alcool a plămezii. In cazul scăderii presiunii în coloană este necesar să se mărească debitul de abur, iar la creşterea excesivă a debitului de spirt brut, trebuie să se mărească debitul apei de răcire a condensatorului şi deflegmatorului. Prin automatizarea complexă a instalaţiei se asigură un regim optim de funcţionare. Parametrii principali care se reglează sunt: - concentraţia spirtului la felinar; - intensitatea procesului de distilare. Concentraţia spirtului se reglează prin măsurarea vaporilor de spirt deflegmaţi. Modificările de temperatură sunt preluate de un termoregulator care comandă mărirea sau micşorarea debitului de alimentare a coloanei de plămadă. Intensitatea distilării se măsoară prin presiunea din spaţiul de deasupra talerului de alimentare cu plămadă. In cazul micşorării productivităţii coloanei sub valoarea optimă are loc o scădere a presiunii în acest spaţiu, mărindu-se în mod automat debitul de alimentare al coloanei cu abur şi invers. Debitul apei de răcire se poate regla cu ajutorul unui termoregulator montat între condensatorul răcitor şi felinarul de control. Scoaterea temporară din funcţiune a instalaţiei de distilare se face mai întâi oprindu-se pompa de plămadă şi apoi accesul aburului. După ce a scăzut presiunea din coloană se închide şi apa de răcire. Pentru repunerea în funcţiune se dă drumu mai întâi la abur, care încălzeşte plămada acumulată la baza coloanei, iar în momentul în care a început să curgă spirt la felinarul de control se porneşte şi pompa de plămadă. In cazul opririlor de lungă durată este necesar ca după oprirea pompei de plămadă să se fiarbă plămada din coloană, până când la felinarul de control nu se mai constată prezenţa alcoolului, după care se închide accesul aburului şi a apei de răcire Rafinarea spirtului brut Spirtul brut se obţine ca produs intermediar în urma distilării, având o concentraţie alcoolică de % vol. El conţine o serie de impurităţi mai mult sau mai puţin volatile (aldehide, esteri ai alcoolului etilic şi ai altor alcooli sau acizi volatili, alcooli superiori etc.), fie provenite din plămada fermentată, fie formate chiar în cursul procesului de distilare. Deşi impurităţile reprezintă doar 0,5 1 % din alcoolul etilic, datorită acestora spirtul brut are un gust şi miros neplăcut, opalescenţă şi sunt dăunătoare sănătăţii. Aceste impurităţi se pot elimina din spirtul brut prin operaţia de rafinare. Deoarece această operaţie este legată de un proces de creştere a concentraţiei 14

15 spirtului prin distilare repetată se numeşte rafinare (rectificare). Rafinarea determină obţinerea unui produs cu puritate superioară denumit spirt rafinat sau alcool etilic rafinat. Prin rafinare spirtul se concentrează, devine limpede fără gust şi miros neplăcut, cu excepţia unor sortimente de spirt, obţinut din cereale, care nu trebuie să-şi piardă aroma caracteristică a materiei prime. El trebuie să aibă o concentraţiei alcoolică de min. 96 % vol., nu trebuie să conţină alcool metilic şi furfurol, iar conţinutul în acizi, esteri, aldehide şi alcooli superiori trebuie să fie foarte scăzut. Impurităţile mai volatile (aldehida acetică, acetatul de metil, acetatul de etil) vor fi ridicate de către vaporii alcoolici care se concentrează în vârful coloanei de rafinare de unde vor fi evacuate în stare de vapori sub formă de frunţi. Impurităţile cu volatilate mai redusă (grele), odată cu creşterea concentraţiei alcoolice nu se vor ridica în coloană sub formă de vapori ci vor fi retrogradate spre partea inferioară formând cozile. In concluzie prin rafinarea spirtului brut se obţin trei fracţiuni: frunţile, spirtul rafinat, cozile. Rafinarea spirtului brut se efectuează în instalaţii speciale, care în funcţie de construcţie şi de modul de funcţionare pot fi: - instalaţii cu funcţionare discontinuă (periodică); - instalaţii cu funcţionare continuă Instalaţii de rafinare cu funcţionare discontinuă Procedeele de rafinare discontinuă sunt următoarele: a) procedeul încărcărilor simple cu spirt brut diluat; b) procedeul încărcărilor simple cu spirt brut nediluat; c) procedeul încărcărilor repetate cu spirt brut nediluat. a) Procedeul încărcărilor simple cu spirt brut diluat constă în diluarea spirtului brut înainte de rafinare la o alcoolice. Prin acest procedeu se realizează o separare mai bună a impurităţilor şi deci obţinerea unui spirt rafinat de calitate superioară. Acest procedeu prezintă dezavantajul unui consum mai mare de apă şi abur şi a unei productivităţi scăzute a instalaţiei. b) Procedeul încărcărilor simple cu spirt brut nediluat se caracterizează prin rafinarea spirtului brut fără o diluare prealabilă cu apă, economisindu-se astfel abur şi apă de răcire şi realizându-se o creştere a productivităţii instalaţiei de rafinare. c) Procedeul încărcărilor repetate cu spirt brut nediluat presupune următoarele etape: - se încarcă blaza cu spirt brut nediluat; - se rafinează circa 90 % din alcoolul din blază, după care se întrerupe operaţia; - se încarcă din nou blaza cu spirt brut concentrat şi se procedează ca mai sus. - după ce s-au efectuat trei încărcări succesive cu spirt brut se procedează la extragerea cozilor şi a uleiurilor de fuzel acumulate în blază. Folosirea acestui procedeu aduce o economie de abur şi creşterea productivităţii instalaţiei. 15

16 In scopul obţinerii unui spirt rafinat de calitate superioară din punct de vedere al purităţii, în instalaţia de rafinare discontinuă se practică colectarea spirtului rafinat sub formă lichidă de pe talerul al 5-lea, din partea de sus a coloanei de rafinare, care are o puritate mai ridicată în comparaţie cu cel obţinut din vaporii alcoolici ce ies din coloană. Rafinarea discontinuă are dezavantajul unei productivităţi mai scazute, a unui consum specific de abur mai ridicat şi a unor pierderi mai mari în alcool. Instalaţiile de rafinare cu funcţionare discontinuă se caracterizează prin rafinarea spirtului brut în şarje, obţinându-se mai întâi frunţile mai volatile, apoi spirtul rafinat şi apoi cozile. Rafinarea discontinuă se realizează în instalaţii care au ca aparate speciale blaza 1, coloana de rafinare 2, deflegmatorul 3, condensatorul răcitor 4, felinarul de control 5, filtrul 6 şi regulatorul de abur 7 (fig.2.4). 16

17 Blaza 1 este prevăzută cu o serpentină de încălzire indirectă cu abur 7, un barbotor de abur direct 8, o oală de condens 9, un racord de umplere 10 şi de evacuare a apei de luter 11, un manometru 12, o sticlă de nivel 13 şi o gură de vizitare 14. Coloana de rafinare 2 este formată din talere cu clopote şi permite obţinerea unui spirit rafinat cu tăria de min.96 o. Procesul de rafinare discontinuă se realizează astfel: - se introduce în blază o cantitate măsurată de spirt brut şi se diluează cu apă de luter până la o alcoolice; - se face încălzirea spirtului brut mai întâi cu abur direct timp de minute şi apoi cu aburi indirect min până ce se încălzeşte mai mult de 2/3 din coloană, ceea ce arată că vaporii alcoolici au ajuns în deflegmator; - se dă drumu apoi la debitul maxim de apă de răcire în condensator şi deflegmator, realizându-se o condensare totală a vaporilor alcoolici ce intră în deflegmator, care se reintroduc în coloană sub formă de reflux extern. Prin această frânare a distilării, care durează 1-3 ore, se realizează o mărire a concentraţiei alcoolice spre vârful coloanei, împiedicându-se ridicarea impurităţilor grele şi concentrarea în vârful coloanei a frunţilor; - se micşorează apoi debitul apei de răcire şi se începe colectarea spirtului funţi, timp de 2-3 ore, care are la început o concentrare alcoolică de % vol. şi o culoare verzuie, spre sfârşit devenind incolor, iar concentraţia creşte la % alcool vol. - se distilă în continuare spirtul rafinat, care trebuie să aibă concentraţia alcoolică de min, 96 % vol. La început se lucrează la capacitatea maximă a coloanei, apoi, pe măsură ce se micşorează conţinutul blazei în alcool se măreşte treptat cifra de reflux, prin mărirea debitului de răcire, astfel încât să nu se producă o scădere a concentraţiei alcoolice pe talere. Ca urmare productivitatea coloanei scade la % la sfârşitul colectării spirtului rafinat. Distilarea spirtului rafinat durează aproximativ 40 ore. - În momentul în care concentraţia alcoolică la felinarul de control scade şi se constată apariţia cozilor, începe colectarea acestora, operaţie care durează 1-2 ore; - Când la felinarul de control spirtul devine tulbure, datorită prezenţei uleiului de fuzel, care în soluţie alcoolică diluată emulsionează, se poate colecta şi acesta. Ceeace se colectează se trimite direct într-un rezervor separat, fără a mai trece prin aparatul de control. Spirtul rezultat poate fi purificat în continuare cu ajutorul separatoarelor de ulei de fuzel sau prin tratare cu o soluţie de clorură de sodiu, astfel încât concentraţia sa în ulei de fuzel să fie minim 85 %; - La sfârşitul rafinării, când concentraţia lichidului de la felinarul de control scade sub 2 % alcool vol., se goleşte apa de luter din blază şi se începe o nouă şarjă. 17

18 Durata totală a unei şarje este de cca.48 ore. Cantităţile de fracţiuni rezultate în timpul rafinării discontinue a spirtului brut depind în special de materiile prime folosite la obţinerea spirtului. Spirtul rafinat este trecut prin aparate de control speciale şi apoi depozitat în rezervoare. Spirtul frunţi şi cozile sunt trecute prin acelaşi aparat de control şi apoi depozitate împreună în alt rezervor formând spirtul tehnic. In scopul realizării coeficientului de extracţie normat a spirtului rafinat de 92,5 % din alcoolul absolut al spirtului brut, amestecul de frunţi şi cozi poate fi supus rerafinării. In final se ajunge la un procent de spirt frunţi de cca. 4,1 %, iar de cozi de cca. 2 % din alcoolul absolut. Consumul de abur pentru rafinarea discontinuă este de kg/100 l. spirt rafinat, iar cel de apă la 10 o C, de circa 3 m 3 /100 l spirt rafinat, în funcţie de procedeul folosit Instalaţii de rafinare cu funcţionare continuă In instalaţiile de rafinare cu funcţionare continuă atât frunţile, spirtul rafinat cât şi cozile se obţin concomitent în mod continuu. Rafinarea continuă se realizează în instalaţii cu două coloane (tip Barbet), care se caracterizează printr-o productivitate mai ridicată, un consum mai redus de abur, spirtul obţinut fiind de calitate superioară. Datorită acestor avantaje acest tip de instalaţii sunt cel mai des utilizate. In figura 2.5 este prezentată schematic acest tip de instalaţie, folosită în fabricile de spirt din ţară, având o capacitate de circa 1,5 vagoane de spirt rafinat în 24 ore. 18

19 Spirtul brut diluat cu apă de luter din rezervorul 1, este preîncălzit în schimbătorul de căldură 2 cu apă de luter fierbinte, provenită de la coloana de rafinare, apoi intră la mijlocul coloanei de frunţi sau epurare 3. Coloana de frunţi poate fi încălzită la bază cu abur direct, sau cu vapori alcoolici aduşi de la partea inferioară a coloanei de rafinare 7. In partea inferioară a coloanei de epurare (zona 3a sub talerul de alimentare) se realizează antrenarea aldehidelor şi esterilor care formează frunţile din spirtul brut şi care se concentrează în partea superioară a coloanei (zona 3b) şi în deflegmatorul 4, care lucrează cu o cifră mare de reflux (de 10-11). Frunţile sunt trecute apoi în condensatorul răcitor 5 şi apoi în felinarul de frunţi 6. La partea inferioară a coloanei se depune un lichid alcoolic eliberat de frunţi, denumit epurat cu o tărie alcoolică de cca. 40 % vol., care trece în coloana de rafinare 7. Coloana de epurare este prevăzută de obicei cu 12 talere în partea inferioară de epuizare şi 12 talere în partea superioară de concentrare a frunţilor. Diluarea spirtului brut se poate face şi direct în coloane de frunţi, prin pomparea cantităţii necesare de apă de luter. Epuratul rezultat din coloana de frunţi este introdus pe talerul de alimentare al coloanei de rafinare 7. Aceasta este încălzită la bază cu abur direct, care epuizează total epuratul în alcool, în zona 7a obţinându-se la bază apă de luter, care se evacuează prin regulatorul de apă de luter 8. Vaporii alcoolici rezultaţi din epurat, care mai conţin încă resturi de frunţi se concentrează la partea superioară a coloanei de rafinare 7b pe un număr de talere. Sunt trecuţi apoi în deflegmatorul 9, unde se face concentrarea resturilor de frunţi, ce sunt trecute apoi în condensatorul 10 şi reîntoarse în coloana de frunţi 3. Coloana de rafinare lucrează cu o cifră mare de reflux încât cea mai mare parte din spirt se reîntoarce în coloana de rafinare 7. Spirtul rafinat se separă sub formă de lichid de pe talerele primului segment de sus al coloanei de rafinare, fiind trecut în răcitorul de spirt rafinat 11 şi apoi în felinarul de control 12, după care ajunge la aparatul de control şi în rezervorul de spirt rafinat. Această metodă de obţinere a spirtului rafinat se numeşte metoda pasteurizării încât spirtul rafinat obţinut se mai numeşte pasteurizat. Uleiul de fuzel este trecut în răcitorul 13, apoi în felinarul de control 14 şi în final în separatorul de ulei de fuzel 15. Lichidul alcoolic separat de ulei se reîntoarce în coloana pentru recuperarea alcoolului. Spirtul cozi se colectează tot sub formă lichidă de pe talerele inferioare ale zonei 7b ale coloanei de rafinare şi este trecut în răcitorul 13 şi apoi la felinarul de cozi 16. In practică frunţile de la felinarul 6 şi cozile de la felinarul 16 sunt trecute împreună în acelaşi aparat de control şi apoi în rezervorul de depozitare a spirtului tehnic format din frunţi şi cozi. In unele cazuri se renunţă la colectarea uleiului de fuzel care se evacuează cu apa de luter. O altă metodă de obţinere a spirtului rafinat este metoda epurării finale. In acest caz vaporii alcoolici care părăsesc coloana de rafinare sunt trecuţi în deflegmator, condensator şi apoi sub formă lichidă într-o coloană de epurare finală prevăzută cu 20 de talere, care este încălzită pe la partea inferioară cu o serpentină cu abur. In această coloană se face separarea ultimilor frunţi, care se 19

20 elimină pe la partea superioară printr-un deflegmator, iar resturile de frunţi, printrun condensator. Spirtul rafinat se scurge pe la baza coloanei sub formă lichidă şi este trecut într-un răcitor. O parte din impurităţile grele se separă sub formă lichidă ca ulei de fuzel de pe talerele coloanei de rafinare, unde concentraţia alcoolică este % vol Instalaţii de distilare-rafinare continuă Instalaţiile de distilare-rafinare continuă permit obţinerea spirtului rafinat direct din plămada fermentată fără depozitare intermediară a spirtului brut. Asemenea instalaţii sunt prevăzute cu trei sau mai multe coloane şi sunt economice pentru productivităţi mai mari de 0,3-0,5 vagoane alcool absolut în 24 ore în cazul instalaţiilor cu 3 coloane şi mai mari de un vagon în 24 ore pentru cele cu mai multe coloane Principalele tipuri constructive ale acestor instalaţii sunt: - instalaţii cu acţiune directă - instalaţii cu acţiune semidirectă - instalaţii cu acţiune indirectă - instalaţii cu acţiune combinată Primele trei tipuri 3 tipuri de instalaţii sunt formate de regulă din 3 coloane: de distilare plămadă, de frunţi şi de rafinare. Ultimul tip de instalaţii dispune în plus de o a doua coloană de rafinare. In cazul instalaţiilor cu acţiune directă vaporii de spirt brut ies din coloana de distilare intră direct în coloana de frunţi sub formă de vapori, iar epuratul ce alimentează coloana de rafinare se află, de asemenea sub formă de vapori, deoarece a fost în prealabil distilat total într-o coloană de epuizare separată care de fapt reprezintă partea de epuizare (luter) a unei coloane obişnuite de rafinare continuă. Această instalaţie este cea mai economică din punct de vedere al consumului, de abur, deoarece vaporii de spirt brut care ies din coloana de distilare nu mai sunt condensaţi. Instalaţia cu acţiune semidirectă ( fig.2.6 ) se caracterizează prin aceea că spirtul brut rezultat din coloana de distilare intră tot sub formă de vapori în coloana de frunţi, în timp ce epuratul, obţinut de la coloana de frunţi, alimentează sub formă lichidă coloana de rafinare. Plămada fermentată, care este de obicei preîncălzită în deflegmatorul 7 al coloanei de rafinare, este introdusă pe talerul superior al coloanei de plămadă 1, care este încălzită la bază direct cu abur. Vaporii de spirt brut care părăsesc coloana de plămadă sunt trecuţi în separatorul de plămadă 2, unde are loc separarea picăturilor de plămadă antrenate, care se întorc în coloana de plămadă. Vaporii de spirt brut intră la mijlocul coloanei de frunţi 3, care este încălzită direct cu abur şi care este situată deasupra coloanei de plămadă. La partea superioară a acestei coloane se realizează în mod obişnuit concentraţia frunţilor, care sunt trecute în deflegmatorul 4 şi condensatorul 5, şi se introduc pe ultimul taler de jos al părţii 3a a coloanei de rectificare. Apa de luter fierbinte rezultată este folosită pentru diluarea spirtului brut. Coloana de frunţi poate fi încălzită şi cu vapori alcoolici, din camera de fierbere a coloanei de rafinare. 20

21 Epuratul rezultat la baza coloanei de frunţi alimentează în formă lichidă coloana de rafinare 6, în care se concentrează ultimile resturi de frunţi prin deflegmatorul 7. Sunt trecute apoi în condensatorul 8 şi reîntoarse în coloana de frunţi 3. Spirtul rafinat este colectat de obicei sub formă lichidă de pe talerele superioare ale coloanei de rafinare şi trecut în răcitorul 9. Uleiul de fuzel rezultat este trecut în răcitorul de ulei de fuzel 10. Coloana de plămadă este prevăzută cu regulator de borhod, iar cea de rafinare cu regulator de apă de luter. Instalaţia cu acţiune indirectă se caracterizează prin aceea că spirtul brut alimentează coloana de frunţii în formă lichidă, iar epuratul tot în formă lichidă alimentează coloana de rafinare. Această instalaţie reprezintă de fapt o combinaţie între o instalaţie de distilare continuă a plămezii fermentate şi o instalaţie de rafinare continuă a spirtului brut ( fig. 2.7 ). Plămada fermentată preîncălzită în deflegmatorul 3, al coloanei de plămadă 1 se introduce pe talerul superior al acesteia, obţinându-se vapori de spirt brut, care sunt trecuţi prin separatorul de picături 2 în deflegmatorul 3 şi condensatorul 4. Spirtul brut diluat obţinut, trece în coloana de frunţi 5, în care se concentrează în mod uzual frunţile, fiind evacuate prin deflegmatorul 6, şi condensatorul 7. Pe la baza coloanei de frunţi rezultă un epurat care alimentează coloana de rafinare 8. La partea superioară a acestei coloane de rafinare se obţin resturile de frunţi ce trec în deflegmatorul 9 şi condensatorul 10 şi se reîntorc în coloana de frunţi. Spirtul rafinat rezultat este trecut în răcitorul 11, iar uleiul de fuzel este răcit în schimbătorul de căldură

22 In mod asemănător cu instalaţia Barbet, se pot colecta şi cozile, iar încălzirea coloanei de frunţi poate fi făcută şi cu vapori alcoolici din zona inferioară a coloanei de rafinare. Acest lucru determină economisirea aburului. Această instalaţie permite obţinerea unui produs finit de calitate superioară şi nu mai este necesară depozitarea intermediară a spirtului brut. Instalaţiile cu distilare rafinare combinate se caracterizează prin prezenţa uleiului de fuzel de la a doua coloană de rafinare, una din ele lucrează direct, iar cealaltă indirect (fig. 2. 8). 22

23 Plămada fermentată preîncălzită în deflegmatorul 10 al primei coloane de rafinare 9 şi dezaerată intră în partea superioară a coloanei de epurare 3, în care se încălzeşte la o C, temperatură la care o bună parte din impurităţi (frunţi, cozi) sunt separate pe la partea superioară prin deflegmatorul 4 şi condensatorul 5. Plămada eliberată de frunţi trece apoi pe talerul superior al coloanei de fierbere (distilare) 1, unde este epuizată în alcool. Vaporii alcoolici rezultaţi din această coloană (circa 85 % din total) trec prin separatorul de plămadă 2 în prima coloană de rafinare 9, din care se obţine în formă lichidă de pe talerele de sus spirt rafinat de calitate superioară (calitatea-i). Deoarece această coloană se alimentează cu vapori alcoolici din coloana 1, se va introduce la baza ei numai o mică cantitate de abur astfel ca apa de luter să nu conţină alcool. Condensul obţinut din coloana de epurare a plămezii 3 (15 % din total), care conţine o cantitate mare de frunţi şi cozi este trecut la coloana de frunţi 6. Vaporii rezultaţi sunt trecuţi în deflegmatorul 7 şi condensatorul 8, obţinând-se frunţile în formă lichidă. Pe la baza coloanei de frunţi se obţine un epurat care trece în cea de a doua coloană de rafinare 11. Aici se separă pe talerele superioare în formă lichidă, spirtul de calitatea a II a, pe talerele inferioare uleiul de fuzel, iar în vârful coloanei rezultă resturile de frunţi, care sunt trecute în deflegmatorul 12 şi condensatorul 13. In această instalaţie, comparativ cu instalaţia cu acţiune directă, se obţine o reducere a consumului de abur şi apă de răcire cu aproximativ 30 %, deoarece instalaţia lucrează în proporţie de 85 %, după schema directă, iar calitatea spirtului rafinat este superioară Instalaţia de rectificare pentru concentrarea aromei din sucuri de fructe. In operaţiile de concentrare a sucurilor din fructe se produc vapori secundari care antrenează substanţele volatile ce dau aroma sucului. Aceste arome se recuperează (prin concentrarea lor) pentru a fi apoi adăugate sucurilor gata preparate. Separarea aromei din vaporii secundari se realizează în coloana de rafinare cu umplutură fig Coloana 1, cu umplutura 2, este formată din două tronsoane: unul superior pentru concentrare, altul inferior pentru epuizare. In coloană se aşează într-un strat suficient de înalt inele ceramice a căror suprafaţă specifică trebuie să fie foarte mare încât să realizeze schimbul de substanţă pe o suprafaţă mare. Inelele se aşează pe plăci poroase sau pe grătarul 3. Inălţimea stratului se stabileşte pe cale experimentală în funcţie de viteza şi de debitul vaporilor care străbat umplutura. Diametrul coloanei se apreciază ca fiind a zecea parte din înălţimea totală a straturilor de umplutură. La partea inferioară a coloanei se află o serpentină de încălzire 4. Pe coloană se află racordurile: 5 - alimentare cu amestec în stare de vapori; 6 alimentare cu amestec în stare lichidă; 7 evacuare vapori ( arome ); 8 evacuare apă; 9 reîntoarcere reflux de la deflegmator. Instalaţia este prevăzută cu deflegmatorul 10, 23

24 condensatorul 11, coloana de absorbţie 12. Amestecul (vapori şi lichid ) se duce în coloană deasupra porţiunii de epuizare. Vaporii urcă spre vârful coloanei străbătând umplutura, iar lichidul Fig.2.9 Instalaţie pentru concentrarea aromelor coboară prin stratul de umplutură, aici primind căldură de la elementele de încălzire, părţile uşor volatile se transformă în vapori. Vaporii se ridică pe stratul de umplutură şi datorită pierderii de presiune şi schimbului de căldură cu pelicula de lichid rece ce coboară de la vârful coloanei (refluxul), se îmbogăţesc în component uşor volatil. Părăsind coloana, aceşti vapori intră în deflegmator, unde prin condensarea fracţiunilor grele se îmbogăţesc ajungând la o concentraţie maximă în aromă. Lichidul ce conţine faza greu volatilă este întors ca reflux în coloană, iar vaporii sunt condensaţi în condensator. In condensator rămân necondensate gazele necondensabile care mai pot antrena cantităţi mici de vapori ai aromelor. Pentru a se realiza o ultimă separare, acest amestec de gaze necondensabile şi arome sub formă de vapori se introduc într-o coloană de absorbţie, unde sunt stropite cu apă răcită se va absorbi aromele, iar gazele care nu pot fi absorbite sunt îndepărtate din coloana de absorbţie cu ajutorul pompei 13. Lichidul obţinut prin condensarea aromelor în condensatorul 11 şi prin absorbirea în apă răcită din absorber se vor amesteca obţinându-se un concentrat lichid ce se va adăuga la sucurile de fructe obţinute prin operaţia de concentrare. 24

25 2. 5. Instalaţia de distilare pentru rachiu şi coniac. Instalaţia prelucrează vin, rachiu de tescovină şi borhot de fructe cu tăria de o, pe care le concentrează (coloana 1), rectifică ( coloana 2 ) şi demetilizează (coloana 7) obţinându-se ca produs finit coniac sau rachiu tăria o, (fig. 2.10) Instalaţia este cu funcţionare continuă având coloanele de tipul cu talere. Coloana 1, în care se face alimentarea cu produsul supus distilării, este coloană de distilare concentrare. Coloana 2 este coloană de rectificare în care se face epuizarea în component voltatil. Coloana 7 este o coloană de purificare şi îndepărtare a alcoolului metilic şi a altor componenţi care ar da un gust neplăcut şi un aspect lăptos rachiului sau coniacului Principiul de funcţionare al coloanelor de rafinare Amestecul supus rafinării este adus la partea inferioară sau pe talerul care este situat la jumătatea coloanei (ce împarte zona de epuizare de zona de concentrare) şi se supune încălzirii (fig.2.11b). 25

26 Vaporii de component uşor volatil se ridică spre partea superioară şi înainte de a fi eliminaţi din coloana de rectificare întâlnesc succesiv talerele 1, pe care se află lichid (fig. 2.11a). Atât distilarea cât şi reafinarea depind de relaţiile care există între faza lichidă şi faza de vapori pentru acelaşi component din amestecul omogen, adică depind de echilibrul lichid vapori. Fig Principiul de funcţionare al coloanei de rafinare Pentru ca amestecul omogen să se poată separa în cele două componente este necesar ca acestea să aibă volatilităţi diferite, adică la aceiaşi temperatură de fierbere presiunea de vapori a componentelor să fie diferită. Lichidul ce se scurge prin deversoarele 2, are compoziţia din ce în ce mai bogată în component greu volatil B (fig.2.11a). Acest lichid nu trebuie supus în continuare distilării, deoarece s-ar consuma multă căldură pentru o cantitate destul de mică de component uşor volatil ceea ce nu este economic. Lichidul colectat în blază este obţinut sub formă de reziduu. Vaporii cu compoziţia bogată în component volatil sunt trecuţi în deflegmatorul 3 (fig. 2.11b) unde prin condensarea fracţiunilor grele, se realizează concentrarea componentului uşor rămas în stare de vapori şi care sunt trimişi în continuare în condensatorul 4, unde se realizează condensarea lor. Partea condensată în deflegmator este bogată în component volatil în stare lichidă. Pentru a se separa se introduce din nou în coloană pe la partea superioară sub formă de reflux extern. Incepând cu talerul superior lichidul curge spre blază, formând refluxul intern. Pentru a se asigura în permanenţă separarea pe talere, blaza este încălzită cu abur saturat adus în serpentina 5. 26

27 3 Coloane cu talere Coloanele cu talere sunt utilizate în industria chimică pentru distilări şi rectificări, pentru absorbţie, extracţie, reacţii chimice in sistem eterogen: gaz lichid, lichid-lichid etc. Transferul de substanţă la aceste coloane are loc în zona de spumare sau pulverizare ce se obţine ca urmare a barbotării vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler. Dispersarea fazelor pe taler este uniformă. Tendinta spre instalaţii mari şi necesitatea reducerii costului acestora a impus orientarea spre coloane cu talere cu diametre mari (uneori 12-15m). Necesitatea obţinerii unor produse de mare puritate a determinat cresterea numărului de talere necesare unei separări înaintate. S-a ajuns în unele situaţii la diametre de 7-9 m, înălţimi de 100 m, iar numărul talerelor Circulaţia lichidului şi a vaporilor în coloană. La coloanele cu talere spaţiul din interiorul coloanei este împărţit într-un, în care n reprezintă numărul talerelor. număr de compartimente egal cu ( n +1) Prin stratul de lichid de pe fiecare taler barbotează gazul sau vaporii. Lichidul şi vaporii pot circula pe taler în contracurent (fig. 3.1a), în echicurent (fig. 3.1b) şi în curent încrucişat sau mixt ( fig. 3.1c ). Pe ansamblul coloanei însă, lichidul circulă de la vârf spre bază, sub efectul gravitaţiei, iar vaporii în sens invers sub efectul presiunii. Circulaţia lichidului şi a vaporilor în coloană depinde de soluţia constructivă adoptată pentru elementele talerului. Astfel circulaţia în 27

28 contracurent este posibilă numai în aparatele cu talere fără deversoare (fig. 3.2a). In coloanele cu talere cu deversoare se realizează un curent încrucişat (fig. 3.2c). Circulaţia în echicurent a fazelor se întâlneşte la coloanele cu talere cu şicane (fig. 3.2b). 3.2 Clasificarea coloanelor cu talere Coloanele cu talere se subîmpart în două categorii: - Coloane cu deversoare interioare ( fig.3.2a) sau exterioare ( fig.3.3) - Coloane fără deversoare ( fig.3.2b) La coloanele cu deversoare, scurgerea lichidului de la un taler la celălalt se face prin deversor ( fig. 3.2a, fig. 3.3), pe când la cele fără deversoare scurgerea lichidului se face prin aceleaşi deschideri prin care circula vaporii ( fig. 3.2 b ). Coloanele cu deversoare se deosebesc după forma constructivă a talerului, care poate fi: - taler cu clopote (fig. 3.4) - taler cu supape ( fig.3.5) - taler cu elemente în formă de S ( fig. 74 a JC ) - taler sita (fig.3.2, fig.3.3) - taler cu plăci, etc. Coloanele fără deversoare se construiesc cu: 28

29 Fig. 3.4 Taler cu clopote 1-taler, 2- deversor - talere plate cu perforaţii circulare (fig. 3.2b) sau longitudinale (fig. 3.7) - talere ondulate perforate (fig. 3.8) - talere asemenea grătarelor prin asamblare din bare, benzi sau ţevi. Talerele executate din ţevi pot fi folosite pentru efectuarea simultană a proceselor de transfer de căldură şi substanţă. 29

30 3.3 Circulaţia lichidului pe taler In cazul talerelor cu deversoare, pe fiecare taler se află unul sau mai multe deversoare, prin care se scurge pe talerul inferior, lichidul obţinut prin condensarea fracţiunilor grele, în momentul în care depăşeşte nivelul superior al deversorului. Deversoarele se montează alternând, astfel încât lichidul care vine de pe un taler superior să se poată amesteca cu cel de pe talerul inferior. In coloana din figura 3.9 lichidul curge de pe talerul superior prin tubul deversor, parcurge suprafaţa talerului, trece peste un prag deversor 5, care fixează nivelul lichidului pe taler şi curge prin spaţiul dintre coloană şi placa 4, pe talerul inferior. Tubul deversor se afundă în lichidul de pe talerul inferior formând împreună cu placa de preaplin 6, o închidere hidraulică, care împiedică trecerea vaporilor prin zona deversorului, de la talerul inferior la cel superior. Eficacitatea talerului este influenţată de circulaţia lichidului pe taler. La coloanele cu diametru mare şi debite mari de lichid, stratul de lichid care curge pe taler nu este orizontal, având o grosime mai mare la intrarea pe taler, şi mai mică în dreptul pragului de deversare. Se va avea în vedere că debitul de vapori este mai mare în zona în care rezistenţa este mai mică. Pentru a micşora 30

31 diferenţa de nivel ( fig.3.9) se utilizează un deversor central pe un taler şi două deversoare laterale pe talerul următor (fig.3.10). Se obţine astfel un taler cu două circuite de lichid. In cazul coloanei cu deversor central tubular pe un taler şi cu patru şase sau mai multe deversoare tubulare laterale, lichidul curge radial, lungimea drumului parcurs pe taler fiind aproape cât raza coloanei. Pentru a mări eficacitatea talerelor se utilizează diferite scheme de curgere a lichidului pe taler. La coloanele cu talere cu un singur curent de lichid ( fig.3.9) deoarece drumul parcurs de lichid este lung, concentraţia lichidului variază în direcţia curentului. Din acest motiv, la coloanele cu diametru mare s-a renunţat la circulaţia lichidului cu sensuri contrare de curgere pe două talere succesive (fig. 3.9) şi s-a adoptat schema de curgere cu un singur sens a curentului de lichid (fig. 3.11a ). Spre a mări lungimea drumului parcurs de lichidul de pe taler, se utilizează talerul cu curent inelar ( fig b ). Zona mijlocie a acestor talere nu participă la procesul de transfer de substanţă, ceea ce micşorează suprafaţa activă a talerului, dar creşte randamentul acestuia. Talerele cu curent inelar de lichid se utilizează în cazul amestecurilor greu separabile. Exceptând cazurile prezentate în fig. 3.11, în general lichidul circulă în contracurent, pe două talere succesive. In figura 3.12, sunt prezentate schematic două talere succesive (cu patru treceri) dintr-o coloană. Două asemenea talere de construcţie identică se montează rotite cu 180 o unul în raport cu celălalt. Eficacitatea coloanei depinde de montarea corectă a talerelor. 31

32 3.4 Funcţionarea coloanelor cu talere Procesul de transfer de substanţă între cele două faze: lichid şi vapori sau gaz, se produce în lichidul de pe taler. Concentraţia fazelor variază în trepte pe înălţimea coloanei iar numărul treptelor de variaţie este egal cu cel al talerelor. Vaporii se îmbogăţesc în fracţiunea volatilă pe măsură ce se apropie de vârful coloanei, iar lichidul se îmbogăţeşte în fracţiunea grea (cu punct de fierbere mai ridicat) pe măsura apropierii de blaza coloanei. Deasupra stratului de lichid de pe taler se formează o spumă. Formarea spumei şi a picăturilor măresc eficacitatea talerului. Nu se admite trecerea picăturilor de la un taler inferior la unul superior, deoarece acest lucru reduce eficacitatea coloanei. Evitarea antrenării picăturilor se realizează prin montarea separatoarelor de picături, sub fiecare taler. La debite mici de vapori are loc barbotarea insuficientă a bulelor. In cazul talerelor cu clopote aceasta are loc în imediata apropiere a clopotelor ( fig a ). Stratul neutru care nu participă la proces este mare, contactul dintre faze nesatisfăcător, iar randamentul scăzut. Odată cu mărirea debitului de vapori, bulele pătrund tot mai departe în stratul de lichid, se formează deasupra un strat de spumă şi condiţiile de contact între gaz şi lichid se îmbunătăţesc. La un anumit debit de vapori, aceştia nu mai ies de sub clopot sub formă de bule separate, ci sub forma unui jet care împinge lichidul de lângă clopot, formând o fantă inelara (fig. 3.13b) Vaporii antrenează lichidul în sus şi ca urmare se formează un strat de spumă şi o cantitate mare de picături, suprafaţa de contact a gazelor şi intensitatea procesului de transfer de substanţă cresc. Depăşirea unei anumite valori (maxime) a vitezei vaporilor sau a vitezei lichidului, duc la 32

33 funcţionarea defectuoasă a coloanei (scade concentraţia, creşte presiunea în coloană, au loc pulsaţii) care pot determina oprirea ei F enomenele de pe taler Intr-un proces continuu compoziţia lichidului pe un taler nu se schimbă, dar variază de la un taler la altul. Incepând de la blază spre vârful coloanei, lichidul este tot mai bogat în component uşor volatil. A ceastă variaţie a compoziţiei lichidului, condiţionează şi scăderea temperaturii, de jos în sus. Dacă pe talerele n şi n + 1 temperaturile sunt Tn şi Tn+ 1, atunci T n > T n+ 1. La contactul lichidului cu vaporii, între cele două faze nu există echilibru nici între compoziţiile celor doua faze şi nici termic. In timpul barbotării vaporilor compoziţia ambelor faze variază în sensul stabilirii echilibrului. Fie talerele n, n 1 şi n + 1. De pe talerul n pleacă în condiţii de echilibru, vapori de compoziţie yn şi lichid de compoziţie xn. Pe acelaşi taler intră vapori de compoziţie y n 1şi lichidul de compoziţie x n +1 care nefiind în echilibru la contactare îşi vor modifica compoziţia în sensul stabilirii echilibrului. Vaporii cedează prin condensare o parte din componentul greu volatil, trecând de la compoziţia y n 1 la y n ( y n > y n 1 ), iar lichidul pierde prin vaporizare o parte din componentul uşor volatil, trecând la x n +1la x n ( x n < x n+1 ). Căldura necesară vaporizării o furnizează condensarea componentului greu volatil din faza vapori. Efectele celor două fenomene (condensare şi vaporizare) se materializează prin îmbogăţirea vaporilor în component uşor volatil. In afara echilibrului între cele două faze se stabileşte şi echilibrul termic, în sensul că vaporii care vin de pe talerul ( n 1) au o temperatură mai ridicată ( T n 1 > Tn ) şi cedează o parte din căldura specifică lichidului provenit de pe talerul n + 1( T n +1 < Tn ). Stabilirea echilibrului termic contribuie, de asemenea, în mod favorabil la îmbogăţirea vaporilor în component uşor volatil, încât întotdeauna y > yn 1 ; xn < xn+1 Operaţia de îmbogăţire a vaporilor în component uşor volatil începe din blaza coloanei şi continuă pe toate talerele. De la vârful coloanei vaporii merg la condensatorul de suprafaţă, de unde o parte din lichidul rezultat se întoarce în coloană ca reflux şi restul se colectează ca distilat ( fig. 2.11b) Talere cu clopote. Talerele cu clopote au o construcţie asemănătoare celei din figura Cele mai utilizate clopote sunt cele rotunde şi cele tunel. Diametrul clopotelor rotunde d 2 = mm, iar lungimea clopotelor tunel este de peste 300 mm. Clopotele dreptunghiulare se aşează paralel între ele, iar cele rotunde, se aşază în 33

34 general în centrele unei reţele hexagonale. Capacele clopotelor sunt de formă circulară, dreptunghiulară, sau de tunel ( fig. 3.15). Clopotele se aşează în şiruri perpendiculare pe direcţia curentului de lichid după o reţea triunghiulară (fig. 3.16). Perimetrul inferior al capacului se prevede fie cu dinţi triunghiulari sau dreptunghiulari, fie cu fante dreptunghiulare care divizează curentul de vapori. Existenţa dinţilor este mai avantajoasă, deoarece aceştia micşorează pericolul ieşirii unilaterale a vaporilor de sub clopot, în cazul în care clopotul este înclinat faţă de verticală. Se recomandă ca la debite mici de vapori, crestăturile să fie înguste, încât divizarea curentului să se facă în jeturi subţiri, îmbunătăţindu-se astfel condiţiile de contact între faze. 34

35 Distanţa dintre clopote (l c ) se stabileşte ca un compromis între necesitatea de a vea o turbulenţă cât mai mare a lichidului (deci clopote cât mai apropiate) şi necesitatea de a evita stropiri si antrenări exagerate. Se recomandă să se lase o distantă mai mare decât (l c ) între clopotele periferice şi peretele coloanei şi între ultimul rând de clopote şi pragul deversor. Talerele se execută, de cele mai multe ori din acelaşi material cu cel al corpului coloanei. Clopotele se execută fie din acelaşi material cu talerul (oţel fontă, cupru, etc.) fie din materiale ceramice sau materiale plastice (polipropilenă, poliamidă, polietilenă, etc.) Alegerea materialului pentru construcţia talerului depinde de presiunea şi temperatura de lucru a coloanei. Presiunile pot varia de la vid înaintat până la peste 4 MN/m 2 şi temperaturi de la 250 o C la +250 o C şi mai mult. Utilizarea clopotelor din materiale plastice determină economii importante, ducând la micşorarea costului coloanei şi a greutăţii totale. Clopotele din oţel sau cupru se matriţează, iar cele din fontă se toarnă. Prinderea clopotelor pe taler poate fi demontabilă sau nedemontabilă. Racordurile deasupra cărora se montează clopotele se asamblează pe taler nedemontabil, prin sudare sau prin mandrinare. Capacul clopotului se asamblează cu racordul sau talerul demontabil sau nedemontabil. Asamblările demontabile permit scoaterea şi înlocuirea capacelor uzate, precum şi reglarea lor pe înălţime. Asamblarea nedemontabilă se realizează prin intermediul sudării, lipirii sau nituirii. Acest tip de asamblare poate fi aplicat la coloanele care prelucrează lichide şi gaze pure, complet pasive şi care nu depun precipitat. In figura 3.17 sunt prezentate soluţii constructive de asamblare demontabilă, care prezintă următoarele avantaje: scoaterea şi înlocuirea capacelor uzate, reglarea lor pe înălţime. Dintre variantele prezentate varianta din fig. 3.17a, se execută mai uşor, fiind adaptabilă la producţia de serie. Reglarea poziţiei capacului, pe înălţime se face individual, pentru fiecare clopot. In alte construcţii (fig.3.18) capacele clopotelor nu se asambleaza cu racordul. Ele se asamblează pe o traversă comună, de obicei un cornier. Cornierul se reazemă pe un inel sudat de coloană (fig.3.18a), sau pe tije sudate de taler (fig. 3.18b). Această soluţie se adoptă la coloanele cu un diametru mare şi un număr mare de clopote, la care reglarea separată a fiecărui capac prezintă greutăţi deosebite. In cazul din fig. 3.18, fiecare rând de capace se înşurubează pe tijele filetate prinse de cornier, se verifică orizontalitatea asezării lor, apoi cornierul se aşează în coloană şi se reglează poziţia sa. Îmbinarea dintre racord şi taler prin mandrinare, prezentată 35

36 în figura 3.19 a şi 3.19 b impune pentru taler 5-6 mm grosime, iar pentru racord un perete de minim 3 mm grosime. La grosimi mai mici ale acestora nu se poate realiza o îmbinare prin mandrinare rezistentă. Se impun grosimi mai mici în cazul talerelor din oţel anticoroziv, când se recurge la sudare (fig. 3.19c şi 3.19d). Cu creşterea diametrului talerului se măreşte numărul de clopote şi creşte greutatea talerului. 36

37 3.7 Coloane cu talere sită Coloanele cu talere sită au o construcţie asemănătoare cu coloanele cu talere clopote. Talerele sită se construiesc în două variante: cu deversor şi fără deversor (fig. 3.2). 37

38 Talere sită cu deversor Talerele sită cu deversor funcţionează, în principiu ca şi talerele cu clopote. Circulaţia lichidului de la un taler la altul se face prin deversor (fig.3.2a). Deversoarele sunt în majoritatea cazurilor interioare coloanei. Uneori se folosesc şi deversoare exterioare (fig.3.3), de exemplu în cazul prelucrării suspensiilor. In general, deversoarele exterioare se întâlnesc la coloanele din fontă. Viteza gazului sau vaporilor care circulă prin orificiile talerului, determină o presiune dinamică, care echilibrează coloana de lichid de pe taler. Viteza vaporilor prin orificiile talerului sită are mare importanţă pentru buna funcţionare a coloanei. Cu cât diametrul talerului este mai mare cu atât este mai neuniformă funcţionarea sa între intrarea şi ieşirea lichidului. Eficacitatea talerului scade. Talerele sită cu deversor se construiesc în varianta cu taler orizontal (fig.3.2) şi în varianta cu taler vertical (fig. 3.20). Avantajele talerelor sită cu deversor: încărcări mari pe unitatea de suprafaţă; distanţă mai mică între talere decât la coloanele cu clopote, simplitate şi preţ de cost mai mic. Dezavantajele constau în: flexibilitate redusă, variaţia posibilă a debitului este de maxim %, talerul sită poate fi uşor înfundat de impurităţile existente în lichidul prelucrat, motiv pentru care se recomandă să lucreze numai cu lichide pure Talere sită orizontale Talerele sită se construiesc actualmente orizontale, dintr-o bucată sau mai multe bucăţi, în funcţie de diametrul coloanei. Diametrul orificiilor talerului se ia uzual între 2 şi 25 mm. Pentru lichide curate se ia d e =2...6 mm, diametre optime fiind considerate mm. Talerele cu orificii de 8-12 mm, permit obţinerea unor eficacităţi şi productivităţi mai mari, într-o gamă la fel de largă de funcţionare stabilă ca şi talerele cu orificii mai mici. Principalul neajuns al orificiilor de 8-12 mm constă în faptul că la 38

39 sarcini mari de vapori, antrenarea lichidului devine mai mare decât la talerele cu diametru de 4-5 mm. Acest lucru nu reprezintă totuşi un impediment în utilizarea orificiilor cu d o =8-12 mm. Pasul dintre două orificii t = (2,5-5)d o. Aşezarea orificiilor se face după o reţea formată din triunghiuri echilaterale. Şirurile de orificii se dispun perpendicular pe direcţia de curgere a lichidului. Distanţa orificiilor marginale faţă de corpul coloanei δ 1 = 50 mm, iar distanţa orificiilor marginale faţă de placa deversoare δ 2 = mm, este funcţie de debitul de lichid. Aria liberă a talerului sau aria tuturor orificiilor, este S ( 0,02...0,3) Cel mai adesea se consideră S ( 0,08...0,15) stabilă la o gamă mai mare de încărcare ale talerului. r r = S. = S, ceea ce asigură o funcţionare Distanţa dintre talere se ia în funcţie de diametrul coloanei şi variază între mm. Inălţimea stratului de lichid pe taler în timpul funcţionării (lichid spumat), este uzual de mm. Pentru funcţionarea uniformă a talerului, înălţimea stratului de lichid nespumat, de pe taler, se recomandă să fie cuprinsă între mm. Orientativ grosimea talerului din oţel carbon pentru talere se ia (0,5 0,8) pentru şi 4 5 mm d0 pentru d 0 < 5mm. d 0 > 5mm Când se utilizează oţel anticorosiv talerul se realizează din tablă de 2 3 mm. Fig.3.20 Talere sită verticale Talere sită verticale Părţile principale ale coloanelor cu taler sită vertical (fig.3.20) sunt: talerul vertical 1, deversoarele 2, camerele de (lucru ) sau contact dintre faze 3. Lichidul curge sub forma unei pelicule subţiri pe talerul sită vertical; prin el barbotează gazul (vaporii) care trec prin orificii. Lichidul acumulat în deversor trece prin 39

40 orificiile talerului şi udă peretele talerului pe partea opusă corespunzător camerei de lucru inferioare. Prin schimbarea cu 180 o a direcţiei vaporilor picăturile de lichid antrenate sunt separate în fiecare cameră de lucru. Rezistenţa hidraulică a talerului este neînsemnată, deoarece la barbotarea gazului prin lichid acesta nu trebuie să învingă rezistenţa corespunzătoare grosimii stratului de lichid ca la talerele orizontale. În cazul deversorului orizontal, modificarea înălţimii stratului de lichid al deversorului în limitele a 3-8 mm, nu influenţează asupra indicatorilor hidrodinamici. Se obţine un regim hidrodinamic mai stabil ( fig b ) Valoarea vitezei care separă un regim de altul depinde de dimensiunile camerei de contact şi a orificiilor. Mărimea care influenţează în mod esenţial regimul hidrodinamic al aparatului este grosimea stratului de lichid de pe placa deversoare Coloane cu talere fără deversoare Talerele fără deversor pot fi orizontale, verticale sau înclinate faţă de axa coloanei. Ele se mai numesc şi talere cu cădere. La aceste coloane, lichidul curge spre talerele inferioare prin aceleaşi orificii ( fante) prin care urcă vaporii sau gazele. Talerele orizontale fără deversor se realizează în două variante: talere plate cu fante (fig. 3.7) şi talere ondulate (fig. 3.8). Lipsa deversorului simplifică construcţia talerului şi permite utilizarea întregii sale suprafeţe pentru procesul de transfer de substanţă. Deoarece întreaga suprafaţă a talerului este utilizată în procesul de transfer de substanţă, viteza vaporilor în secţiunea liberă W o, este mai mare decât la coloanele cu talere cu deversoare. In consecinţă şi debitul coloanei va fi mai mare. Debitul unei coloane cu talere sită fără deversoare poate fi de 1,5 3 ori mai mare decât al unei coloane cu talere clopote, având acelaşi număr de talere şi acelaşi Aceste talere pot fi, utilizate atât la funcţionarea D i coloanei la presiune atmosferică cât şi la funcţionarea acesteia în vid. Deoarece diametrul orificiilor talerului sită nu poate fi modificat în timpul funcţionării, s-a căutat o soluţie care să permită variaţia secţiunii de trecere a vaporilor în lichid. Au fost construite talere cu supape fără deversor, cu înălţimea minimă de ridicare ( jocul minim ) al supapei h s = 5,5mm. 3.8 Talere cu supape Talerele cu supape se aseamănă cu cele cu clopote. Ceea ce le deosebeste 40

41 este construcţia părţii care favorizează contactul lichid-vapori (gaz). Dispersia vaporilor în masa de lichid de pe taler se face prin intermediul supapelor. Supapele, de formă circulară sau dreptunghiulară, ocupă orificiile talerului. Sub efectul presiunii vaporilor supapa se ridică si permite trecerea vaporilor care barbotează prin lichidul de pe taler. Deschiderea supapei se reglează automat (între limite stabilite constructiv) în funcţie de interdependenţa dintre greutatea supapei şi debitul de vapori. Principiul de funţionare a trei tipuri constructive de supape cu secţiune circulară rezulta din figura 3.5. Supapa 1 din figura 3.5 a este un simplu disc circular care obturează orificiul talerului. Presiunea vaporilor ridică supapa, ceea ce le permite să intre în lichidul de pe taler. Un limitator 2, reţine supapa în poziţia corespunzatoare deschiderii maxime oricât de mult ar mai creşte debitul de vapori în continuare. Un taler cu asemenea supape are nevoie de găuri de drenaj, deoarece la încetarea procesului supapele obturează trecerea prin orificiile talerului 3. Supapa 1, din figura 3.5 b este prevăzută cu patru picioruşe distanţiere 4, care ţin rondela la 2-2,5 mm de talerul 3.Aceasta reprezintă deschiderea minimă a supapei. Deschiderea maximă este limitată de limitatorul 2. Supapa din figura 3.5c, lucrează în două etape. La debite relativ mici se ridică discul 1. Cu creşterea debitului şi a presiunii dinamice a vaporilor, discul 1 atinge deschiderea sa maximă, determinată de rondela inelară 5, prevăzută cu picioruşele 4. Mărirea în continuare a debitului de vapori, determină ridicarea împreună a discului 1 si a rondelei 5. Poziţia maximă este limitată de Talere grătar Aceste talere se realizează prin asamblare, din bare sau benzii de oţel. Barele sau benzile se prind, la distanţe egale între ele, pe inelul de rezemare. Transversal se prevăd laminate sau ţevi. Acestea din urmă pot fi aşezate pe taler sau spiral. In acest caz talerul poate fi utilizat pentru realizarea simultană a proceselor de transfer de substanţa şi căldură. Lăţimea fantelor se ia la 3 4mm. Prin mărirea acestei lăţimi până la 8-10 mm, se înregistrează domeniul de funcţionare stabilă a talerului. 41

42 Realizarea talerului din ţevi, permite încărcarea acestuia cu lichid şi vapori Talere din tablă perforată Talerele se obţin din tablă ( de oţel, cupru, etc. ) cu grosimea de 2,5-6 mm cu orificii frezate sau stanţate Deschiderile din taler pot fi orificii sau fante alungite. Diametrul orificiilor = 4 8mm, iar dimensiunile fantelor (fig. 3.8) l 3 8mm şi 1 = l2 60 si 200mm d o = Orificiile se aşează după o reţea triunghiulară. Găurile se prevăd cu degajări prin partea pe unde intră vaporii. Distanţa dintre talere este uzual mm. Talerele cu realizează dintr-o bucată. Cele cu D i > 800 mm, D i 800 mm. se se realizează din bucăţi care se asamblează. Grosimea stratului de lichid pe taler este orientativ mm. Talerele sită ondulate sa obţin prin ştanţare din tablă cu grosimea de 2,5-3 mm. Prin ondulare, cu pasul de mm şi adâncimea a = mm rezultă talere mai rigide ( fig. 3.8a ), care nu necesită grinzi de rezemare la coloanele cu diametru interior <3m. Ondularea se face, perpendicular pe direcţia dată sau după cercuri concentrice. Talerele ondulate se pot utiliza atât pentru lichide pure cât şi pentru suspensii. Pentru lichide pure, orificiile au = 3 4 mm, iar pentru impure d o 8 mm. Aria liberă a talerului corespunde la %. d o 4.8 Talere cu elemente în formă de S Talerele coloanelor pot fi realizate prin asamblarea din elemente separate, care în secţiune transversală au formă de S (fig. 3.6 b). Un detaliu de asamblare a unor asemenea elemente rezultă din fig. 3.6a, în care sunt date şi unele dimensiuni ale elementului în formă de S (fig. 3.6 b). Pe latura pe care urmează să barboteze vaporii de lichid, sunt prevăzute fante triunghiulare (cu vârful superior racordat cu raza de 3mm) sau trapezoidale. Distanţa la bază între două fante alăturate este orientativ de 5mm. Elementele în formă de S se obţin prin ştanţarea din table metalice, în general subţiri, de 2-3 mm. In ultimul timp ele se construiesc şi din elemente termoplastice. Forma acestor elemente le asigură o rigiditate suficientă astfel ca în coloane cu diametru mai mic sau egal cu 3m să nu fie nevoie de nervuri de rigidizare. La coloanele cu talere cu elemente în formă de S, gazul sau vaporii trec de jos în sus prin zona neobturată a S-ului, apoi prin fantele triunghiulare intră în lichidul aflat pe S-ului următor. Are loc barbotarea vaporilor prin lichid întocmai ca la talerele cu clopote. În cazul de faţă vaporii ies la fiecare element în aceeaşi direcţie, şi anume în direcţia curgerii lichidului. Prin aceasta se micşorează 42

43 gradientul variaţiei nivelului lichidului pe taler, ceea ce micşorează şi neuniformităţile funcţionale în direcţia curgerii lichidului. Diferenţa între nivelul lichidului la intrarea pe taler si nivelul lichidului la ieşirea de pe taler este mai mică decât la coloanele cu clopote. Capacele elementelor în formă de S se închid la capete cu plăci de obturare. In felul acesta vaporii sau gazele vor fi obligate să iasă numai prin fantele frontale. Lichidul circulă prin jgheaburile formate pe taler ca urmare a modului de aranjare a elementelor în formă de S. Prin el barbotează vaporii sau gazul. Aici are loc procesul de transfer de substanţă. La capătul de intrare, talerul începe cu o zonă cu lichid. Primul element în formă de S este incomplet, el serveşte şi la realizarea închiderii hidraulice, deoarece partea inferioară a deversorului se află la o distanţă mai mică de taler decât înălţimea capacului format de primul S (fig. 3.6 a). In zona de ieşire de pe taler, acesta se termină cu un jgheab de lichid care este solidar cu placa deversoare. Inălţimea plăcii deversoare pe taler este egală cu cea a elementului în formă de S (80 mm). Distanţa de la placa deversoare la primul element trebuie să fie cel puţin 60 mm, (fig. 3.6 a). Coloanele cu talere cu elemente în formă de S cu D=1-4 m se realizează, în general cu un curent de curgere a lichidului pe taler. Cele cu D> 4m, se realizează cu doi sau patru curenţi de lichid. La aceste coloane talerul se realizează din subansamble, fiecare subansamblu este constituit din 6-8 elemente în formă de S. Acest lucru permite montarea mai uşoară a talerelor, demontarea în vederea înlocuirii numai a părţii uzate sau corodate. Subansamblele unui taler se sprijină pe un inel de reazem, sudat de peretele coloanei şi se prind de acesta cu ajutorul unor cleme cu şurub (fig.3.6a). Distanţa dintre talere poate fi la coloanele cu un singur sens de curgere pe taler de 450, 500, 600, 700, 800, 900 mm. La coloanele cu D= 1-4 m şi cu un singur sens de curgere, placa şi buzunarul deversor se sudează direct de corp şi nu se prevăd grinzi transversale de rezemare a talerului. La coloanele cu D=4,5-8m şi cu două sensuri de curgere ale lichidului se prevede o grindă de rezemare în zona centrală, a cărei înălţime poate fi egală cu distanţa dintre talere. Grinda se reazemă pe suporţi sudaţi de peretele coloanei, astfel că deformarea ei nu este împiedicată. Pe tălpile inferioare şi superiare ale grinzii şi ale inelelor de rezemare, se reazemă direct, fără inele de etanşare sau alte piese intermediare, subansamblele din elemente în formă de S. Lungimea coardei plăcii deversoare este orientativ, la coloanele cu un singur curent de lichid (0,7-0,74)D i, iar la coloanele cu doi şi patru curenţi de lichid (0,65-0,7)D i. Cercetările au arătat că asemenea coloane funcţionează stabil la un interval larg de încărcare cu lichid, şi anume de la 8 la 45 m 3 /m 2 h. Deaoarece jgheabul S-ului este în permanenţă inundat, se poate considera că asemenea talere lucrează asemănător cu talerele sită. Căderea de presiune, prin talerul cu elemente în formă de S, creşte cu mărirea vitezei vaporilor şi cu mărirea densităţii de stropire. La o densitate de stropire > ca 45 m 3 /m 2 h, coloana lucrează instabil. 43

44 4 COLOANE CU UMPLUTURA 4.1 Generalităţi Coloanele cu umplutură se utilizează în deosebi la prelucrarea substanţelor organice sau de mare vâscozitate. De asemenea se utilizează când sunt necesare căderi mici de presiune sau când cantitatea de lichid din coloană este mică. Coloanele cu umplutură se utilizează de exemplu la operaţiile de distilare fracţionată în vid, sau în operaţii de fracţionare discontinuă, ca şi la instalaţiile pilot şi semiindustriale, şi în lucrări de cercetare în laborator. Noile tipuri de umplutură de mare eficacitate permit separarea în coloane cu umplutură, a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate. Interioarele aparatelor tip coloană depind de natura procesului fizico - chimic precum şi de parametrii procesului. La aceste coloane transferul de substanţă are loc pe suprafaţa peliculei de lichid care se formează pe corpurile de umplere, între lichid si vapori (sau gaze). Datorită principiului lor de funcţionare, coloanele cu umplutură nu sunt adecvate pentru a lucra cu gaze sau cu lichide impurificate. Impurităţile pot astupa spaţiile libere ale umpluturii, ceea ce ar determina creşterea accentuată a rezistenţei hidraulice a umpluturii (la trecerea gazelor sau vaporilor) şi micşorarea în timp a eficacitaţii coloanei. In coloanele cu diametru interior D i >0,8m, pe anumite portiuni, vaporii (gazele) şi lichidul pot circula pe secţiuni diferite, fără a veni în contact ceea ce micşorează eficacitatea separării. Deoarece la peretele Fig. 4.1 Coloane cu umplutură coloanei volumul de goluri este maxim (rezistenţa hidraulică este minimă), lichidul are tendinţa să se deplaseze în lungul peretelui; zona centrală fiind în acest caz insuficient udată. Pentru a obţine o eficacitate a separării este necesară organizarea raţională a regimului de lucru al coloanei. In acest scop, pe înălţimea umpluturii sau între două straturi distincte de umplutura 2 se prevad dispozitive de redistribuire 4, care aduc lichidul spre zona centrală a umpluturii (fig.4.1). Umplutura se pune pe toata inălţimea coloanei sau înălţimea se fracţionează. Ultima varianta este valabilă atunci când, datorită greutătii umpluturii, dimensiunile grătarelor ar urma sa fie prea mari, sau când 44

45 construcţia ar fi puternic solicitată în zona de asamblare a grătarului cu corpul coloanei. La coloanele de absorbţie, în partea inferioară a coloanei, se prevăd dispozitive pentru uniformizarea circulaţiei gazelor. Sub grătarul stratului de umplutură, în zona de evacuare a lichidului, se prevede de exemplu, un taler cu clopote, care are rolul de a egaliza viteza gazelor pe secţiunea coloanei (6, fig. 4.1) Funcţionarea coloanei cu umplutură. Construcţia interiorului coloanei urmăreşte mărirea la maximum a suprafeţei de contact dintre faze; rolul principal îl are umplutura. Lichidul şi vaporii circulă în general în contracurent. Transferul de substanţă are loc între lichid şi vapori pe suprafaţa peliculei de lichid formată pe corpurile de umplere. Intensitatea contactului gaz-lichid, într-un caz dat (coloana si corpuri de umplere de dimensiuni date), depinde de dinamica lichidului si gazelor (vaporilor) prin coloană. Funcţionarea optimă a coloanei are loc la rapoarte determinate între cantitatea de lichid care udă umplutura şi viteza sau cantitatea vaporilor (gazelor) care circulă în contracurent. Stropirea umpluturii cu o cantitate insuficientă de lichid, duce la micşorarea suprafeţei de contact între gaze şi lichide. Stropirea în exces duce la înecarea coloanei deoarece spaţiile dintre corpurile umpluturii se umplu cu lichid şi partea respectivă a umpluturii nu mai participă la procesul de transfer de substanţă. Funcţionarea coloanei se înrăutăţeşte în ambele cazuri. Viteza vaporilor sau a gazului prin coloană trebuie să fie inferioară vitezei critice w cr, care corespunde începutului saturării umpluturii. Aceasta are loc în momentul egalării forţei de frecare dintre vapori (gaz) şi lichid cu forţa de gravitaţie care acţionează asupra lichidului, ceea ce duce la încetarea curgerii lichidului. La viteze ale vaporilor ( gazului ) mai mari ca w cr, bulele de vapori ( gaz ) pătrund în lichid ( care ocupă întregul volum liber ) şi produce emulsionarea acestuia. Starea procesului care marchează trecerea la regimul de emulsionare, corespunde punctului de înecare după care lichidul va fi antrenat afară din coloană. Regimurile de funcţionare într-o coloană cu umplutură La o cantitate dată de lichid de stropire, intensitatea transferului de substanţă depinde de viteza gazului sau vaporilor. Regimurile de funcţionare ale coloanei cu umplutură depind de relaţia care există între pierderea de presiune a vaporilor (gazului) la trecerea prin umplutura udată şi viteza acestora. La viteze ale vaporilor (gazului) mai mici decât ale lichidului, regimul de curgere al vaporilor şi lichidului este laminar. Interacţiunea vapori lichid are loc pe suprafaţa corpurilor de umplere: faza continuă sunt vaporii (gazul), iar faza dispersă este lichidul. Transferul de substanţă este puţin intens. 45

46 La viteza vaporilor (gazului) mai mare sau egală cu viteza lichidului, forţele de frecare dintre gaz si lichid cresc, au loc turbionări ale lichidului, ceea ce asigura uniformizarea repartiţiei lichidului în tot volumul de umplutură. Transferul de substanţă se îmbunătăţeşte. La viteza vaporilor (gazului) egală cu viteza de turbuleţă a lichidului începe regimul de curgere turbulent prin umplutură. Pentru viteze ale vapoprilor mai mari ca viteza de turbuleţă a lichidului, interacţiunea vapori-lichid are loc pe suprafaţa lichidului aflat în curgere turbulentă. In curentul de vapori (gaz) apar turbioane. Transferul de substanţă creşte pronunţat. Când viteza vaporilor a devenit egală cu viteza critică, care corespunde începutului saturării umpluturii, are loc înecarea coloanei cu umplutură şi începe regimul de emulsionare al coloanei. Presiunea creşte brusc, lichidul este oprit să mai curgă sau este impins înapoi de gaz. Practic pentru asigurarea unei funcţionări stabile a coloanei cu umplutură, viteza medie a vaporilor (gazului) prin umplutură se ia w = K w w, unde K = 0,75 0, 8. Viteza critică depinde de: w caracteristicile fizice ale vaporilor (gazului). Menţinerea regimului de lucru al coloanelor cu umplutură, aproape de, în condiţii industriale, implică unele greutăţi determinate de gama îngustă a încărcării cu vapori sau cu gaze. Spre a evita aceste neajunsuri au fost realizate coloane care permit folosirea volumului umpluturii aproximativ cu aceeaşi eficacitate ca şi în regimuri apropiate de, şi care sunt practic insensibile la w cr schimbări în anumite limite, ale regimului de lucru. Aceste coloane, denumite cu umplutură înecată sau cu funcţionare în regim de emulsionare forţată ( fig. 4.2 ) se umplu cu lichid până la o astfel de înălţime încât în timpul funcţionării nivelul lichidului barbotat de vapori ( gaz ) să ajungă până la suprafaţa superioară a umpluturii. Nivelul lichidului în coloană se menţine la valoarea dorită cu ajutorul unei ţevi în formă de U, prevăzută cu robinete de scurcircuitare (by pass) între braţe. w er cr 46

47 Pentru ca această ţeavă să nu lucreze ca un sifon, partea ei superioară se leagă la vârful coloanei. Coloana cu umplutură înecată funcţionează în regim combinat de turbulenţă şi de emulsionare forţată, ceea ce asigură o intensitate mare a transferului de substanţă. Regimul de funcţionare a coloanei depinde de presiunea interioară din coloană. In coloana cu umplutură din figura 4.3 amestecul este alimentat prin racordul 2 şi este distribuit uniform pe talerul 3, deasupra umpluturii. Lichidul curge prin stratul de umplutură superior 6, care se reazemă pe grătarul 4. Datorită aşezării în vrac a corpurilor de umplere se pot crea pe verticală, circuite preferenţiale (de rezistenţă hidraulică minimă) pentru vapori şi lichid. In acest scop pe înălţimea umpluturii sau între două straturi distincte de umplutură 6 se prevad dispozitive de redistribuire 5, care aduc lichidul spre zona centrală a umpluturii. La coloanele de absorbţie, în partea inferioară a coloanei, se prevăd dispozitive pentru uniformizarea circulaţiei gazelor. Sub grătarul stratului de umplutură, în zona de evacuare a lichidului, se prevede un taler cu clopote care are rolul de a egaliza viteza gazelor pe secţiunea coloanei (fig. 4.4). 47

48 4. 3 Corpuri de umplere şi umpluturi Corpurile de umplere trebuie să aibă suprafaţă specifică mare (favorabilă transferului de substanţă), volum liber mare (deci rezistentă mică la trecerea gazului sau vaporilor), densitate în vrac mică (influentează solicitarea grătarelor şi peretelui coloanei,ensiunile fundaţiei coloanei), rezistenţă la coroziune faţa de substanţele prelucrate, rezistenţă la compresiune si cost redus. Corpurile de umplere pot avea formă regulată sau neregulată. Pentru umplutură se poate utiliza orice material rezistent ( chimic şi mecanic ) în condiţiile regimului de lucru din coloană. Aşezarea corpurilor de umplere în coloană se poate face ordonat ( după o anumită reţea ) sau în vrac. 48

49 In figura 4.5 sunt prezentate corpuri de umplere de formă regulată, caracterizate prin eficacităţi diferite. Nu toate admit o aşezare ordonată. Corpurile de umplere trebuie să aibă o suprafaţă specifică mare, favorabilă transferului de substanţă, volum liber mare (rezistenţă mică la trecerea vaporilor sau a gazului), densitate în vrac mică (influenţează solicitarea grătarelor şi peretelui coloanei ca si dimensiunile coloanei), rezistenţă la coroziune faţă de substanţele prelucrate, rezistenţă la compresiune şi cost redus. Materialele de construcţie pentru corpurile de umplere sunt : materiale ceramice, materiale plastice (policlorură de vinil, polistiren, poliamidă, polietilenă, polipropilenă), lemn, metale (oţel, aluminiu, cupru, monel), cuarţ, cocs, fibre de sticlă, grafit, etc. Corpurile de umplere metalice se obţin prin turnare sub presiune sau din platbandă, iar cele din material plastic se realizează prin injectare. Pentru a obţine caracteristici mecanice mai bune se utilizează ca material de umplutură fibre de sticlă în loc de talc sau fibre de azbest. Utilizarea unor stabilizatori adecvaţi permit menţinerea în timp a caracteristicilor fizice şi chimice a corpurilor de umplere din materiale plastice. Umplutura metalică se utilizează în cazurile în care este posibilă depunerea de sediment şi este necesară curăţirea repetată a coloanei (în special în cazul umpluturilor cu configuraţie complicată), în coloane care funcţionează sub vacuum. Umplutura ceramică (inclusiv cea din porţelan), se utilizează când nu este necesară curăţirea frecventă a coloanei, precum şi la prelucrarea mediilor corozive. Grafitul, sticla şi materialele plastice pot fi utilizate la prelucrarea produselor agresive. Materialele plastice pot fi utilizate la temperaturi medii (policlorura de vinil la o o o o T 60 C; polietilena T 80 C ; polipropilena la T 100 C ; teflonul la T 240 C ). La alegerea dimensiunilor corpurilor de umplere se va avea în vedere ca raportul dintre diametrul interior al coloanei D şi diametrul d a celui mai mare corp de umplere / dmax 10. D i Alegerea tipului de umplutură depinde de parametrii de proces specifici coloanelor cu umplutură, care rezultă din principiul de funcţionare al coloanei. Eficacitatea unei umpluturi depinde în primul rând de forma şi dimensiunile corpurilor de umplere. Eficacitatea unui anumit tip de corpuri de umplere depinde de dimensiunile acestora dar si de natura materialului din care sunt executate. Natura materialului influenţeaza eficienţa procesului, prin capacitatea de udare a acestuia de către lichidul prelucrat în coloană. La scăderea debitului lichidului sub o anumită limită, eficacitatea coloanei scade brusc, datorită scăderii sub limita admisă a udării suprafetei acesteia. Debitul de lichid nu trebuie sa depăşească valoarea i max 49

50 corespunzătoare înecării umpluturii cu lichid. Densitatea maximă de stropire cu lichid se ia qmax = ( ) qmin, unde orientativ densitatea de stropire minimă se ia m qmin = 12 2 m h 3 10 (depinde de dimensunile corpurilor de umplere). Dacă în condiţiile procesului nu se poate asigura o densitate a stropirii cel puţin egală cu q min, se va lucra cu recirculaţie de lichid. Dacă din motive tehnologice nu se poate aplica recircularea lichidului, iar acesta este în cantitate insuficientă pentru a asigura densitatea de stropire minimă, se recurge la utilizarea unei coloane cu barbotare Alegerea corpurilor de umplere şi aranjarea în coloană Alegerea tipului de umplutură se face în general pe baza unor rezultate experimentale sau în funcţie de factorul de umplutură. In literatura de specialitate sunt date recomandări în acest sens. Dacă este necesară o cădere mică de presiune p, şi dacă nu se impune un grad mare de separare, se utilizează umpluturi mai ieftine: inele Pasching, Lessing, Pall, şei Berl şi Intalex. La separarea componentelor cu volatilităţi apropiate sunt recomandate umpluturi de mare eficacitate (inele Dixon, inele Hy-Pak, rulouri din bandă de plasă de sârmă, umpluturi Stedmann). La prelucrarea unor cantităţi mari de substanţe cele mai potrivite sunt umpluturile din site profilate sau din suluri de plasă de sârmă ce se utilizează cu bune rezultate în coloane cu D i = 2 3m. Alegerea tipului de umplutură trebuie să se facă pe baza unui studiu tehnicoeconomic corespunzător. Buna funcţionare a coloanelor cu umplutură depinde de repartizarea uniformă a lichidului în stratul de umplutură. Distribuţia defectuoasă a fazei lichide este determinată de neirigarea întregii umpluturi, formarea de canale în interiorul umpluturii, curgerea preferenţială a lichidului în apropierea pereţilor. Umplutura turnată în coloană se aşează la întâmplare, ceea ce are un efect de uniformizare a distribuţiei lichidului în secţiunea coloanei. Valoarea acestui efect depinde de forma umpluturii, de materialul din care este realizată aceasta, precum şi de modul în care se realizează încărcarea. Incărcarea umpluturii conform fig. 4.6 a, întâi stratul conic central 1, apoi straturile 3 până la nivelare, determină ca densitatea umpluturii la limita de separare între straturile 1 şi 3 să fie mai mică. Acest lucru permite scurgerea lichidului pe 50

51 suprafeţele de separare conice spre peretele coloanei. Acest mod de încărcare nu este avantajos. Incărcarea coloanei ca în fig. 4.6 b, întâi straturile 2 de la perete, apoi stratul central 3, până la nivelare, uşurează scurgerea lichidului de la perete spre centru, pe suprafaţa de separare dintre straturile 2 şi 3, unde densitatea umpluturii este mai, mică decât în restul stratului. Incărcarea conform figurii 4.6 c, permite scurgerea lichidului de la perete, pe suprafaţa de separare dintre staturile 2 şi 3 şi de la centru pe suprafeţele dintre straturile 1 şi 3. Incărcarea se face în ordinea : straturile 2 de la perete, stratul conic central 1 şi apoi straturile laterale 3, până la nivelare. La stropire uniformă cu lichid se obţin rezultate bune în cazul variantelor din fig. 4.6 b şi 4.6 c Diametrul şi înălţimea coloanei cu umplutură. Diametrul interior al coloanei cu umplutură se determină din relaţia debitului volumic: unde: D i 4 Q v = [ m] π ( 4.1) w 0 Q v debitul volumic al vaporilor ( gazului ) care trec prin secţiunea coloanei; w - viteza vaporilor ( gazului ) [ m/ s] prin secţiunea liberă a coloanei cuprinsă 0 între două straturi de umplutură. w o = K V w (4.2) K = 0,5 0,85 ; - volumul liber sau fracţie de golire a umpluturii. w unde : coloanei V l w l cr Inălţimea coloanei cu umplutura se determină pe baza relaţiei Ht = H s + Hu + h1 + h2 + h3 (4.3 ) H s - distanţa de la sol până la începutul părţii cilindrice a coloanei. H u - înălţimea necesară a coloanei. h 1 - distanţa liberă de deasupra ultimului strat de umplutură până la vârful ( h = 1 1, 5 m) 1 h2 - distanţa liberă a parţii cilindrice de sub primul strat de umplutură, h2=1-2m. h 3 - distanţa între două straturi succesive de umplutură. Inălţimea necesară umplerii Hu se divizează în straturi de înălţime Hu n = (4.4) h u Inălţimea h u se alege astfel încât pe înălţimea stratului de umplutură să nu se creeze căi preferenţiale ale fluidelor şi să se obţină o distribuţie uniformă a lichidului pe secţiunea coloanei. Inălţimile h 1, h 2, h 3 trebuiesc alese astfel încât să se poată asigura montarea hu 51

52 dispozitivelor de distribuire şi de redistribuire a lichidului precum şi pentru a evita antrenarea picăturilor de lichid de către gaz. Inălţimea necesară a stratului de umplutură H u, este determinată de suprafaţa de contact necesară realizării procesului de transfer de substanţă. determina pe baza următoarelor metode: a)- O metodă corectă din punct de vedere fizic calculează H u, se poate H u, ca produsul dintre numărul unităţilor de transfer de substanţă NTU necesare şi înălţimea de umplutură corespunzătoare unităţii de transfer de substanţă HTU: H u = ( NTU ) ( HTU ) (4.5) b)- O altă metodă permite calculul lui Hu, pe baza volumului de umplutură Vu, necesar transferului de substanţă. Acesta rezultă din expresia suprafeţei de contact între lichid si gaz necesară realizării transferului de substanţă: S = V u σ u (4.6) în care σ u este suprafaţa specifică a umpluturii udate: σ u = ψ σ (4.7) unde ψ este coeficient de udare, care caracterizeaza capacitatea de udare şi influenta suprafeţei udate ( ψ = 0,6 0,9), iar σ - suprafaţa specifică a umpluturii. Aria S se calculează cu ajutorul coeficienţilor de transfer de substanţă. După stabilirea diametrului coloanei se calculează: Vu S Hu = = (4.8) A A σ în care 2 A πd i 4 =, este aria secţiunii transversale a coloanei. La alegerea înălţimii h u u a unui strat de umplutură se ţine seama că: dacă înălţimea stratului de umplutură este prea mică, distribuţia gazului ( vaporilor) pe secţiune este neuniformă; dacă înălţimea este prea mare, stropirea straturilor inferioare de umplutură nu se face uniform, deoarece lichidul are tendinţa să se adune la perete, unde fracţia de goluri este maximă şi să se scurgă pe pereţii coloanei. Se recomandă: unde: K h - depinde de diametrul coloanei. h u = K D (4. 9) h i D i [ m ] 0,4 0,5...1,2 1,4. 2,2 2,4...3 K h După unii autori depinde de tipul umpluturii: K h 52

53 K h K h K h = 2,5 3 pentru inele Rasching. = 5 8 şei Berl şi Intalox. = 5 10 inele Pall Elemente specifice coloanelor cu umplutură Suporturi pentru umplutură Stratul de umplutură, în coloană este susţinut de suporturi plane sau ondulate. Acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: să reziste la coroziune si la greutatea umpluturii şi a lichidului; să aibă o secţiune liberă care să nu permită căderea corpurilor de umplutură, dar care să fie suficient de mare pentru trecerea fluidelor ; să se monteze şi demonteze uşor. Secţiunea liberă a suportului pentru corpurile de umplutură trebuie să fie mai mare, cel puţin egală cu secţiunea liberă a umpluturii. Suportul sub formă de grătar din placă perforată (fig.4.7a) nu îndeplineşte aceste condiţii, motiv pentru care nu mai este utilizat în construcţiile moderne. In prezent se mai realizează încă un grătar şi suporturi cu suprafaţă plană, executate din platbande distanţate cu bucşe (din ţeavă) prin care trec tiranţi de solidizare a platbandelor (fig. 4.7 b) sau din platbande sudate în interiorul unui inel 53

54 metalic (fig. 4.7c) soluţie constructivă acceptată în special pentru aparate cu diametru mic. Distanţa dintre barele grătarelor se ia minim ( 0,6...0,8 )d unde d este dimensiunea minimă a corpului de umplere. In coloanele executate din grafit, căptuşite cu material ceramic, sau ate, grătarele plate sunt din acelaşi material cu peretele sau cu căptuşeala. Suporturile ondulate (fig. 4.8 f, fig. 4.9) se realizează din oţel sau aluminiu, material ceramic, materiale plastice armate, etc. In cazul colectoarelor cu diametru mare, în vederea unei montări uşoare, suporturile cu umplutură se realizează din 2-7 segmente. Acestea por fi apoi montate pe grinzi transversale executate din laminate (I, U, L sau alte profile). La coloanele a căror talere se construiesc din rocă sau din material ceramic şi care au distanţă relativ mare între elementele grătarului ( mai mare ca d ), deasupra grătarului se aşează fie câteva straturi de cărămidă ( de exemplu cărămidă antiacidă ), fie câteva straturi de corpuri de umplere cu dimensiuni mai mari decât cele prevăzute pentru umplutură ( de ex. 100 x100 sau 150 x 150 ).Aceste prime staturi se aşează ordonat, deasupra lor se toarnă corpurile de umplere de diametru mai mic. Suporturile cu umpluturi cu suprafaţă plană au două dezavantaje majore: 1- lichidul şi gazul circulă în contra curent prin aceleaşi orificii, motiv pentru care pe suprafaţa suportului se adună un strat de lichid prin care barbotează gazul sau vaporii (fig. 4.8 d); 2 - stratul de umplutură din apropierea suprafeţei suportului plan, 54

55 obturează parţial spaţiile libere ale acestuia. Ambele dezavantaje au ca efect reducerea capacităţii coloanei. Suporturile ondulate (fig. 4.9) permit trecerea separată a vaporilor şi a lichidului (fig.4.8 f). Vaporii pătrund în umplutură prin ondulaţiile superioare, care se află deasupra ondulaţiei prin care lichidul se scurge din stratul de umplutură, ceea ce împiedică formarea stratului de lichid pe suprafaţa suportului. In felul acesta vaporii sunt injectaţi prin suprafaţa laterală a ondulaţiilor în stratul de lichid, iar lichidul datorită deschiderilor, din partea inferioară a ondulaţiilor este uniform distribuit pe stratul de umplutură inferior. Aria liberă a unor asemenea suporturi poate depăşi valoarea ariei secţiunii transversale a coloanei. Se realizează astfel debite mari de lichid şi de vapori în condiţiile unei căderi minime de presiune. Pentru proiectarea optimă a unui suport pentru umplutură, este necesară cunoaşterea diametrului interior al coloanei, a înălţimii stratului de umplutură, a tipului umpluturii, debitele de lichid şi de vapori şi materialul corpurilor de umplere. Materialul se alege pe baza cunoaşterii agresivităţii mediului de lucru. Suporturile ondulate se realizează din oţel, aluminiu, material ceramic (porţelan, material refractar ), material plastic ( furan sau poliester ) armat cu fibre de sticlă, policlorură de vinil, polipropilenă. La coloanele cu diametru mare, în vederea unei montări uşoare suporturile pentru umplutură se execută din 2-7 segmente separate. Acestea se pot monta pe grinzi executate din cornier sau din alte laminate Grătare limitatoare de strat In coloanele cu umplutură, în cazul unor încărcări mari cu lichid şi gaz, când căderea de presiune pe înălţimea de un metru de umplutură, devine mai mare decât mm. col. H 2 O, este posibilă fierberea aparentă (fluidizarea) umpluturii în partea ei superioară, ceea ce determină micşorarea capacităţii coloanei ca urmare a distrugerii umpluturii ce implică micşorarea fracţiei de goluri. Pentru a evita asemenea efecte, în partea superioară a stratului de umplutură se prevede un limitator de strat (fig. 4.10). Aşezarea direct pe umplutură a unui limitator de strat poate împiedica prin greutatea sa ( kg/m 2 ), fluidizarea umpluturii. Uneori, un 55

56 asemenea limitator nu împiedică complet distrugerea umpluturii. Dacă nu există pericol de înfundare sau de corodare, sub placa limitatoare se poate prevede o sită, care împiedică deplasarea corpurilor de umplere. Secţiunea liberă a limitatorului de strat trebuie să fie mai mare decât 70 % din aria secţiunii transversale a coloanei. Limitatoarele de strat se suspendă pe distribuitorul de lichid sau se fixează pe clipsuri sudate de peretele interior al coloanei. Limitatoarele de strat se realizează din metal (oţel sau oţel aliat) material termoplastic ( polipropilenă, policlorură de vinil ). In general se realizează din 2-3 segmente, care se asamblează între ele la montaj Dispozitiv pentru redistribuirea lichidului Spre a asigura contactul optim între fazele aflate în coloană, este necesară evitarea formării de canale verticale prin care să aibă loc curgerea preferenţială a fluidelor. Aceasta se obţine prin repartizarea uniformă a fazei lichide pe suprafaţa umpluturii şi prin fracţionarea umpluturii în straturi de înălţime mică, între care se intercalează dispozitive pentru colectarea şi redistribuirea lichidului (fig. 4.11) Uniformitatea optimă a stropirii se obţine pentru înălţimi de umplutură date de relaţia ( 4.10 ) h u D = i tgφ tg e Φi (4.10) h u 56

57 în care : Φ e este unghiul de frecare al umpluturii pe pereţi, orientativ o Φ este unghiul de taluz natural al umpluturii ( Φ 45 ) i Φ e = După unele recomandări se poate determina şi cu relaţia (4.9). h u Dispozitivele de colectare şi redistribuire a lichidului trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să nu îngusteze secţiunea aparatului ( ceea ce va determina mărirea bruscă a vitezei gazului sau vaporilor şi deci la perturbarea regimului de lucru a coloanei ), să asigure redistribuirea uniformă a lichidului şi să nu fie complicate din punct de vedere constructiv. Utilizarea unor confuzoare simple (fig.4.11a ) este dezavantajoasă din punct de vedere funcţional. o Ca dispozitive de colectare şi redistribuire se utilizează conuri cu găuri ştanţate ( fig b ), buzunare inelare ( fig c ) şi talere speciale ( fig ). La conurile cu găurile ştanţate ( fig b ) lichidul care se scurge pe pereţii coloanei 1, este dirijat către centrul acesteia. In dreptul conului 2, viteza gazului (vaporilor) se măreşte fără a deranja prea mult funcţionarea coloanei, datorită prezenţei găurilor 3. Găurile împiedică mărirea accentuată a vitezei gazului şi nu permit scurgerea lichidului decât spre partea centrală. Buzunarele inelare 1 ( fig c) relativ înguste sunt prevăzute cu 3-6 ţevi 3, prin care lichidul colectat este adus spre centrul coloanei 1. Criteriile care stau la baza proiectării unui redistribuitor sunt similare cu cele pentru distribuitoarele de lichid. Redistribuitorul trebuie să fie compatibil cu suportul umpluturii sub care acesta este prevăzut. In fig c este prezentat un suport ondulat sub care este prevăzut un redistribuitor (fig d). Racordurile redistribuitorului pentru trecerea vaporilor sau gazului sunt în dreptul şi pe lungimea 57

58 ondulaţiilor suportului umpluturii prin care trec vaporii. In felul cesta se asigură o cădere de presiune minimă a ansamblului redistribuitor - suport pentru umplutură, ca urmare a neintersectării traiectoriilor lichidului şi vaporilor. Rozetele distribuitoare (fig. 4.13), reprezintă o clasă specială de redistribuitoare, utilizate atunci când eficienţa coloanei cu umplutură poate scădea datorită procentului ridicat de lichid care ar curge în preajma peretelui coloanei. Acest fenomen se petrece în cazul coloanelor cu diametru mic. Rozetele distribuitoare se prevăd atunci când amestecul aflat în blazul coloanei urmează a fi epuizat total de componentul volatil. Aceste rozete pot fi amplasate în interiorul stratului de umplutură, deasupra stratului de umplutură sau deasupra unui distribuitor obişnuit. Ele se prind etanş de suporturi inelare prevăzute pe interiorul coloanei, sau se instalează între flanşe. 58

59 Dispozitive de stropire Funcţionarea în bune condiţii a coloanei este influenţată de uniformitatea distribuirii lichidului pe umplutură. Dispozitivele de stropire trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să asigure o distribuţie uniformă a lichidului asupra umpluturii, - să nu se înfunde în timpul funcţionării, - pentru o funcţionare corectă să nu fie necesară o presiune prea mare. Dispozitivele de stropire sunt de două categorii: tip A dispozitive care asigură stropirea într-un număr determinant de puncte pe secţiunea umpluturii, tip B dispozitive care asigură stropirea umpluturii sub formă de picături. Dispozitive de stropire tip A Numărul punctelor de stropire pe unitatea de arie a suprafaţei transversale a umpluturii depinde de diametrul coloanei şi de modul de aşezare a umpluturii în coloană. Numărul optim al punctelor de stropire rezultă din tabelul 4.1. Tabelul 4.1 Numărul punctelor de stropire pe 1m 2 din aria secţiunii transversale a coloanei Numărul punctelor de stropire pe 1m 2 Diametrul coloanei D i, m din aria secţiunii transversale a coloanei Umplutură Umplutură asezată ordonat asezată în vrac 0,4-0, ,8-1, , Pentru coloanele cu diametru mic se recomandă utilizarea dispozitivelor din fig şi Pentru coloanele cu diametru mare se recomandă utilizarea dispozitivelor din fig şi In cazul dispozitivelor din fig. 4.14, plăcile pentru distribuirea lichidului 1, sunt prevăzute cu ţevi 2, care ajung până la nivelul umpluturii. Diametrul ţevilor de scurgere pentru variantele a şi b, se alege astfel ca nivelul lichidului să se afle în permanenţă deasupra capetelor superioare ale ţevilor. Vaporii (gazul) sunt îndepărtaţi fie lateral (fig a), fie prin racorduri special prevazute în acest scop pe placă ( fig. 4.14b). Aria secţiunii transversale, S 1, a unei ţevi rezultă din relaţia debitului volumic de lichid: Q = µ z S 2g ( 4.11) în care: v 1 h l este coeficientul de scurgere; µ = 0,8 coloanei de lichid deasupra ţevii. z numărul ţevilor; înălţimea h l 59

60 In cazul din fig. 4.14a capacul poate lipsi, dacă procesul are loc la presiunea atmosferică, iar lichidul nu degajă vapori sau gaze, în condiţiile regimului de lucru. Spre a preveni înfundarea ţevile 2, se construiesc cu diametrul interior mai mare decât 15 mm. Lungimea ţevii se ia mai mare decât de 3 ori diametrul ei. In cazul deversării libere a lichidului ( fig c ) ţevile 2, trebuie să aibă diametrul mare ( mm), deoarece lichidul si vaporii trec în contracurent prin aceleaşi ţevi. Tevile se dispun după o reţea hexagonală, pătrată sau circulară. Spre a asigura o distribuţie uniformă a lichidului, capetele superioare ale ţevilor trebuie să se afle în acelaşi plan orizontal. Acest lucru este mai dificil de realizat în cazul coloanelor cu diametrul de 2 3 m. La aceste coloane se recurge la alte variante constructive, sau se construieşte diametrul din segmente. Dispozitivul de stropire tip păianjen ( fig ) este o construcţie robustă, care se realizează la coloanele cu diametre D i 2,5m, deoarece la diametrele mai mari devin prea grele. Deversorul zimţat 2, amplasat între cilindrul central de alimentare 1 şi închizătorul hidraulic 3, de deasupra ţevilor de stropire 4, asigură liniştirea şi uniformizarea nivelului lichidului. Lichidul trece din 1 în spaţiul inelar dintre 1 şi 2 prin fereastrele a. Datorită închiderii hidraulice, ţevile 4 funcţionează în secţiunea complet plină. In consecinţă, vaporii trebuie să fie dirijaţi, la un racord lateral care se află sub dispozitivul de stropire. Debitul de lichid prin ţevile 4 se determină cu relaţia (4.11) în care (fig ) h l = h - în cazul în care presiunea de deasupra şi de dedesubtul dispozitivului este aceeaşi. p hl = h - când presiunile în cele două spaţii este diferită; p = p 1 p 2, iar ρ g l 60

61 ρl este densitatea lichidului de pe taler. Plăcile şi talerele pentru distribuţia lichidului se amplasează la 0,7 1 m deasupra umpluturii. Jgheaburile (fig. 4.16) se utilizează pentru distribuirea uniformă a lichidului în coloanele cu diametru mare. Lichidul alimentat în jgheabul central 1, este repartizat în jgheaburile transversale 2, unde curge prin cădere liberă, pin deversoarele 3 cu secţiune triunghiulară sau în unele cazuri, trapezoidală. Funcţionarea corectă a jgheaburilor este determinată de reglarea poziţiei orizontale a acestora. Vârfurile sau baza mică a deversoarelor trebuie să se afle în acelaşi plan orizontal. Viteza lichidului în jgheaburi trebuie să fie mai mică decât 0,3 m / s. Jgheaburile se amplasează la 1,2 1,4 m deasupra umpluturii (sau a ultimului taler, în cazul coloanelor cu talere). Dispozitivele de stropire din ţevi perforate (fig. 4.17) sunt eficiente şi micşorează mai puţin decât celelalte dispozitive aria liberă a secţiunii transversale. Datorită pericolului înfundării orificiilor, aceste dispozitive sunt recomandate pentru stropirea sub presiune a lichidelor curate, care au fost în prealabil filtrate. Diametrul orificiilor practicate în ţevi este de 3-6 mm. Distribuţia uniformă pe întreaga secţiune transversală a coloanei se asigură prin alimentarea cu lichid a ţevii 61

62 inelare 1 ( fig a ) prin două racorduri 3, diametral opuse. Tevile transversale 2, asigură stropirea şi în zona centrală a coloanei. La alimentarea unidirecţională ( fig b ) spre a asigura stropirea uniformă, în special la coloanele cu diametru mare, este necesar ca diametrele orificiilor ţevilor a, de la capătul opus alimentării să fie mai mari decât al ţevilor din apropierea secţiunii de alimentare. Dispozitivul de stropire cu ajutaje (fig. 4.18) se utilizează în aceleaşi condiţii ca dispozitivele din figura Braţele transversale ale acestui dispozitiv sunt prinse de ţeava centrală cu flanşe. Prin reglarea ajutajelor 1 se poate uniformiza debitul de stropire pe toata secţiunea coloanei. Dispozitive de stropire de tipul B Se utilizează dispozitive de stropire fixe sau rabatabile, a căror piesă principală o constituie stropitorul care poate fi de formă cilindrică (fig a, c) sau semisferică (fig b) şi care este prevăzut cu orificii circulare (fig a si b) sau cu

63 fante dreptunghiulare (fig c ). Aceste elemente sunt dispuse în general în centrul coloanei la înălţimea de 0, 7 1 m şi mai mult deasupra umpluturii. Stropitorul din fig c, asigură stropirea pe o rază relativ mică, motiv pentru care în coloane cu diametrul mare se utilizează câteva asemenea piese. Orificiile se execută cu diametrul de 3 15 mm. Lichidul este alimentat sub o presiune de 1-6 m col. H 2 O, de la o pompă sau vas de nivel. Funcţionarea corectă a acestor stropitoare are loc la debit constant al lichidului de stropire. La micşorarea debitului, umplutura de lângă perete nu va fi udată. La mărirea debitului peste cel optim, o parte din lichid va fi dirijat pe pereţii coloanei. Stropitoarele sunt simple din punct de vedere constructiv şi ieftine. Sunt utilizate la coloane cu diametre mari până la 9 m. Se preferă soluţiile constructive cu orificii circulare, deoarece fantele dreptunghiulare se înfundă uşor. Dispozitivele de stropire cu deflector (fig.4.20) sunt simple din punct de vedere constructiv, permit stropirea unor debite mari de lichid şi nu se înfundă. Cea mai simplă construcţie consta dintr-o ţeavă 1, de care este sudat la o anumită distanţă discul deflector 2 (fig.4.20a). Lovindu-se de deflector lichidul se împrăştie sub formă de picături în toate părţile. Placa deflectoare (plană, bombată sau conică)este prevazuta cu orificii pentru a asigura şi stropirea părţii centrale a umpluturii. Pentru debite mari de lichid ( m 3 /h) se utilizează stropitorul cu deflector multiplu (fig b)care are o raza de acţiune de până la 3m. Lichidul curge de pe elementele deflectoare (fig. 4.20b) sub forma unei pelicule care este întreruptă de vaporii care 63

64 circulă de jos în sus şi o transformă în picături. Fiecare peliculă de acest fel asigura udarea umpluturii pe o distanţă radială de 0,3-0,6 m. Dispozitivele de stropire centrifugale sunt constituite dintr-un element rotitor pe care cade lichidul (fig.4.21). Datorită acţiunii forţei centrifuge, lichidul este raspândit sub formă de picăturideasupra umpluturii. Rotorul este constituit dintr-un arbore pe care este asamblat un disc stea.acest dispozitiv nuasigură o stropire uniformă pe secţiunea coloanei. Un disc cu un diametru de 500mm la turaţii de rot./minasigură udarea pe o rază de 0,8-3m Racorduri pentru intrarea, redistribuirea şi ieşirea vaporilor (gazelor) şi pentru ieşirea lichidului. Soluţii constructive. Racordurile prin care se introduc gazele ( vaporii ) trebuie astfel concepute încât să împiedice intrarea directă a lichidului. In acest sens se adoptă soluţiile din figura 4.22 a, capătul racordului se taie înclinat faţă de axă sau se prevăd cu o degajare în partea inferioară şi cu capac frontal (fig. 22 b ). Racordurile talerelor de distribuire sau redistribuire a vaporilor sau gazelor se acoperă cu capace (fig.4.23). Racordurile pentru ieşirea vaporilor sau gazelor se concep astfel încât să fie împiedecată trecerea mai departe (prin racord) a picăturilor antrenate de curentul de vapori sau gaz. In acest scop, în calea vaporilor se prevăd separatoare de picături, sau în jurul intrării în racord se prevăd buzunare deschise în partea de sus, sau plăci protectoare fixate în partea de jos (astfel ca în ele să nu poată fi păstrat lichid) care au de asemenea rol de separatoare de picături ( fig ). Separatoarele de picături se prevăd în cazul antrenării unor cantităţi mari de picături şi când deflectoarele sau buzunarele simple nu asigură reţinerea picăturilor (fig.4.24). Racordurile pentru ieşirea fazei lichide trebuie să permită trecerea debitului de lichid dar să împiedice iesirea vaporilor sau gazelor. La aparatele care funcţioneaza la presiune mică se utilizează închizătoare hidraulice simple (fig.4.25a). Când în coloană presiunile sunt mari se utilizeaza închideri hidraulice din ţeavă în formă de U. 64

65 Partea inferioară a coloanei serveşte uneori şi ca rezervor tampon, în care se găseşte în permanenţă o cantitate de lichid. Aceasta permite cuplarea directă a coloanei cu pompa care evacuează lichidul. Diametrl racordurilor. Diametrul racordurilor se calculează în funcţie de viteza admisibilă a fluidului, pe baza relaţiei debitului masic: Q m = πdi 4 2 w ρ ( 4.12 ) în care: ρ densitatea fluidului, d i diametrul interior al racordului, w viteza admisibilă a fluidului care depinde de rolul racordului, de diametrul său şi de starea curentului de fluid. Pentru abur, viteza admisibilă creşte cu mărirea diametrului racordului. Diametrul racordului 2, ţevii, mm Viteza admisă abur, m / s La coloanele care funcţionează la presiuni superioare celei atmosferice, viteza admisibilă a fluidului pentru calculul racordurilor rezultă cu aproximaţie din relaţia: wa = ( 4.13) în care: - viteza admisibilă la presiunea atmosferică, w a p - presiunea în da N / cm 2 w p 65

66 5. CONSTRUCTIA APARATELOR TIP COLOANA 5.1 Construcţia coloanelor cu umplutură Inălţimea coloanei ca şi forma sa depinde de soluţia generală adoptată. Astfel, fierbătorul care prin evaporarea lichidului transmite vaporilor acestuia energia necesară învingerii rezistenţelor opuse până la ieşirea din coloană, poate face corp comun cu coloana, fiind amplasat în partea inferioară a coloanei (fig. 5.1 ) sau poate fi independent de coloană. Condensatorul aparat tubular în care are loc condensarea fracţiunii uşoare care iese pe la vârful coloanei de rectificare, este în general independent de coloană. In anumite cazuri, condensatorul poate face corp comun cu coloana cu umplutură. Corpul coloanei se construieşte din oţel laminat. In anumite cazuri, speciale poate fi utilizată fonta sau oţelul turnat. Alegerea materialului pentru coloană depinde de regimul de lucru şi de agresivitatea mediului prelucrat. In unele cazuri se folosesc cărămizi antiacide cu care se zideşte în interior, corpul coloanei executat din oţel carbon. 66