p

Teodor Ioan Trac

UTILAJE N INDUSTRIA ALIMENTAR

Instalaii de distilare i rectificare

Capitolul XVINSTALAII DE DISTILARE I RECTIFICAREXV.1. Clasificare

Tipurile i construcia instalaiilor de distilare i rectificare, care utilizeaz materie prim sub form lichid, depind de proprietile fizice i chimice ale amestecurilor distilate, de temperaturile de fierbere, de presiunea la care se efectueaz distilarea i de procedeul de nclzire.n tabelul XV.1 se indic tipurile de instalaii de distilare rectificare funcie de materia prim utilizat.Tabelul XV.1 Instalaii de distilare rectificare tipuri i utilizriMateria primProdusul obinutTipul instalaiei

Fructe fermentate Borhot sau suc de fructe

Vin

Tescovin fermentat

Drojdie rezultat de la limpezirea mustului de struguri sau de la limpezirea vinurilorRachiu de fructe (uic, mere, pere, ciree etc.), de vin, de tescovin, drojdie cu o concentraie alcoolic de 24 60%- Instalaii de distilare cu dou blaze

- Distilator de tescovin

Plmad fermentat (cereale, cartofi, melas) cu concentraia n alcool de 8 10%Spirt brut; spirt rafinat- Instalaie de distilare pentru spirt brut cu coloane suprapuse sau cu coloane alturate

- Instalaii de rafinare discotinue

- Instalaie de rafinare continu tip Barbet

Instalaii continue de rafinare distilare cu aciune semidirect, indirect sau combinat

XV.2. Coloane de distilare i rectificareAparatele utilizate pentru distilare rectificare de tip coloan pot fi: cu talere cu clopote, cu talere cu plci perforate sau site, cu umplutur, de construcie special. Transferul de substan la aceste coloane are loc n zona de spumare, ca urmare a barbotrii vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler.

XV.2.1. Coloane cu talereStudiul coloanelor cu talere se bazeaz pe conceptul de taler teoretic. Acesta este o unitate ideal de contact, pe care se realizeaz echilibru termodinamic ntre lichidul (refluxul) care cade de pe talerul superior i vaporii care se ridic de pe talerul inferior.

Conceptul de taler teoretic se poate explica astfel: pe un talerul n, pe care se menine nivelul constant, se realizeaz contactul ntre vaporii de compoziie yn+1 cu temperatura tn+1 (de la talerul imediat superior n+1) i lichidul de compoziie xn-1 cu temperatura tn-1 (de la talerul imediat inferior n-1). Deoarece

tn+1 > tn-1

(XV.1)vaporii mai calzi cedeaz cldur lichidului mai rece. Componenta greu volatil din vapori se va condensa i componenta uor volatil din lichid se va evapora. Pe talerul n se realizeaz astfel vapori i lichid n echilibru, avnd aceeai temperatur tn. Talerul teoretic echilibreaz deci diferenele de temperatur i concentraie dintre cele dou fluxuri lichid i vapori din coloana de rectificare. Rezult componenta lichid cu compoziia xn i cea de vapori cu compoziia yn. Condiia ca talerul n s fie taler teoretic este ca xn i yn s corespund echilibrului termodinamic lichid vapori.

Un taler teoretic reprezint mai multe talere reale, a cror numr depinde de condiiile de operare. Caracteristica principal a coloanelor de rectificare este numrul de talere teoretice.

Dimensionarea unei coloane cu talere const n determinarea numrului de talere. Aceasta se poate face prin dou metode:

dimensionarea la echilibru determinarea numrului de talere teoretice necesare separrii;

dimensionarea pe baza cineticii transferului de mas determinarea concentraiilor i temperaturilor de fierbere pe fiecare taler i astfel a numrului de talere reale.

n figura XV.1 se prezint schema coloanei de rectificare continu cu talere. Modul de operare este urmtorul: amestecul iniial se prenclzete pn la temperatura de fierbere, dup care se introduce pe unul din talerele (2) coloanei (3). Concentraia refluxului intern pe talerul respectiv trebuie s fie egal cu concentraia amestecului iniial. Talerul pe care s-a efectuat alimentarea amestecului iniial mparte coloana n dou zone: zona de concentrare (de rectificare) n care se produce concentrarea vaporilor i lichidului n component uor volatil;

zona de epuizare (de stripare) n care are loc epuizarea lichidului i vaporilor de ultimele resturi de component uor volatil.

Amestecul curge din taler n taler, pierde treptat componentul volatil i ajunge n fierbtor (4) (serpentina de nclzire) unde este parial vaporizat, restul fiind evacuat ca fraciune grea (reziduu). Vaporii rezultai din fierbtor servesc la vaporizarea componenilor volatili din lichidul (refluxul) care curge n contracurent.n trecerea prin coloan, compoziia vaporilor variaz de la cea corespunztoare fraciunii grele pn la cea corespunztoare fraciunii uoare.

Vaporii sunt condensai total n condensator (1). O parte din condensat revine ca reflux n coloana de rectificare, iar restul se evacueaz ca distilat. Distilatul este produsul obinut la partea superioar a coloanei, dup condensare, i reprezint fie componenta mai volatil purificat, fie o fraciune mbogit n componenta mai volatil. Reziduul reprezint produsul obinut la baza coloanei sub form lichid i reprezint componenta greu volatil epuizat de componenta uor volatil sau o fraciune mbogit n componenta greu volatil.

Figura XV.1 Schema coloanei de rectificare

n lungul coloanei de rectificare, temperatura variaz de la temperatura de fierbere a reziduului (apropiat de temperatura de fierbere a componentului greu volatil), pn la temperatura de condensare a distilatului (apropiat de temperatura de fierbere a componentului uor volatil).

ntr-o coloan cu talere, lichidul i vaporii pot circula pe talere n contracurent, n curent ncruciat sau n echicurent.

Calculul de dimensionare a unei coloane cu talere const n determinarea diametrului i nlimii coloanei.

Diametrul coloanei D [m] se calculeaz cu relaia:

(XV.2)

n care: A0 [m2] aria seciunii transversale a coloanei:

(XV.3)

Qv [m3/s] debitul vaporilor:

(XV.4)

QD [kg/s] debitul de distilat;

MD [kg/kmol] masa molecular medie a distilatului;

Rr [kmol/mol] refluxul real;

Tm [K] temperatura medie ntre temperaturile de la

vrful i de la fierbtorul coloanei;

T0 [K] temperatura de alimentare; pm [Pa] presiunea medie ntre presiunile de la vrful i

de la fierbtorul coloanei;

v [m/s] viteza vaporilor (0,3 0,6).

nlimea coloanei cu talere H [m] se determin cu relaia:

(XV.5)n care: n [-] numrul de talere:

(XV.6)

nt [-] numrul de talere teoretice;

Eg [-] eficiena global (0,25 0,8);

d [m] distana dintre talere.

XV.2.2. Coloane cu umplutur

Construcia unei coloane cu umplutur urmrete maximizarea suprafeei de contact dintre cele dou faze (lichid i gaz). Acest scop este atins cu ajutorul umpluturii, care realizeaz concomitent transferul de cldur i de mas. Transferul de mas se produce pe suprafaa peliculei de lichid format pe corpurile de umplere, ntre lichid i vapori.

Coloana funcioneaz n condiii optime la valori precise ale rapoartelor: debit de lichid care ud umplutura / debit al vaporilor. Dac umplutura este stropit cu o cantitate de lichid insuficient, se reduce suprafaa de contact lichid vapori. Nici cazul contrar, al unei stropiri n exces, nu este de dorit, deoarece duce la nfundarea coloanei.

Elementele principale ale coloanelor cu umplutur sunt corpurile de umplere caracterizate prin urmtoarele mrimi: suprafaa specific (suprafaa umpluturii corespunztoare unui volum de 1 m3); volumul liber Vl (volumul golurilor dintr-un volum de 1 m3 de corpuri de umplere);

factorul de umplere F; seciunea liber a umpluturii Sl (seciunea de trecere printr-o suprafa de 1 m2 a stratului de corpuri de umplere); diametrul echivalent al umpluturii De:

(XV.7)

dimensiunile i forma corpurilor de umplere.

Diametrul interior al coloanei Di [m] se calculeaz cu relaia:

(XV.8)

n care: Qv [m3/s] debitul volumic de vapori;

vo [m/s] viteza vaporilor n seciunea coloanei.

nlimea total a coloanei cu umplutur H [m] se calculeaz cu relaia:

(XV.9)n care: Hs [m] distana sol nceputul prii cilindrice a

coloanei;

Hu [m] nlimea necesar a stratului de umplutur;

h1 [m] distana liber de deasupra ultimului strat de umplutur, pn la vrful coloanei (1 1,5); h2 [m] distana liber a prii cilindrice de sub primul

strat de umplutur (1 2);

h3 [m] distana dintre dou straturi de umplutur

succesive.

XV.3. Scheme de principiu ale instalaiilor de distilare

n principal, instalaiile de distilare se utilizeaz pentru operaii de distilare simpl sau difereniat, pentru separarea amestecurilor formate din lichide cu temperaturi de fierbere ndeprtate i care nu formeaz azeotropi. Astfel de instalaii de distilare au funcionare discotinu.Instalaiile de distilare se compun n principal din:

( blaz de distilare (fierbtor): un recipient cilindric;

( sistem de nclzire cu serpentin, manta sau fascicul tubular;

( condensator situat n afara spaiului de fierbere: un schimbtor de cldur cu serpentin;

( deflegmator (sistem de obinere a refluxului, pentru condensarea parial a vaporilor): un schimbtor de cldur tubular situat n afara spaiului de fierbere sau deasupra blazei;

( rezervoare pentru colectarea distilatului: recipiente metalice cu colectarea integral sau pe fraciuni (fruni, mijloc, cozi).

n figura XV.2 se prezint trei scheme de instalaii de distilare: fr deflegmator (a), cu deflegmator n exterior (b) i cu deflegmator aezat deasupra spaiului de degajare a vaporilor (c). Se deosebesc urmtoarele componente principale:

1 condensator

2 conduct de alimentare pentru amestec

3 sistem de nclzire

4 blaz de distilare

5 racord evacuare.

Principiul de lucru al acestor instalaii de distilare este urmtorul: amestecul supus distilrii se alimenteaz printr-o conduct (2) n blazul de distilare (4) unde se nclzete prin intermediul unui sistem de nclzire (3). Vaporii formai se trec sau nu prin deflegmator (6), dup care se condenseaz n condensator (1), obinnd n final distilatul.

Figura XV.2 Scheme ale instalaiilor de distilare

Pentru separarea amestecurilor practic nemiscibile se utilizeaz o instalaie de antrenare cu vapori (figura XV.3). Antrenarea se realizeaz cu vapori de ap sau cu un gaz, care nu reacioneaz cu componentele amestecului. O astfel de instalaie se compune din:

1 condensator

2 sistem de nclzire (serpentin)

3 decantor

4 barbotor cu abur

5 distilator.

Figura XV.3 Schema instalaiei de antrenare cu vapori

XV.4. Scheme de principiu ale Instalaiilor de rectificare

O instalaie de rectificare const dintr-o coloan de rectificare, format dintr-o serie de blaze cu barbotare direct a vaporilor, puse una peste alta. n locul blazelor se utilizeaz talere. n coloana de rectificare se produc operaiile de la mai multe instalaii de distilare simpl, legate n serie.

Instalaiile de rectificare se pot clasifica funcie de mai multe criterii astfel:

- funcie de condiiile de lucru, instalaiile de rectificare funcioneaz la presiune atmosferic (pentru amestec lichid), la presiuni sczute (n vid; pentru separarea amestecurilor cu punct de fierbere ridicat), la presiuni ridicate (pentru amestecuri n stare gazoas la presiune atmosferic);

- funcie de modul n care se realizeaz rectificarea, instalaiile funcioneaz discontinuu (pe arje), sau continuu.

Principalele componente ale unei instalaii de rectificare sunt:

( fierbtor sau blaz: recipient cilindric cu sistem de nclzire direct (barbotor cu abur) sau indirect (serpentin);

( coloan de rectificare cu talere cu clopote sau site: mai multe tronsoane cilindrice care au n interior detalii constructive diferite pentru realizarea contactului ntre faze;

( condensator sau deflegmator: schimbtor de cldur tubular;

( condensator rcitor de distilat: schimbtor de cldur de construcie special;

( prenclzitor de materie prim: schimbtor de cldur tubular;

( vase colectoare pentru distilat i reziduu: recipiente metalice;

( pompe de circulaie;

( aparatur de msur, control, automatizare.

n figura XV.4 se prezint dou scheme de instalaii de rectificare: cu funcionare discontinu (a) i cu funcionare continu (b). Se deosebesc urmtoarele componente:

1 prenclzitor recuperator

2 prenclzitor

3 blaz

4 coloan de rectificare

5 sistem de nclzire

6 condensator

7 condensator rcitor

8 rcitor

9 rezervor colector pentru distilat

10 . rezervor colector pentru reziduu.

Principiul de lucru este urmtorul: amestecul se introduce n blaz (3) (direct la instalaia de rectificare cu funcionare discontinu n mod direct, sau la instalaia de rectificare cu funcionare continu indirect, mai nti prin prenclzitorul-recuperator (1) i apoi prin prenclzitor (2). De aici amestecul ajunge n coloana de rectificare (4). Dup condensarea vaporilor i rcire, distilatul se colecteaz n rezervorul (9).

Figura XV.4 Scheme ale instalaiilor de rectificare

284283

_1136802257.unknown

_1136891806.unknown

_1136891969.unknown

_1136892219.unknown

_1136891844.unknown

_1136802379.unknown

_1136801468.unknown

_1136801620.unknown

_1136801309.unknown