Фактически тарельчатая колонна представляет собой ряд аппаратов для простой перегонки, поставленных друг на друга. Поэтому процесс работы тарельчатой колонны легко поддаётся математической обработке. При количественном рассмотрении обычно используется концепция «теоретической тарелки». Под тарелкой понимается гипотетическое устройство, в котором устанавливается равновесие между покидающими её потоками пара и жидкости. Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок — ТТ, входные и выходные потоки в которой, как по величине, так и по концентрации, совпадают с потоками в этой колонне. Т.е. о любом аппарате можно сказать, что по своей эффективности он эквивалентен аппарату с каким-то определённым количеством ТТ, и чем оно больше, тем с большей эффективностью колонка разделяет жидкие смеси.
Кроме тарельчатых колонн (их ещё называют переливными) бывают колонны с насыпными насадками, например, в виде колец из керамики или нержавеющей стали, у которых высота равна диаметру [26]. Недостатком таких колонн, как и лабораторных ректификационных колонок с насыпными насадками, является так называемое каналообразование, когда флегма стекает вниз не в виде плёнки по всей поверхности насадки, а отдельными относительно толстыми струйками по путям наименьшего для неё сопротивления [31]. В результате уменьшается площадь поверхности, на которой происходит соприкосновение пара с жидкостью, и ухудшается эффективность работы колонки. Для уменьшения каналообразования существует ряд мер, но лучшие результаты даёт насадка из тонкой металлической сетки, показанная на рис.6.
Сетка отформована в виде спирали, края которой плотно прилегают к внутренней стенке колонки и центральному стержню. Колонка с такой насадкой имеет небольшое гидравлическое сопротивление и обеспечивает большую поверхность соприкосновения фаз. При использовании сетчатых насадок существенно возрастает роль орошения из конденсатора.
Все промышленные ректификационные колонны, в особенности нефтеперегонные, представляют собой весьма внушительные сооружения диаметром до 5 м и высотой с многоэтажный дом.
Глава 6. Конструкция перегонного аппарата
Все детали перегонного аппарата, за исключением стеклянного манометра, резиновых и фторопластовых прокладок, изготовлены из нержавеющей стали. Этот выбор сделан осознанно, несмотря на то, что со средних веков и вплоть до настоящего времени на родине получения виноградных спиртов во Франции используются перегонные аппараты-дистилляторы только шарантского (по названию провинции) типа, изготовленные исключительно из красной меди — т.н. аламбики. Их конструкция и размеры основных частей — куба, шлема (колпака), пароотводной трубки, змеевикового холодильника и бака с охлаждающей водой — строго регламентированы. Использование нержавеющей стали, лужёной меди или стекла в производстве коньячных спиртов не допускается [27].
Дело в том, что первоначально опытным путём было выяснено, что невысокого качества виноградный спирт, полученный перегонкой на дистилляторе с медным кубом и длительное время выдержанный в дубовой бочке, обладает лучшими органолептическими характеристиками, чем спирты, перегнанные в аппаратах из стекла или железа.
Позднее, по мере развития химии было установлено, что медь является весьма активным элементом. Она участвует как один из реагентов и как катализатор в реакциях между различными химически активными веществами, кипящими в кубе перегонного аппарата. Например, при изготовлении коньячного спирта в аппарате с медным кубом образуется эфиров на 60—100% больше, альдегидов на 10—15%, фурфурола на 150—200% больше, чем в аппаратах с кубом, лужёным серебром или оловом [76]. То есть, медь способствует образованию новых летучих веществ, зачастую ядовитых, которые только после многолетней выдержки в дубовых бочках и взаимных превращений с участием кислорода улучшают вкус коньяка, но их употребление внутрь непосредственно после перегонки причиняет вред здоровью. Это, прежде всего, относится к фурфуролу, альдегидам и эфирам, содержание которых в спирте, полученном перегонкой из медного куба, значительно выше, чем в спирте, перегнанном в кубе из стекла или лужёной меди [27].