Конструкции и типы тарелок. Основные типы ректификационных колонн Колпачковая тарелка ректификационной колонны для спирта

Тарельчатые колонны для дистилляции имеют небольшую укрепляющую способность и традиционно используются при производстве виски, коньяка и других благородных напитков. Небольшое количество тарелок позволяет сохранить органолептику сырья при высокой стабильности и производительности аппарата.

Материал

Медные тарельчатые колонны со смотровыми окнами из-за своей похожести называют флейтами, а изготовленные в корпусе из стекла – хрустальными. Понятно, что эти названия всего лишь маркетинговый ход и к самой конструкции не имеют отношения.

Медь – материал недешёвый, поэтому и подход к его обработке тщательный. Медная флейта от ведущих производителей – произведение искусства и предмет их гордости. Стоимость изделия может составлять абсолютно любую сумму, которую готов потратить покупатель.

Ненамного дешевле флейты в корпусе из нержавеющей стали, а самый бюджетный вариант – в корпусе из стекла.

Конструктивные особенности и виды тарельчатых колонн

Наибольшее распространение получили модульные конструкции колонн на базе тройников-отводов или цилиндров из боросиликатного стекла. Естественно, это большое количество лишних соединительных деталей и завышенная стоимость.

Более простой вариант представляет собой готовые блоки на 5-10 тарелок. Здесь выбор шире, а цена умеренней. Как правило, этот вариант изготавливают в стеклянных корпусах.

Есть и совсем бюджетные варианты – просто вставки для существующих царг.

Их можно набирать из комплектующих в любом требуемом количестве.

Конструкция может быть разной, но если такие тарельчатые колонны применять с металлическими колбами, теряется наглядность процесса. Намного труднее понять, в каком режиме работает колонна, а для работы с тарелками это очень важно.

Для герметизации каждого этажа применяют простые силиконовые диски.

Естественно, это менее надежно, чем уплотнительные прокладки в модульных конструкциях, но в целом работают неплохо.

Как альтернатива существует упрощенная модульная конструкция, где каждый этаж собирается из простых и недорогих деталей, а вся конструкция стягивается воедино шпильками.

Преимуществом модульных колонн является в первую очередь их ремонтопригодность и открытость для модификаций. Например, легко дополнить колонну на нужном уровне узлом промежуточного отбора фракций и штуцером под термометр. Стоит всего лишь поменять тарелку.

Более дешевым вариантом являются колонны с ситчатыми тарелками. Это не означает, что качество продукта с их использованием будет хуже. Но они требуют более точного управления.

Еще более дешевы провальные тарелки, но их рабочий диапазон очень узок, поэтому нужно быть готовым к точному управлению нагревом источниками со стабилизированной мощностью. В основном провальные тарелки используют на НБК.

Наиболее распространенный материал для изготовления тарелок – медь, нержавейка и фторопласт. Возможно их любое сочетание. Медь и нержавейка материалы привычные, фторопласт – один из самых инертных материалов, сравнимый с платиной. Но вот его смачиваемость плохая.

Если сравнивать фторопластовую тарелку с нержавеющей, то она будет намного быстрее затапливаться.

Количество тарелок в колонне как правило ограничивают 5 для получения дистиллятов крепостью 88-92% и 10 для очищенных дистиллятов с укреплением до 94-95%.

Модульные колонны позволяют сделать набор нужного количества тарелок из различного материала.

Разница между насадочной и тарельчатой колонной

«У меня есть насадочная колонна, нужна ли мне тарельчатая?» – этот вопрос рано или поздно становится перед каждым винокуром. Обе колонны реализуют технологию тепломассообмена, но в их работе есть существенные отличия.

Количество ступеней укрепления

Насадочная колонна работает в режиме максимального разделения на предзахлебной мощности. Регулируя флегмовое число, можно менять количество теоретических тарелок в широком диапазоне: от нуля до бесконечности (при полностью отключенном дефлегматоре и работе колонны на себя).

Тарельчатой колонне характерно конструктивно заданное количество ступеней разделения. Одна физическая тарелка имеет КПД от 40 до 70 %. Другими словами, две физические тарелки дают одну ступень разделения (укрепления, теоретическую тарелку). В зависимости от режима работы КПД меняется не на столько, чтобы существенно повилять на количество ступеней.

Удерживающая способность

Насадочная колонна со своей малой удерживающей способностью позволяет хорошо очищать дистиллят от головной фракции и как-то сдерживать хвостовую.

Тарельчатая колонна имеет на порядок большую удерживающую способность. Это мешает ей сделать такую жесткую очистку от «голов», но позволяет прекрасно сдержать хвосты. То есть выровнять дистиллят по химическому составу. При этом чем больше нужно очистить дистиллят от примесей, тем больше тарелок требуется поставить. Простая задача, решаемая практически. Один раз нашел для себя оптимальное количество тарелок и больше не думаешь об этом.

Чувствительность к управляющим воздействиям

Насадочная колонна очень чувствительна к перепаду давления воды в дефлегматоре или изменению мощности нагрева. Небольшое их изменение приводит к изменению количества ступеней укрепления в разы или даже в десятки раз.

КПД тарелок может поменяться максимум в 1,5 раза, да и то при очень большом и целевом изменении этих параметров. Можно считать, что настроенная тарельчатая колонна, с точки зрения разделяющей способности, практически не будет реагировать на обычные небольшие перепады давления воды или напряжения.

Производительность

Производительность насадочной колонны в основном зависит от её диаметра. Оптимальным диаметром для современных насадок является 40-50 мм, при дальнейшем увеличении диаметра стабильность процессов падает. Начинают проявлять себя пристеночные эффекты и каналообразование. Тарельчатые колонны такими слабостями не страдают. Их диаметр и производительность можно увеличивать до любого необходимого значения. Лишь бы хватило мощности нагрева.

Технологические особенности получения ароматных дистиллятов

При использовании насадочных колонн для ограничения степени укрепления мы вынуждены применять более короткие царги и более крупную насадку. Иначе эфиры, дающие основную вкусоароматику дистилляту, создадут с примесями головной фракции азеотропы, затем быстро вылетят из куба. Отбор «голов» производим коротко, «тело» — на повышенной скорости. Что касается «хвостов», то малое количество насадки и короткая царга не дает полностью сдержать сивуху. К отбору хвостовых фракций приходится переходить раньше или работать с малыми кубовыми навалками.

Тарельчатая колонна имеет сравнительно большую удерживающую способность, поэтому с удержанием сивухи вопросов нет. Для отбора «голов» и «тела» 5-10 физических тарелок дают 3-5 ступеней укрепления. Это позволяет проводить перегон по правилам обычной дистилляции. Спокойно, без риска лишить дистиллят аромата, отбирать «головы», а при сборе «тела» не задумываться о преждевременном подходе «хвостов». Запотевание на нижних тарелках в конце отбора наглядно даст знать о необходимости поменять тару. Степень очистки можно задать, изменяя количество тарелок.

Пяти или десяти тарелок недостаточно, чтобы по степени очистки приблизиться к спирту, но попасть в требования ГОСТ по дистилляту реально.

Использование тарельчатых колонн при перегонке фруктового или зернового сырья особенно для дальнейшей выдержки в бочках значительно упрощает жизнь винокуру.

Основы выбора конструктивных размеров тарелок для колонны

Рассмотрим конструкции самых распространенных для бытовых целей тарелок.

Провальная тарелка

По своей сути это просто пластина с отверстиями, которые могут быть круглыми, прямоугольными, и т.д.

Флегма стекает в относительно крупные отверстия навстречу пару, что определяет главный недостаток провальных тарелок – необходимость точного регулирования заданного режима.

Небольшое уменьшение мощности нагрева приводит к тому, что вся флегма проваливается в куб, а увеличение мощности запирает флегму на тарелке и приводит к захлебу. Эти тарелки могут удовлетворительно работать в сравнительно узком диапазоне изменения нагрузок, где они вполне конкурентоспособны.

Простота конструкции и высокая производительность провальных тарелок, наряду с привычным в домашнем винокурении нагревом ТЭНами со стабилизированным по напряжению источником питания, привела к их широкому применению для непрерывных бражных колонн (НБК), что в сочетании с корпусом из боросиликатного или кварцевого стекла, делает настройку колонны простой и наглядной.

Для расчета количества и диаметра отверстий исходят из условия обеспечения барботажа. Экспериментально определено, что суммарная площадь отверстий должна быть равной 15-30% от площади тарелки (сечения трубы). В общем случае для БК периодического действия базовый диаметр отверстий порядка 9-10% от диаметра колонны позволяет попасть в рабочую зону.

Диаметр отверстий провальных тарелок для НБК подбирают, исходя из свойств сырья. Если при перегонке сахарной браги и вина достаточно отверстий диаметром 5-6 мм, то при перегонке мучных заторов диаметр отверстий 7-8 мм предпочтительнее. Впрочем, тарелки для НБК имеют свои особенности расчета, поскольку плотность паров по высоте колонны значительно меняется, то размеры необходимо просчитывать для каждой тарелки отдельно, иначе их работа будет далека от оптимальной.

Ситчатая тарелка с переливом

Если диаметры отверстий провальной тарелки сделать менее 3 мм, то уже при относительно небольшой мощности флегма будет запираться на тарелке и без дополнительных устройств перелива будет происходить её затопление. Но оборудованная такими устройствами ситчатая тарелка существенно расширяет свой рабочий диапазон.

Схема устройства ситчатой колонны:
1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан

С помощью переливных устройств на этих тарелках задается максимальный уровень флегмы, что позволяет избежать раннего затопления и более уверенно работать с высокой нагрузкой по пару. Это не мешает флегме при выключении нагрева полностью слиться в куб и перезапускать колонну придется с нуля, как и обычно для всех провальных тарелок.

При упрощенном расчете таких тарелок исходят из следующих соотношений:

• суммарная площадь отверстий 7-15% от площади сечения трубы;
• соотношение между диаметрами отверстий и шагом между ними около 3,5;
• диаметр сливных трубок примерно 20% от диаметра тарелки.

В сливных отверстиях обязательно ставятся гидрозатворы, чтобы избежать прорыва пара. Ситчатые тарелки нужно устанавливать строго горизонтально для прохождения пара сквозь все отверстия и во избежание стекания флегмы сквозь них.

Колпачковые тарелки

Если вместо отверстий в тарелках сделать паропроводные трубки высотой больше, чем сливные трубки, и накрыть их колпачками с прорезями, то получим совершенно новое качество. Эти тарелки при отключении нагрева не сольют флегму. Разделенная по фракциям флегма останется на тарелках. Поэтому для продолжения работы достаточно будет включить нагрев.

Кроме того, такие тарелки имеют конструктивно закрепленный слой флегмы на поверхности, они работают в более широком диапазоне мощностей нагрева (нагрузок по пару) и изменениях флегмового числа (от полного отсутствия до полного возврата флегмы).

Немаловажно и то, что колпачковые тарелки имеют относительно высокий КПД – порядка 0,6-0,7. Все это, наряду с эстетичностью процесса, и определяет популярность колпачковых тарелок.

При расчете конструктива исходят из следующих пропорций:

• площадь паровых трубок -порядка 10% от сечения колонны;
• площадь прорезей – 70-80% от площади паровых трубок;
• площадь слива 1/3 от суммарной площади паровых трубок (диаметр примерно 18-20% от диаметра сечения трубы);
• нижние тарелки проектируют с большим уровнем флегмы и большим сечением прорезей для того, чтобы они работали как удерживающие;
• верхние тарелки изготавливают с меньшим уровнем флегмы и сечением прорезей для того, чтобы они работали как разделяющие.

Исходя из графиков, приведенных у Стабникова, видим, что при слое флегмы в 12 мм (2 кривая) максимальный КПД достигается при скорости пара порядка 0,3-0,4 м/с.

Для колонны в 2” с внутренним диаметром 48 мм необходимая полезная мощность нагрева составит:

N = V * S / 750;

• V – скорость пара в м/с;
• N – мощность в кВт, S – площадь сечения колонны в мм².

N = 0,3 * 1808 / 750 = 0,72 кВт.

Можно подумать, что 0,72 кВт определяют небольшую производительность. Возможно, с учетом доступной мощности стоит увеличить диаметр колонны? Наверно, это правильно. Распространенные диаметры кварцевых стёкол для диоптров – 80, 108 мм. Возьмем 80 мм с толщиной стенки 4 мм, внутренний диаметр 72 мм, площадь сечения 4069 мм². Пересчитаем мощность – получим 1,62 кВт. Ну уже получше, для домашней газовой плиты подходит.

Выбрав диаметр колонны и расчетную мощность, определим высоту переливной трубочки и расстояние между тарелками. Для этого воспользуемся следующим уравнением:

V = (0,305 * H / (60 + 0,05 * H)) — 0,012 * Z (м/с);

• H – расстояние между тарелками;
• Z – высота трубочки перелива (т.е. толщина слоя флегмы на тарелке).

Скорость пара 0,3 м/с, высота тарелки не должна быть меньше её диаметра. Для нижних тарелок высота слоя флегмы побольше. Для верхних поменьше.

Рассчитаем наиболее близкие варианты сочетаний высот тарелок и перелива, мм: 90-11; 100-14; 110-18; 120-21. С учетом того, что стандартное стекло имеет высоту 100 мм, для модульной конструкции выбираем пару 100-14 мм. Естественно, это всего лишь наш выбор. Можно взять и больше, тогда лучше будет защита от брызгоуноса с увеличением мощности.

Если конструкция не модульная, то простора для творчества больше. Можно сделать нижние тарелки с большей удерживающей способностью 100-14, а верхнюю с большей разделительной – 90-11.

Колпачки выбираем из стандартных и доступных размеров. Например, заглушки для медной трубы 28 мм, паровые трубы – труба 22 мм. Высота паровой трубки должна быть больше, чем у переливной, скажем 17 мм. Зазоры для прохода пара между колпачком и паровой трубой должны иметь большую площадь сечения, чем у паровой трубы.

Прорези для прохождения пара в каждом колпачке обязательно площадью сечения порядка 0,75 от площади паровой трубы. Форма прорезей особой роли не играет, но их лучше выполнять максимально узкими, чтобы пар разбивался на более мелкие пузырьки. Это увеличивает площадь соприкосновения фаз. Увеличение количества колпачков так же идет на пользу процессу.

Режимы работы колонны тарельчатого типа

Любые барботажные колонны могут работать в нескольких режимах. При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде пузырьков движется сквозь слой флегмы. Поверхность контакта фаз минимальна. При повышении скорости пара (мощности нагрева) отдельные пузырьки на выходе из прорезей сливаются в сплошную струю, а через небольшие расстояния из-за сопротивления барботажного слоя, струя распадается на множество мелких пузырьков. Образуется обильный пенный слой. Зона контакта – максимальна. Это пенный режим.

Если продолжить повышать скорость подачи пара, то длинна струй пара увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя не разрушаясь, образуя большое количество брызг. Площадь контакта снижается, эффективность тарелки падает. Это струйный или инжекционный режим.

Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Поэтому даже при расчете промышленных колонн определяют только скорости пара по нижнему и верхнему пределу работы. Рабочую же скорость (мощность нагрева) просто выбирают в этом диапазоне. Для домашних же колонн проводится упрощенный расчет на некую среднюю мощность нагрева, чтобы осталась возможность для регулировок в процессе работы.

Желающим провести более точные расчеты можно порекомендовать книгу А.Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической промышленности».

P. S. Вышеизложенное не является полноценной методикой, позволяющей рассчитать оптимальные размеры каждой тарелки применительно к любому конкретному случаю и не претендует на точность или наукообразность. Но всё же этого достаточно, чтобы сделать рабочую тарельчатую колонну своими руками или разобраться в достоинствах и недостатках колонн, предлагаемых на рынке.

В последнее время довольно много людей не доверяют качеству алкоголя, предлагаемого магазинами, да и стоимость такой продукции высока. Поэтому зачастую на кухнях рядом с различными бытовыми приборами можно увидеть самогонный аппарат. Ведь домашние спиртосодержащие напитки экологически чистые и для здоровья в разумных количествах менее вредны. Однако перед всеми винокурами стоит проблема: очистка алкоголя от вредных примесей и неприятного запаха. Опытными и экономными хозяевами для этого применяется ректификационная колонна. Ну а новичкам, чтобы не отставать от более продвинутых винокуров, нужно узнать, что такое ректификационная колонна в самогонном аппарате.

Ректификационная колонна позволяет производить спиртосодержащие напитки, такие как водка, виски, наливки высокой очистки и высокой крепости (до 97 %). Устройство обычной ректификационной колонны следующее:

1. Испарительный куб.
2. Колонна со специальной насадкой, в которой идут процессы тепломассообмена (царга).
3. Дефлегматор.
4. Узел сбора дистиллята.

Испарительный куб

Испарительный куб представляет собой емкость, в которой нагревается брага. В процессе этого она испаряется, и пар поднимается по колонне. Вверху ректификатора жидкость разделяется на отдельные фракции.

Испарительный куб нагревают на любом виде плит. А некоторые его модели предполагают наличие нагревательного прибора. Покупной куб обязательно оснащается термометром, который позволяет вести контроль за нагревом браги. Испарительный куб абсолютно герметичен. Во время кипения важно, чтобы жидкость и пар оставались внутри. Куб нельзя заполнять брагой больше чем на 2/3 его объема, иначе жидкость будет выплескиваться из емкости.

Царга

В этой части ректификационной колонны происходят следующие процессы:

1. Брага, находящаяся в кубе, под действием тепла испаряется и поднимается по колонне. Там установлен холодильник.
2. Дефлегматор обеспечивает конденсацию паров спирта и получение дистиллята.
3. Дистиллят опускается по спиртовой колонне. В этот момент происходит столкновение его с паром - тепломассообмен.
4. В результате этого процесса испаряемая часть фракции идет вверх колонны. Здесь она конденсируется, а затем уходит в канал отбора.

Не стоит забывать, что если увеличить высоту колонны, то тепломассобмен проходит активнее. Это приводит к тому, что на выходе получается более ректификованный спирт.

Ректификационная насадка

Ректификационная насадка имеет две части:

1. Узел отбора спирта. В промышленной ректификационной колонне эта деталь снабжена смотровым стеклом, которое позволяет определить скорость отбора спирта.
2. Дефлегматор. Иногда эта часть называется холодильником. Дефлегматор расположен вверху ректификационной колонны. Он нужен для сбора самогонных паров и превращения их во флегму, которая отпускается вниз. Здесь происходит ее обогащение парами спирта. После того как флегма попадет в узел отбора, испаряемая часть выходит наружу.

Ректификационная колонна устроена просто, поэтому принцип ее работы поддается несложному объяснению. Этот механизм выполняет функцию фильтра, в котором оседают сивушные масла. В нем происходит постоянное взаимодействие спиртовых паров и жидкости, другими словами, ректификация. После того как брага прогреется до 70 градусов в испарительном кубе, спирт начинает испаряться. Он поднимается по трубе и оказывается в дефлегматоре. В этой части с паром происходит повторная конденсация при охлаждении водой. Конденсат (флегма) стекает и снова встречается с горячим паром. Происходит обмен между двумя составляющими - процесс насыщения флегмы паром, а пара - жидкостью, которая имеет низкую температуру кипения.

Окончательная конденсация пара идет в холодильнике. На выходе получается очищенный спирт, который стекает в емкость для приема. Вверху ректификационной колонны расположен атмосферный клапан. Он нужен для того, чтобы пары, не имеющие в своем составе спирта и не подверженные конденсации, покидали механизм.

Непрерывная ректификация идет за счет специальных контактных элементов - физических тарелок в покупных ректификационных колоннах и металлических губок или стеклянных шариков в образцах, изготовленных своими руками. Эти части нужны для увеличения эффективности взаимодействия пара и флегмы.

Виды колонн

Существуют следующие виды ректификационных колонн:

1. Тарельчатого типа. Такие агрегаты имеют внутри тарелки, которые установлены на определенном расстоянии. На них и осуществляется тепломассообмен. Ректификационные колонны такого вида стоят дорого и довольно громоздки. Но обладают главным достоинством - фракции отделяются точно.
2. Насадочного типа. Механизм имеет медную насадку двух видов. Первый - это заполняющая колонну россыпь мелких элементов из нержавеющей стали. Неравномерное размещение их затрудняет проход паров и отток флегмы. Второй тип - насадка Панченкова, которая совершает эффективный тепломассообмен.

Можно ли сделать полноценную ректификационную колонну своими руками?

В продаже есть удобные и качественные самогонные аппараты с ректификационной колонной. Но их стоимость высока. Поэтому мужчины, которые умеют работать с металлами, могут самостоятельно изготовить агрегат. Для создания колонны применяют материалы, не вступающие в химические реакции со спиртом и не выделяющие со временем различных элементов, вредных для здоровья человека. Для создания агрегата потребуются:

1. Емкость нужного объема в качестве перегонного куба. Это может быть любой медный или эмалированный сосуд. Подойдет и нержавеющая сталь. Если будет небольшой выход алкоголя, то используют и скороварку.
2. Корпус колонны в виде царги или трубы. На прилавках магазинов можно быстро найти уже готовую 15-сантиметровую царгу. Приобретают несколько штук и соединяют их. А можно без проблем сделать эту деталь из нержавеющей трубы диаметром 0,5 сантиметра и толщиной стенок 1,5–2 миллиметра. На ней с обеих сторон делают резьбу: низ присоединяют к кубу, а верх - к дефлегматору. Царга должна быть не менее одного метра в высоту, иначе вредные фракции не будут удаляться, и сивушные масла окажутся в дистилляте. В результате получится продукт низкого качества. Если делать трубу длиннее 1,5 метра, то увеличится время на ректификацию, а эффективность останется прежней.
3. Дефлегматор для охлаждения и конденсации пара. Он может быть рубашечным или прямоточным. Изготовляют из двух труб, между которыми движется вода. Дефлегматор Димрота считается более эффективным. Корпусом становится труба, внутри которой есть тонкая трубка в виде спирали. В ней и циркулирует холодная вода. Кожухотрубный дефлегматор - из нескольких труб. В самой большой крепят маленькие. В них пар конденсируется.
4. Насадки для царги. Они увеличивают поверхности, по которым течет флегма. Значит, вредные примеси осаждаются и не попадают в домашний алкоголь. Насадки в виде керамических шариков или нарезанных кухонных мочалок из нержавейки должны полностью заполнять царгу. Используют и насадку Панченкова. Она является самым лучшим вариантом.
5. Узел для отбора дистиллята.
6. Холодильник. Эта деталь изготовляется таким же образом, как и рубашечный дефлегматор. Но берутся трубки с меньшим диаметром. В холодильнике есть проходы для воды. В нижнее отверстие она входит, из верхнего жидкость направляется по трубкам к дефлегматору.
7. Мелкие детали, чтобы соединить части.
8. Термометр.

Метод ректификации имеет и сторонников, и противников. Он может похвастаться следующими положительными сторонами:

1. На выходе получается крепкий спирт высокого качества, который не содержит вредных для здоровья человека примесей. Он станет прекрасной основой для любого алкогольного напитка.
2. Можно приготовить самогон с нужной органолептикой.
3. Прибор довольно просто сконструировать самостоятельно.

Винокуры отмечают недостатки:

1. Весь процесс ректификации длится долго. В час получается всего один литр дистиллята.
2. Производственные конструкции стоят дорого.

Однако, учитывая несомненную пользу колонны, ее все-таки стоит приобрести. И тогда к качеству самогона претензий не будет.

Колонны по внутреннему устройству подразделяются на две основные группы: тарельчатые (рис. 10.2) и насадочные.

Наибольшее распространенные тарельчатые колонны - верти­кальные цилиндрические сосуды, внутри которых расположены поперечные перегородки - барботажные тарелки. Каждая та­релка - это ступень контакта между поднимающимися газами (парами) и стекающей жидкостью. Степень извлечения компо­нентов из газа, четкость разделения углеводородов, а также отпарка поглощенных компонентов из жидкости зависит от числа ступеней контакта и от того, насколько хороший контакт обеспечивает конструкция тарелок.

К тарелкам ректификационных и абсорбционных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малую массу.

Тарелки классифицируют по числу потоков, типам и конструкции контактных элементов, характеру взаимодействия фаз в зоне контакта, организации перелива жидкости. По числу потоков тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными (рис. 10.3) и тарелки с каскадным расположением полотна.

По типу контактных элементов тарелки разделяются на тарелки колпачковые, из S-образных элементов, клапанные, ситчатые, решетчатые, чешуйчатые, язычковые и др.

В зависимости от направления движения паровой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки с перекрестным током, прямоточные и противоточные. По организации перелива жидкости тарелки разделяют на переливные и беспереливные (провального типа).

В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным полотном и разборной конструкции. Тарелки разборной конструкции собирают из отдельных полотен, ширина которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках.

Рис.10.3. Схемы тарелок:

а- однопоточной; б- двухпоточной; в- трехпоточной; г- четырехпоточной; д- каскадной

Варианты крепления секций полотна тарелок и полотна тарелок к корпусу аппарата приведены соответственно на рис. 10.3. и 10.4

Рис.10.4. Варианты крепления секций полотна тарелки:

1- полотно; 2- прокладка; 3- планка; 4- прижимной уголок; 5- клин; 6- скоба

Рис. 10.2 Атмосферная ректификационная колонна.

Рис.10.4. Варианты крепления полотна тарелки к корпусу:

а- сваркой; б- на прокладке с прижимной планкой сверху; в- на прокладке со струбциной; г- на сальнике с набивкой

Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояния между ними принимают не менее 450 мм, а в местах установки люков в корпусе колонны - не менее 600 мм .

В настоящее время на старых эксплуатируемых колоннах преобладают колонны с колпачковыми тарелками. Они сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других видов. Неко­торые их показатели уступают более современным типам таре­лок, но они хорошо освоены. Схема работы колпачковых таре­лок показана на рис. 10.5.

Газ барботирует через слой жидкости, распыляясь на мел­кие пузырьки, которые образуют слой пены с большой удельной поверхностью над жидкостью, находящейся на тарелке. Каждая тарелка имеет множество круглых или прямоугольных отвер­стий, в которые ввальцованы или вварены патрубки опреде­ленной высоты. Патрубки накрывают колпачками, имеющими круглое или шестигранное сечение. Между верхним срезом патрубка и колпачком имеется зазор для прохода паров или газов, поступающих из-под тарелки. Нижняя часть колпачков при работе колонны находится в жидкости. Нижняя кромка колпачка имеет зубчики и прорези.

Уровень жидкости на та­релке поддерживается специальными сливными перегородками, нижняя часть которых доходит до нижележащей тарелки. Благодаря этому образуется гидравлический затвор, и газы (пары) проходят только через патрубки под колпачки и барботируют через слой жидкости, а не идут через сливные трубы или сегменты.

На рис. 10.6. показаны две верхние тарелки ректификацион­ной колонны.

Положение колпачков можно регулировать, т. е. устанав­ливать определенный зазор между колпачками и верхними сре­зами патрубков.

Рис. 10.6. Рис. 10.7.

Рис. 10.6.Схема работы колпачковых тарелок: 1- тарелка; 2 – колпачки; 3 – сливная перегородка; 4 – патрубки для прохода паров; 5 – сливной карман.

Рис. 10.7. Общий вид двух верхних тарелок: 1 – патрубок для выхода паров из колонны; 2 – выходная перегородка; 3 – входная перегородка; 4 – патрубок для ввода орошения; 5 – колпачок.

Каждая тарелка должна быть строго горизон­тальной; положение колпачков должно быть отрегулировано так, чтобы газы или пары встречали на своем пути слой жидкости одинаковой высоты. Если в какой-либо части тарелки высота слоя жидкости окажется меньшей, то все пары, или преобладающая часть их, будут проходить в этой части та­релки. Здесь из-за повышенной скорости паров колпачки будут работать плохо, жидкость будет оттесняться парами, контакт между фазами ухудшается и эффективность процесса сни­жается.

Сливные карманы и сегменты соседних тарелок (см. рис. 10.6.) расположены на противоположных сторонах, поэтому жидкость, перед тем как поступить на нижележащую тарелку, проходит через всю площадь тарелки. Высоту слоя жидкости на тарелке регулируют с помощью переливной планки, укрепленной бол­тами на краю выходной перегородки

Во время работы колонны высота уровня жидкости при поступлении в колонну больше высоты перед сливным порогом. Эта разница высот уровней называется гидравлическим градиентом. Чем больше диаметр колонны, тем длиннее путь жидкости и тем выше гидравличе­ский градиент.

Рис. 10.8. Рис. 10.9.

Рис. 10.8. Распределение жидкости на одно - сливных (а), двух - сливных (б), и четырех – сливных (в) тарелках

Рис. 10.9. Схема работ тарелки из S – образных элементов

В колоннах большого диаметра при больших нагрузках по жидкости создается значительный гидравлический градиент, вследствие чего большая часть паров (газов) может проходить через колпачки, расположенные у сливного порога, вызывая усиленный унос жидкости вплоть до «захлебывания», одно­временно на противоположной тарелке возможен перелив через паровые патрубки. Для уменьшения гидравлического градиента в колоннах большого диаметра тарелки делают двухпоточными или четырехпоточными.

При увеличении поточности тарелки (рис. 10.3.) расход жид­кости и градиент уменьшаются, допустимая максимальная скорость паров возрастает, однако рабочая площадь тарелки уменьшается. При сдаче колонны колпачковые тарелки испы­тывают на барботаж. После закрытия люка той части колонны, которая находится ниже испытуемой тарелки, последнюю тарелку заливают водой. Снизу в колонну подается под небольшим давле­нием воздух от вентилятора или компрессора. При правильной сборке тарелки воздух должен равномерно барботировать по всему сечению. Если воздух проходит неравномерно, тарелка собрана неправильно: допущен уклон в какую-либо сторону или колпачки опущены неравномерно или перекошены. Испы­тания тарелки продолжают после устранения ошибок в сборке. Эти операции (испытание и устранение неполадок и неплотно­стей) продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто равно­мерное барботирование воздуха по всему сечению тарелки и устранены все пропуски воздуха помимо прорезей колпачков.

Тарелки S - образных элементов (рис. 10.10)предназначены для создания возможно лучшего контакта между паром и жидкостью и поэтому должны иметь развитую поверхность контакта.

Рис. 10.10. Тарелка из S - образных элементов.

На тарелках этого типа желоба и колпачки образуются при сборке S - образных элементов с одинаковым поперечным сечением. Сборку производят таким образом, чтобы колпачковая часть элемента покрывала желобчатую часть соседнего, образуя замок для гидравлического затвора при работе тарелки. Колпачковая часть элемента по концам закрыта заглушками, предотвращающие проскок паров и жидкости через торцы.

Основными преимуществами тарелок этого типа являются:

большая жесткость профиля, что позволяет изготовлять S - образные элементы из листовой стали малой толщины - 2,5 - 3,0 мм ; малый удельный расход металла; малая трудоемкость работ по изготовлению, монтажу и ремонту; возможность применения тарелок без промежуточных опор в аппаратах диаметром до 4 м ; незначительная чувствительность к неравномерности загрузки и допустимость значительных перегрузок режимного характера.

К недостаткам тарелок этого типа следует отнести:

малое живое сечение колонны (11-12 % от общего сечения); значительное сопротивление прохождению паров, что делает нежелательным их применение для колонн, работающих под вакуумом; чувствительность к загрязнениям и осадкам при переработке загрязненных или полимеризующихся продуктов.

Клапанные тарелки представляют собой цельные или собранные из нескольких секций диски, в которых имеются продолговатые щели или круглые отверстия. Щели прикрываются пластинчатыми клапанами, а отверстия - круглыми (рис.10.12.). В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т. е. при неизменном расстоянии между конструктивными элементами, клапанные тарелки работают в динамическом режиме.

При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара (рис.10.13), вследствие чего клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару. Благодаря простоте конструкции, малой массе и устойчивой работе клапанные тарелки являются весьма перспективной конструкцией. Они менее склонны к загрязнениям, но загрязнения и коксоотложения могут нарушить их работу, так как в результате закоксовывания, клапана “прихватываются” и перестают работать в динамическом режиме.

Рис.10.12. . Конструкции клапанов:

а- типа «Глитч»; б- типа «Флекситрей

Рис.10.13. Схема работы клапана прямоточной тарелки стандартной конструкции при нагрузках по парам:

а- малых; б- средних; в- больших.

При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара, вследствие чего клапанные та­релки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару.

Клапанные тарелки обладают еще такими преимуществами перед колпачковыми тарелками, как:

Равномерное распределение пара по площади тарелки;

Малая масса;

Простота конструкции.

Все это делает применение клапанных тарелок перспектив­ным. Клапаны изготовляют штамповкой из листового металла толщиной 2-3 мм. Клапанные тарелки имеют сливные устрой­ства того же типа, что колпачковые и ситчатые.

Ситчатая тарелкапредставляет собой плоский перфорированный лист со сливными устройствами с круглыми или щелевидными отверстиями диаметром (шириной) 3 - 4 мм и более, t = (3-5) d (рис. 10.14). Суммарная площадь отверстий в зависимости от производительности по пару составляет от 8 до 30 % от площади сечения колонны. Скорость пара в отверстиях ситчатых тарелок принимают 10 - 12 м/сек .

Рис. 10.14. Полотно ситчатой тарелки

Ситчатые тарелки с отбойными элементами . Полотно тарелки выполняют из просечно-вытяжных листов (рис.10.15). Направление просечки совпадает с направлением движения жидкости. Над полотном тарелки (рис. 7.10) поперек потока жидкости с шагом 200 мм и углом наклона 60 о к полотну устанавливают отбойные элементы из просечно-вытяжного листа высотой 150 мм на расстоянии 40 мм от полотна тарелки. Ситчатые тарелки с отбойными элементами имеют высокую производительность по пару, низкое гидравлическое сопротивление; их применяют наряду с клапанными тарелками в вакуумных колоннах.

Направление просечки отбойных элементов ориентировано так, что газожидкостный поток, попадая на них, отбрасывается вниз к полотну. Отбойные элементы организуют зону контакта фаз, способствуют сепарации жидкости и снижают ее унос.

Рис.10.15. Элемент тарелки из просечно-вытяжных листов.

1- полотно тарелки; 2- отбойный элемент

Разновидностью ситчатых тарелок являются решетчатые провальные тарелки, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу парам.

В решетчатых провальных тарелках (рис.10.16.) отсутствуют переточные перегородки. Жидкость и газы (пары) противото­ком проходят через одни и те же отверстия (щели шириной 3-4 мм ), поэтому уровень на всей площади одинаков. Реко­мендуемая высота слоя жидкости на тарелке 30 мм.

Рис. 10.16а. Рис.10.16б.

Рис. 10.16а. Схема работы колонны с сетчатыми тарелками и сливными устройствами

Рис. 10.16б. Схема работы колонны с решетчатыми (провальными) тарелками

Пропускная способность решетчатых тарелок выше, чем колпачковых. При малых скоростях газового (парового) потока эффективность контакта между фазами сильно снижается.

Разновидность решетчатых тарелок - трубчатые или трубчато-решетчатые тарелки, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся противотоком газы и жидкость. По трубам пропускают хладагент для от­вода выделяющейся при абсорбции теплоты.

В секциях тарелки имеются прямоугольные прорези размером 4´140 мм , с шагом от 8 до 36 мм . Обычно площадь прорезей составляет 10 - 30 % площади всей тарелки. На двух смежных тарелках прорези выполняют во взаимно перпендикулярных направлениях.

Один из недостатков решетчатых тарелок провального типа - их чувствительность к изменению расходов паровой и жидкой фаз; поэтому их применяют в случаях, когда возможно лишь сравнительно небольшие колебания расход

Струйные тарелки (рис.10.17.) имеют полотно с просечками, металл которых отогнут в виде лепестков или язычков. В ряде случаев на струйной тарелке устанавливают поперечные перегородки, которые секционируют поток жидкости, улучшают контакт и создают необходимый запас жидкости на тарелке. Для прохода жидкости в перегородках у полотна тарелки выполняют щель высотой 10 - 15 мм .

Конструкцию тарелки и способ ее соединения с корпусом выбирают обычно в зависимости от диаметра колонны и конструкции корпуса. Тарелки небольшого диаметра (до 1600 мм ) изготовляют в виде цельного листа с бортами или без бортов. Тарелки больших размеров делают разъемными, из нескольких сегментов. Монтируют разъемные тарелки обычно через верх колонны. Демонтаж элементов разъемных тарелок при ремонтах производят через боковые люки, размеры которых должны быть достаточными, чтобы через них могли пройти части тарелок. Люки устанавливают через 4 - 10 тарелок.

Рис.10.17. Струйная тарелка с секционирующими перегородками

Тарелки в колонне необходимо устанавливать горизонтально, так как при перекосе часть элементов тарелки оказывается не залитой на необходимый уровень жидкостью и именно, через эти элементы устремляется основной поток пара, и это резко ухудшает работу колонны. По этой причине не допускается коробление тарелок и прогиб их под действием собственной силы тяжести и силы тяжести жидкости.

Струйно-направленные тарелки. В них используется кине­тическая энергия паров для направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего улучшается контакт между жидкостью и паром.

Струйно-направленные тарелки изготовляют из просечно-вытяжного листа или из листа с отогнутыми язычками, которые сообщают пару наклонное движение.

Тарелки в колонне необходимо устанавливать горизонтально, так как при перекосе часть элементов тарелки оказывается не залитой на необходимый уровень жидкостью и именно, через эти элементы устремляется основной поток пара, и это резко ухудшает работу колонны. По этой причине не допускается коробление тарелок и прогиб их под действием собственной силы тяжести и силы тяжести жидкости.

Расстояние между тарелками для колонн малого диаметра (до 0,8 м ) принимают равным 300 мм , а для колонн большего диаметра (450-600 мм ) расстояние между тарелками должно обеспечивать:

Легкость монтажа, ревизии и ремонта тарелок;

Осаждение основной части капель, уносимых паром с ниже­лежащей тарелки;

Подпор для нормального стока флегмы по сливным трубам без захлебывания.

Колонные аппараты снабжены люками-лазами для осмотра и монтажа тарелок. Число люков в колонне должно быть таким, чтобы при разборке тарелок и укладке разбираемых деталей на площадке, монтируемой около каждого люка, от него можно было добраться до нижерасположенного люка. Обычно через каждые пять тарелок устраивают один люк-лаз диаметром не менее 450 мм .

Если среда в колоннах некоррозионноактивна и исключено забивание тарелок продуктами коррозии, смолами, коксом и др., т. е. нет необходимости в частой разборке тарелок, то люки располагают через десять тарелок и более.

Чем меньше люков, тем меньше стоимость колонны, меньше вероятность течи продукта и пропуска газа.

10.2. Насадочные колонны .

Насадочные колонны на нефтегазоперера­батывающих заводах чаще всего применяют в качестве абсор­беров и десорберов, в процессах очистки и сушки газа.

Рис.10.18 Насадочная колонна

1- корпус колонны; 2 – распределительная решетка; 3 – насадка; 4 – ороситель.

Насадочная колонна представляет собой аппарат с перфо­рированными опорно-распределительными решетками, на которые загружается насадка. Сверху колонна орошается жидкостью, снизу поступает поток паров (газов). Контакт между стекающей жидкостью и подни­мающимися парами (газами) происходит непрерывно на вы­соте слоя насадки.

Насадочные колонны работают в различных гидродинами­ческих режимах. При малых скоростях потока паров (газов) и малых плотностях орошения жидкости колонны работают в пленочном режиме. В этом режиме жидкость течет по эле­менту насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки.

При росте скорости движения газа и жидкости сила трения между ними увеличивается, образуются брызги, пузыри, пена и одновременно увеличивается поверхность контакта между фазами, такой режим работы называют режимом подвисания.

При дальнейшем увеличении скорости движения паров (газа) происходит значительное торможение стекания жид­кости. Жидкость начинает накапливаться в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, нахо­дящейся в насадке.

Газ начинает барботировать через жид­кости. В колонне образуется газожидкостная дисперсная си­стема, по внешнему виду напоминающая газожидкостную эмульсию.

Этот гидродинамический режим называется режимом эмульгирования. Даже при небольшом последующем увеличе­нии скорости газа (паров) происходит выброс жидкости из колонны - режим захлебывания. Наиболее эффективно ко­лонна работает при переходе от режима подвисания к режиму эмульгирования.

Насадочные колонны различаются по типу применяемой на­садки, а также по способу заполнения насадкой.

К насадке предъявляются следующие требования: она должна быть дешевой, простой в изготовлении, иметь большую удельную поверхность на 1 м 3 занимаемого объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, хорошо смачиваться орошающей жидкостью, иметь малую насыпную плотность, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газу, обладать высокой механической прочностью.

В качестве элементов насыпных насадок применяют кольца Рашига, кольца Палля и седловидные насадки (рис.10 19.).

Рис. 10.19. Элементы насадок: а – кольца Рашига; б – кольца Палля; в – седловидная насадка

Элементы насадок изготовляют из керамики, фарфора, полиме­ров или тонколистового металла.

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа, тем выше производительность колонны и ниже ее гидрав­лическое сопротивление, но тем хуже интенсивность массопередачи.

Мелкая насадка предпочтительнее при проведении процесса под повышенным давлением, так как при этом гидравлическое сопротивление не имеет существенного значения. Мелкая на­садка обладает большой удельной поверхностью.

Основные достоинства насадочных колонн - простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление.

Недостатки - трудность отвода теплоты в процессе абсорб­ции и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения.

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом).

Процесс, в котором газ или пар вступает в химическое взаимодействие с жидкостью, называется хемсорбцией.

Абсорбция - процесс избирательный. Избирательность процесса абсорбции позволяет извлекать из газовой смеси определенное вещество с использованием соответствующего поглотителя.

Процессы абсорбции широко применяются в различных отраслях химической и нефтеперерабатывающей промышленности для поглощения аммиака, окислов азота, серного ангидрида, углеводородных газов, а также для санитарной очистки отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу.

Абсорбция, как правило, сопровождается выделением тепла. Повышение температуры ухудшает проведение процесса, поэтому абсорбционные установки во многих случаях снабжают холодильными элементами.

Процесс удаления поглощенных газов из жидкости называют десорбцией. Десорбция производится в токе инертного газа путем выпаривания раствора или под вакуумом.

Десорбция применяется для извлечения из поглотителя растворенных в нем газов и паров, когда они являются целевыми продуктами производства.

Абсорберы

Абсорберами называют аппараты, (рис.10.20) в которых протекает процесс абсорбции. По способу создания поверхности контакта жидкости с паром абсорберы делят на аппараты поверхностного типа, насадочные, барботажные (тарельчатые) и механические.

Если газ хорошо поглощается жидкостью, то нет необходимости создавать большую поверхность контакта фаз. В этом случае для хорошей

Рис. 10.20. Абсорберы.

А. – тарельчатый: 1- корпус; 2- каплеотбойник; 3- тарелка; 4-люк; 5- опорная обечайка;

В. – насадочный: 1- корпус; 2- распределительная тарелка; 3- насадка; 4- опорная решетка; 5- загрузочные люки; 6- опора; 7- люки для выгрузки насадки;

I- ненасыщенный абсорбент; II- сухой газ; III- сырой газ; IV- насыщенный абсорбент

абсорбции газа достаточно пропускать его над поверхностью жидкости (например, процесс поглощения хлористого водорода).

Наиболее широко для абсорбции применяют насадочные колонны , сравнительно простые по конструкции (рис. 10.20). Это полые цилиндрические аппараты, в которые загружают насадочные тела различной формы, обеспечивающие развитую поверхность контакта между жидкостью и газом. Газ подводят снизу под слой насадки, а жидкость подается на насадку, при этом обеспечивается противоток между жидкостью и газом.

В последнее время освоены плоскопараллельные (рис. 5.3) и сотовые насадки, состоящие из вертикально установленных пластин или сотовых элементов, обеспечивающих хороший контакт между жидкостью и газом и в то же время имеющие малое гидравлическое сопротивление.

Насадку укладывают на опорную решетку (колосник). Решетку изготовляют из нескольких секций (рис.10.21), укладываемых на опорные балки. Размер в свету между колосниками решетки должен быть не более 0,6 -0,7 наименьшего размера насадочного элемента.

Хорошей опорной конструкцией для колонн малого диаметра служит также решетки из просечно-вытяжного листа.

Насадочные абсорберы хорошо работают при обильном и равномерном орошении, поэтому оросительные устройства являются одним из важных узлов колонны.

К оросителям предъявляются следующие основные требования: они не должны увеличивать унос жидкости с газом; высота оросительного устройства и расстояние от оросителя до насадки должны быть минимальными; они должны устойчиво работать при колебании расхода жидкости;

Быть простыми по устройству и удобными в эксплуатации;

Не должны забиваться при работе с загрязненными жидкостями. Оросители подразделяют на самотечные и разбрызгивающие. Из самотечных оросителей жидкость вытекает отдельными струйками через отверстия или прорези. К самотечным оросителям относится распределительная плита, представляющая собой тарелку с патрубками, через которые жидкость отдельными струйками стекает на насадку.

Уровень тарелки регулируется установочными винтами. Диаметр тарелки равен 0,6 - 0,7 диаметра аппарата. Орошающая жидкость подводится через патрубок к центру тарелки. Распределительные плиты просты по устройству и надежны в работе, однако при большом диаметре колонны они становятся громоздкими и поэтому не применяются для аппаратов диаметром более 3 м.

В аппаратах большого диаметра применяют оросительные желоба (рис.10.23), состоящие из ряда параллельных желобов 1 и главного распределительного желоба 2, расположенного под ними. Желоба громоздки и требуют тщательной регулировки горизонтальности, которая производится с помощью установочных винтов.

К разбрызгивающим оросителям относится тангенциальная форсунка (рис. 10.24). Жидкость, подлежащая разбрызгиванию, подводится во внутреннюю круглую камеру форсунки тангенциально, закручивается там и выходит с большой скоростью через центральное отверстие. Закрученная струя по выходе из форсунки дробится на капли. Тангенциальная форсунка обеспечивает интенсивное и сравнительно равномерное орошение в радиусе 2 - 2,5 м. В аппаратах большого диаметра устанавливают несколько форсунок.

Ограниченное применение для целей абсорбции находят тарельчатые колонны. Их применяют в основном в тех случаях, когда количество орошающей жидкости очень мало. В аппаратах используют стандартные колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и провальные тарелки. На тарелке поддерживается слой жидкости, через который барботирует восходящий поток газа, распределяясь в жидкости пузырьками и струйками. Газ последовательно проходит через слои жидкости на тарелках, расположенных в колонне на определенном расстоянии. Жидкость непрерывно перетекает с верхних на расположенные ниже тарелки. В межтарельчатом пространстве газ отделяется от унесенных капель и брызг. Контакт между поднимающимся газом и стекающей жидкостью осуществляется непрерывно.

В механических абсорберах межфазная поверхность контакта образуется путем разбрызгивания жидкости в газообразной среде с помощью вращающихся устройств различных типов.

Рис.10.23. Оросительные жалоба

Рис.10.24. Тангенциальная форсунка

Механические абсорберы по своей эффективности превосходят абсорберы других типов. Это объясняется тем, что, во-первых, при разбрызгивании жидкости на мелкие капли образуется большая развернутая поверхность контакта фаз, а во-вторых, абсорбция газов летящими каплями жидкости в несколько раз больше, чем при тех же условиях стекающей пленкой. Благодаря этому механические абсорберы весьма компактны (рис. 10.25). Общий недостаток механических абсорберов - сложность конструкции и значительный брызгоунос.

Рис.10.25. Механический абсорбер

Адсорберы

Адсорберы - это аппараты (рис.10.26), в которых происходит разделение газовых, паровых или жидких смесей путем избирательного поглощения одного или нескольких компонентов исходной смеси поверхностью пористого твердого тела - адсорбента.

Наиболее часто адсорберы используют для разделения газовых или паровых смесей, очистки и осушки газа, улавливания из парогазовых смесей ценных органических веществ.

Процесс адсорбции является избирательным и обратимым. Это означает, что каждый адсорбент способен поглощать лишь определенные вещества и не поглощать другие вещества, содержащиеся в газовой смеси.

Рис. 10.26. Схема загрузки адсорбера:

1 - нижний дефлектор; 2 - муллит; 3, б - сетки; 4 - силикагель мелкопористый; 5- силикагель крупнопористый; 7 - верхний дефлектор

Поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента путем десорбции - процесса, обратного адсорбции.

В качестве адсорбентов используются твердые вещества в виде зерен размером 2 - 8 мм или пыли с размером частиц 50 - 200 мкм, обладающих большой пористостью (например, 1 г. активированного угля имеет поверхность пор от 200 до 1000 м 2 , поверхность пор 1 г . силикогеля составляет до 500 м 2).

Адсорберы подразделяют не следующие типы:

1) с неподвижным зернистым адсорбентом; 2) с движущимся зернистым адсорбентом; 3) c псевдоожиженным (“кипящим”) слоем пылевидного адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента представляют собой полые вертикальные или горизонтальные аппараты (рис. 10.27), в которых размещен адсорбент. Паровоздушная или газовая смесь, подлежащая разделению, подается внутрь корпуса 1 адсорбера через специальный штуцер. Внутри адсорбера смесь проходит через слой зернистого адсорбента, уложенного на решетке 2 . Зерна адсорбента поглощают из смеси определенный компонент. После этого газовая смесь удаляется из адсорбера через выхлопной патрубок.

Адсорбент может поглощать извлекаемый компонент до некоторого предела насыщения, после которого проводят процесс десорбции. С этой целью прекращают подачу паровоздушной смеси в адсорбер, а затем в аппарат подают перегретый водяной пар (или другой вытесняющий агент), который движется в направлении, обратном движению паровоздушной смеси. Паровая смесь (смесь паров воды и извлекаемого компонента) удаляется из адсорбера и поступает на разделение в ректификационную колонну или отстойник.

После десорбции, длящейся приблизительно одинаковое с процессом адсорбции время, через слой адсорбента пропускают горячий воздух, которым адсорбент подсушивается. Воздух входит в аппарат через паровой штуцер, а удаляется через штуцер для паровой смеси.

Рис.10.27. Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента:

а- вертикальный; б- горизонтальный; 1- корпус; 2- решетка; 3,5- штуцера

Высушенный адсорбент затем охлаждается холодным воздухом до необходимой температуры.

Современный адсорбер оснащен системой приборов, которые в нужное время автоматически переключают потоки с адсорбции на десорбцию, затем на сушку и охлаждение. Чтобы установка непрерывно разделяла газовую смесь, ее комплектуют из двух или более адсорберов, которые включаются на поглощение и другие операции поочередно.

Адсорберы с псевдоожиженным слоем пылевидного адсорбента делят на одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатый адсорбер этого типа (рис.10.29) имеет полый цилиндрический сосуд 1, в нижней части которого закреплена газораспределительная решетка 3. Псевдоожижающий газ, он же и исходная смесь, подается под решетку. Пройдя отверстия решетки, газ входит в псевдоожиженный слой пылевидного адсорбента 3, где протекает процесс адсорбции. Газ по выходе из слоя очищается от пыли в циклоне и удаляется из аппарата. Адсорбент непрерывно вводится сверху в псевдоожиженный слой и удаляется через трубу. Регенерация адсорбента производится в другом аппарате, аналогичном по конструкции первому.

Рис.10.29. Одноступенчатый адсорбер

1- цилиндрический корпус; 2 – газораспределительная решетка; 3 – псевдоожиженный слой зернистого пылевидного абсорбента.

§ 1.2 Тарельчатые колонны. Требования и типы конструкций тарелок

Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки.

Тарелки – это барботажное устройство, в котором при работе происходит массообменный процесс, т.е. переход компонента из одной фазы в другую в результате непосредственного контакта между рабочими средами.

В химической и нефтеперерабатывающей промышленности применяют тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 ÷ 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5 ÷ 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Обычно расстояния между тарелками принимают 250 ÷ 300 мм. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок в колоннах большого диаметра расстояние между ними увеличивают до 500 ÷ 600 мм.

Общий вид тарельчатой ректификационной колонны представлен на рисунке. Она состоит из корпуса 3, переливных патрубков 1 , коль­цевой опоры 4, опорных колец 6, тарелок 2 и выносного кипятильника 5 и имеет ряд штуцеров для подачи продуктов и установки приборов.

Из-за разнообразия массообменных процессов применяют тарелки различных типов: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйно-направленные, с S-образными элементами.

К тарелкам предъявляют следующие основные требования:

Они должны иметь высокий К.П.Д., т.е. обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром;

Они должны обладать малым гидравлическим сопротивлением;

Они должны устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости;

Они должны быть просты по конструкции;

Они должны быть удобны в эксплуатации;

Они должны быть нечувствительны к различным осадкам и отложениям.

Конструкции тарелок.

Колпачковые тарелки сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других типов.

Основной частью колпачковой тарелки (см. рисунок) является основа­ние 2 – стальной отбортованный диск толщиной 4 мм с отверстиями для установки паровых патрубков 3 и сегментной сливной трубы 1. Над паровыми патрубками установлены стандартные колпачки 4. Для создания необходимого уровня жидкости тарелка снабжена сливной перегородкой 10, к которой винтами прикреплена регулировочная планка 9. Перегородка 5 образует так называемый входной карман, в который погружается сливная труба выше расположенной тарелки. Нижняя тарелка установлена на кольце 15, приваренном к царге. Точность горизонтальной установки обеспечивается регулировочными винтами 14.

Для установки располагаемой выше тарелки служат стоики 1 , имеющие опорные плитки 8. Таким образом заполняют всю царгу.

Зазор между бортом основания тарелки и царгой уплотняют установкой сальниковой набивки 13 и зажатием ее прижимным кольцом 6 с помощью шпилек 11 и скоб 12.

Жидкость через сегментную сливную трубу заполняет тарелку на уровень, определяемый положением регулировочной планки 9 . Колпачки своими прорезями погружены в жидкость. Пар проходит снизу через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости; при этом проис­ходит массообмен. Жидкость переливается на ниже расположенную тарелку, а пар идет вверх.

Колпачки (см. рисунок) для тарелок изготавливают двух исполнений (I – нерегулируемые по высоте и II – регулируемые по высоте).

Колпачки 1 прикреплены к паровым патрубкам 2 специаль­ными болтами 5 , шайбами 3 и гайками 4. По краю колпачок имеет прорези шириной 4 мм и высотой 15; 20 или 30 мм.

Колпачки располагают на тарелке по вершинам равносторонних треугольников или в шахматном порядке. Расстояние между краями колпачков 40 ÷ 60 мм.

Ситчатая тарелка – это лист с пробитыми в ней круглыми (рисунок а ), щелевидными (рисунок б ) или просеченными треугольными (рисунок в ) отверстиями размером 2 ÷ 15 мм. Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях 10 ÷ 12 м/с.

Ситчатые тарелки просты в конструкции и эффективны. Их недостаток – необходимость точного регулирования заданного режима (особенно по расходу газа) и чувствительность к осадкам и отложениям, забивающим отверстия.

Ситчатые тарелки применяют в основном для колонн малого размера, т.к. при диаметрах более 2,5 м распределения жидкости на тарелке становится неравномерным.

Волнистая ситчатая тарелка

Клапанные тарелки. Основные элементы клапанной тарелки – подъемные клапаны (см. рисунок) круглой и прямоугольной формы, закрывающие отверстия в тарелке. Конструктивно клапан выполнен так, что подъем возможен только на определенную величину. При определенной скорости паров в отверстии клапаны уравновешиваются потоками пара и при дальнейшем увеличении нагрузки начинают подниматься таким образом, что скорость пара в сечении между клапаном и полотном тарелки остается примерно постоянной. Следствием этого является равномерное распределение пара по площади тарелки, уменьшение уноса жидкости и меньшее гидравлическое сопротивление.

Клапаны изготавливают штамповкой из листового металла толщиной 2 ÷ 3 мм. Диаметр дисковых клапанов 50 ÷ 100 мм, полная высота подъема 8 ÷ 15 мм. В крайнем нижнем положении между клапаном и плоскостью тарелки имеется зазор 1 ÷ 1,5 мм.

Тарелки струйно-направленные. Применяют для колонных аппаратов диаметром 1000 … 3600 мм. На штампованных секциях просечены и отогнуты под углом 30 или 40° полукруглые “язычки” (радиусом 20; 25 или 30 мм). Расстояние между соседними рядами язычков 50 мм. При поступлении снизу пара (газа) создается его струйно-направленное движение через слой находящейся на тарелке жидкости и происходит интенсивный барботаж.

Тарелка с S-образными элементами (см. рисунок). Их основное преимущество – простота конструкции и большая жесткость штампо­ванных элементов. S-образные элементы представляют собой кол­пачки с односторонним выходом пара. Пар из них выходит в том же направлении, что и движущаяся по тарелке жидкость.

Поскольку в процессе ректификации должны участвовать два потока паров и жидкости, состоящие из одних и тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обеспечения условий ректификации в верхней части колонны отводят тепло, а в нижней части подводят тепло. При конденсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (орошения, флегмы), перетекающей с тарелки на тарелку. Подвод тепла в нижнюю часть колонны обеспечивает испарение части жидкости и образование парового потока.

Рис. 6.3.1 Схема работы ректификационной колонны

2) Парциальный конденсатор

3) Холодное испаряющееся орошение

4) Циркуляционное неиспаряющееся

орошение

1) Схема ректификационной колонны

5) Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством6) Подвод тепла с горячей струёй

(парциальный кипятильник)

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется питательной секцией . Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей , а ниже ввода сырья - отгонной или исчерпывающей .

Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, в сложной колонне число отбираемых продуктов больше двух. Они могут выводиться в виде дополнительных боковых погонов.

6.4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ и ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСы РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной (двухкомпонентной) смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту (НКК). Основные потоки представлены на рис. 6.3.1 (1). При установившемся режиме работы колонны массы потоков остаются неизменными и можно составить следующие уравнения материального баланса для всей колонны:

где F, D и W - соответственно количества сырья, дистиллята и остатка (кг).

Потоки колонны и соответствующие концентрации НКК в продуктах колонны взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.

Работа ректификационной колонны связана с обменом энергией (теплом) между контактирующими фазами. При этом все подведенное в колонну тепло (с сырьем Q F и в нижнюю часть колонны Q В ) должно быть отведено (без учета теплопотерь в окружающую среду) из колонны парами ректификата Q D , жидким остатком Q W и потоком хладоагента на верху колонны Q d .

Тепловой баланс колонны запишется следующим образом:

При прочих постоянных тепловых потоках, изменение количества тепла, вносимого сырьём, требует соответствующего изменения количества тепла вводимого в нижнюю часть колонны Q В : при увеличении Q F необходимо уменьшить Q В , и наоборот.

Тепловые потоки колонны должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.

6.5. ФЛЕГМОВОЕ (ПАРОВОЕ) ЧИСЛО

Для анализа ректификационных процессов принято использовать приведённые фазовые потоки (рис. 6.3.1). Обозначим

где g и D – количество жидкости в любом произвольном сечении колонны и количество дистиллята.

Это отношение является флегмовым числом; оно представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчёте на один кмоль отводимого дистиллята.

Число теоретических тарелок зависит от флегмового числа. В колонне заданные составы продуктов могут быть получены при варьировании флегмового числа в определённых пределах и, как следствие, изменении числа тарелок в колонне.

При бесконечном орошении число тарелок будет минимальным N min . При уменьшении флегмового числа число тарелок в колонне увеличивается и при некотором минимальном флегмовом числе R min число тарелок, обеспечивающих заданное разделение смеси, возрастает до бесконечно большого.

Если рассмотреть данный вопрос в практической плоскости, то при снижении количества жидкости по колонне (орошения) наблюдается увеличение количества дистиллята (пара) и, как следствие:

Т.е. стремится к снижению R min

При этом будет наблюдаться насыщение потока пара высококипящими компонентами, что подтверждает теорию о снижении числа теоретических тарелок.

Обычно выбирают такое флегмовое число, которое обеспечивает оптимальные эксплуатационные показатели. В общем случае флегмовое число определяют экономическими расчётами, т.к. с ростом R увеличиваются потоки (затраты) теплоты в кубе колонны и конденсаторе колонны: рост R при постоянном потоке дистиллята D означает увеличение потока флегмы. Поэтому с повышением R возрастают расходы теплоносителя (нагрузка на теплообменники, трубчатые печи и т.д.)

6.6. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ОРОШЕНИЯ В КОЛОННЕ

Для образования потока флегмы в верхней части колонны необходимо отводить тепло, обеспечивая конденсацию соответствующего количества паров. В нефте- газоперерабатывающей промышленности получили применение следующие три основных способа отвода тепла: парциальным конденсатором, холодным испаряющимся орошением и циркуляционным неиспаряющимся орошением, схемы которых даны на рис. 6.3.1 (2,3,4).

Отвод тепла в парциальном конденсаторе (рис. 6.3.1-2). При данном способе отвода тепла пары D , уходящие с верхней тарелки колонны, поступают в конденсатор, где часть этих паров g конденсируется и возвращается на верхнюю тарелку, образуя орошение, а пары дистиллята отводятся из конденсатора. При парциальной конденсации принимают, что пары дистиллята D и флегмы g стекающей из парциального конденсатора, находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.

Отвод тепла холодным испаряющимся орошением (рис. 6.3.3-3). Этот способ отвода тепла получил наибольшее распространение. В отличие от парциальной конденсации, поток паров с верхней тарелки направляется в конденсатор, где полностью конденсируется охлажденем. Образовавшаяся холодная жидкость делится на два потока, один из которых подаётся в качестве холодного (или острого) орошения на верхнюю тарелку колонны. Эта холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. Пары охлаждаются и, частично конденсируясь, образуют поток жидкости (флегмы) с верхней части колонны,а холодное орошение большей частью испаряется, присоединяясь к парам ректификата. Таким образом, в конденсатор поступают пары ректификата D и холодного орошения g .

Изменяя массу холодного орошения g, можно регулировать количество отводимого в конденсаторе тепла G d ,и тем самым изменять массу потока жидкости (флегмы) в верхней части колонны, который в свою очередь влияет на весь процесс ректификации. Количество холодного испаряющегося орошения требуется тем меньше, чем ниже его температура.

Отвод тепла циркуляционным неиспаряющимся орошением (рис. 6.3.1-4). Этот вид орошения применяют в нефтепереработке в случае коррозионного сырья, содержащего пары воды, что в условиях конденсации приводит к интенсивной коррозии оборудования. Из сопоставления схем орошениялегко установить аналогию с парциальной конденсацией.

Часть флегмы с верхней тарелки охлаждается в холодильнике и возвращается на верхнюю тарелку. Здесь холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. При этом часть паров охлаждается и конденсируется, образуя поток флегмы,а пары ректификата D покидают колонну. Таким образом, верхняя тарелка колонны работает, как парциальный конденсатор, а пары ректификата находятся в равновесии с циркулирующей жидкостью, т.е. масса циркуляционного неиспаряющегося орошения тем меньше, чем ниже его температура.

Выбор той или иной схемы орошения определяется особенностями эксплуатации, свойствами перерабатываемой смеси и экономическими соображениями.

6.7. СПОСОБЫ ПОДВОДА ТЕПЛА В НИЖНЮЮ ЧАСТЬ КОЛОННЫ

Чтобы создать поток паров, в нижнюю часть колонны необходимо подводить тепло. При этом часть флегмы испаряется и создается необходимый для ректификации поток паров. Наиболее часто реализуются следующие способы подвода тепла: в подогревателе с паровым пространством (парциальном кипятильнике), в теплообменном аппарате с последующим ОИ нагретого потока в низу колонны (горячая струя). Схемы основных способов подвода тепла в колонну даны на рис. 6.3.1 (5,6).

Вследствие недостаточного объема нижней части ректификационных колонн тепло обычно подводят в специальные выносные аппараты: подогреватели с паровым пространством, теплообменники, трубчатые печи.

Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством (рис. 6.3.1-5). В этом случае жидкость, поступающая в подогреватель, нагревается до температуры кипения остатка. Образовавшиеся пары D 0 находятся в равновесии с отходящим из кипятильника остатком W. Таким образом, данный способ подвода тепла эквивалентен по разделительному действию одной теоретической тарелке (парциальный кипятильник).

Масса горячей струи уменьшается с повышением ее температуры.

Подвод тепла горячей струей (рис. 6.3.1-6). Этот способ подвода тепла применяют в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями не представляется возможным или целесообразным.

Нагретая циркулирующая жидкость (горячая струя) поступает в колонну. При поступлении в колонну циркулирующий поток подвергается процессу ОИ, разделяясь на паровой и жидкостной потоки. Флегма с нижней тарелки и жидкость циркулирующего потока смешиваются и стекают в нижнюю часть колонны. Отсюда часть потока выводится в качестве остатка W, а другая часть направляется в подогреватель. Под нижнюю тарелку поступает пар D 0 .

6.8. ВЫБОР ДАВЛЕНИЯ В ректификационной КОЛОННЕ

Давление в ректификационной колонне определяется прежде всего термостойкостью разделяемых продуктов и возможностью использования доступных и дешевых охлаждающих агентов (воды, воздуха) и теплоносителей (водяного пара). Поэтому давление в колонне должно быть выше атмосферного, если разделяемые вещества имеют низкие температуры кипения при атмосферном давлении (например, углеводородные газы), иначе для их конденсации потребовались бы специальные хладоагенты (аммиак, пропан, фреоны и т. п.). Повышение давления приводит к увеличению температур в колонне, что позволяет осуществлять конденсацию паров с использованием обычных теплоносителей. При ректификации углеводородных газов применяют давление до 4 МПа.

В случае разделения высококипящих продуктов (мазут, масляные фракции и др.) приходится понижать давление ниже атмосферного. Это позволяет разделять углеводороды, имеющие температуры кипения при атмосферном давлении свыше 500°С, при температурах ниже 400°С без заметного их разложения. Обычно при разделении высококипящих смесей углеводородов применяют остаточное давление - 6,7 кПа и менее.

Следует иметь в виду, что при повышении давления в колонне, как правило, уменьшаются относительные летучести компонентов, что приводит к необходимости увеличивать число тарелок в колонне или расход орошения.

В общем случае при выборе давления в колонне необходимо учитывать как эксплуатационные, так и экономические показатели процесса ректификации. Однако, если нет специальных требований к процессу, следует предпочесть работу ректификационной колонны под атмосферным давлением.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Для проведения процесса ректификации применяют аппараты различных конструкций в основном колонного типа. По типу контактных устройств различают насадочные, тарельчатые и пленочные аппараты. Область применения тех или иных аппаратов определяется свойствами разделяемых смесей, производительностью и т.д.

На рис. 6.9.1 приведены схемы аппаратов основных типов.

Рис. 6.9.1. Колонные аппараты основных типов:

а - насадочный; б - тарельчатый; в - пленочный; 1 - корпус аппарата; 2 - распределитель; 3 - ограничительная решетка; 4 - насадка; 5 - опорная решетка; 6 - тарелка; 7 - переточное устройство; 8 - поверхность контакта.

Рис. 6.9.2. Основные схемы движения потоков пара и жидкости в контактной зоне:

а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток.

По способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара различают контактные устройства с противоточным, прямоточным и перекрестноточным движением фаз (рис. 6.9.2). Независимо от схемы движения потоков в пределах отдельного контактного устройства (контактной ступени) в целом по аппарату, как правило, осуществляется противоток пара и жидкости.

Насадочные колонны нашли применение в тех случаях, когда необходимо обеспечить малую величину задержки жидкости в колонне, небольшой перепад давления, а также для малотоннажных производств. Были созданы типы насадок (кольца Палля, из просечного металла, сеток и др.), которые оказались достаточно эффективными в колоннах большого диаметра.

Основные типы насадок . Насадки представляют собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок обусловливает значительную поверхность контакта пара и жидкости. Известны многие конструктивные модификации насадочных тел, основные типы которых приведены на рис. 6.9.3.

Для заполнения насадочных колонн широко применяют кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, что обеспечивает универсальность их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничивает их применение для вакуумных процессов. Созданные различные модификации колец Рашига- кольца Палля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем при кольцах Рашига.

Рис. 6.9.3. Элементы нерегулярных насадок:

1-4 – кольца Рашига, Лессинга, Палля и кольца с крестообразными перегородками; 5, 6 – круглые и трехгранные пружины; 7, 9 – керамические и штампованные металлические насадки Инталлокс; 8 – насадка Берля

В связи с необходимостью создания насадок с низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки из сеток различных конструкций.

К регулярным относятся насадки, расположение элементов которых в объёме колонны подчинено определённому геометрическому порядку создающему упорядоченные каналы для прохода элементов. Примеры таких насадок показаны на рис.6.9.4.

Элементы плоскопараллельной насадки 1 могут быть выполнены из досок, стекол, металлических пластин или сетки.

Насадка Зульцера 2 состоит из перемежающихся слоев гофрированной сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону.

Насадка Гудлоу 3 (иногда ее называют насадкой Панченкова) представляет собой свернутую спираль из сетчатого чулка. В колонну такие свитые пакеты укладываются послойно. Поток пара через них проходит в щелях между сетчатыми слоями.

Наклонно-пакетная насадка 4 представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них слоев чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).

Рис. 6.9.4. Регулярные насадки:

1 – плоскопараллельная; 2 – Зульцера; 3 – Гудлоу; 4 – пакетная с наклонными секциями

Основными размерными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью насадки f понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 2 /м 3 . Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше ее эффективность, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность.

Под свободным объемом насадки ε понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 3 /м 3 . Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность, меньше сопротивление и эффективность. С увеличением размеров насадочных тел возрастает производительность, но одновременно снижается эффективность разделения.

Рис. 6.9.5. Распределители жидкости:

7 – перфорированная плита; 2 – плита с патрубками; 3 – плита с наклонными отражателями струй; 4 – напорный маточник-распылитель

Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам колонны, насадку загружают в колонну отдельными слоями высотой от 1,5 до 3 м. Между слоями насадки устанавливают распределители различных конструкций (рис. 6.9.5).

Насадку укладывают на опорные распределительные решетки и плиты. Свободное сечение таких устройств должно быть по возможности больше и приближаться к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка работала эффективно, поверхность элемента насадки должна хорошо смачиваться жидкостью.

Гидравлика насадочных колонн . В зависимости от нагрузок колонны по пару и жидкости изменяется характер взаимодействия между ними, этим и определяется предельная скорость пара в насадочной колонне. При некоторых величинах паровой и жидкостной нагрузок резко увеличиваются количество удерживаемой в насадке жидкости и гидравлическое сопротивление слоя насадки. Такой режим называется захлебыванием колонны и считается верхним пределом устойчивой ее работы.

Тарельчатые колонны . В тарельчатых колоннах пар (или газ) проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. При этом пар дробится на мелкие пузыри и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. Принципиальная схема работы тарельчатой колонны показана на рис. 6.9.6.

Рис. 6.9.7. Основные типы ректификационных тарелок:

I – решетчатая провальная; II – сетчатая провальная; III – ситчатая перекрестноточная; IV – колпачковая (а, б, в - капсюльный, туннельный и желобчатый колпачки); V – из S-образных элементов; VI - клапанная (а, б, в, г); VII – струйная (а, б); VIII - вихревая (а -устройство вихревого элемента); 1 – корпус колонны; 2 – полотно (основание) тарелки; 3 – отверстия для прохода паров; 4 – переливные трубы; 5 – сливные сегментные карманы; 6 – сливные пластины (перегородки); 7 – паровые патрубки; 8 – колпачки; 9 – клапаны; 10 – ограничители подъема клапана; 11, 12 – фасонные отгибы полотна тарелки; 13 – просечки вихревого элемента; 14 – отражатели (п и ж – направления движения пара и жидкости)

Основные конструкции ректификационных тарелок показаны схематично на рис. 6.9.7.

Простейшая из них – решетчатая провальная тарелка (рис. 6.9.7, I ), полотно которой имеет геометрически упорядоченные ряды щелей (размерами примерно 10 x 150 мм), через которые вверх проходит пар, барботируя через слой жидкости на тарелке, и через которые часть избыточной жидкости стекает (проваливается) струями на нижележащую тарелку.

Такая тарелка очень чувствительна к изменению нагрузки по жидкости, при изменениях которой от расчетной на 20-30% тарелка может либо захлебнуться, либо не удерживать на полотне слой жидкости. Такой же эффект будет иметь место и при колебаниях нагрузки по парам.

Дырчатая волнообразная тарелка (рис. 6.9.7, II )является усовершенствованной решетчатой. Полотно ее имеет не щели, а отверстия диаметром 10-15 мм. Профиль полотна в разрезе – синусоидальный. Это позволяет разделить зоны преимущественного прохода пара (верхние изгибы тарелки) и стока жидкости (нижние изгибы полотна тарелки). Слой жидкости на тарелке удерживается выше верхних изгибов, и потому пар барботирует через этот слой. Тарелка рассчитана на колонны малого диаметра и применяется в колоннах стабилизации бензина и разделения углеводородных газов.

Обе тарелки (I и II на рис. 6.9.7.) являются провальными, и колонна с такими тарелками работает в режиме противотока пара и жидкости. Остальные из показанных на рис. 6.9.7 тарелок являются перекрестноточными, т.е. жидкость на них движется не навстречу потоку пара, а перпендикулярно или под углом, близким к прямому.

В зависимости от величины жидкостной нагрузки переток ее с тарелки на тарелку осуществляется одним, двумя и более потоками (рис. 6.9.8).

Рис. 6.9.8. Схемы потоков жидкости на тарелках с переливными устройствами:

а – однопоточная; б – двухпоточная; в – трехпоточная; г – четырехпоточная; д – с кольцевым движением жидкости; е – с однонаправленным движением жидкости на смежных тарелках; ж, з – каскадного типа; и – с серповидной сливной перегородкой.

Простейшей из тарелок такого типа является ситчатая (дырчатая) перекрестно-точная тарелка . Полотно ее имеет отверстия диаметром 4 – 12 мм по всей площади, кроме двух противоположных сегментов, где находятся сливные трубы. Эти трубы приподняты над полотном тарелки на высоту 20–40 мм (высоту слива – высоту барботажного слоя жидкости на тарелке), а другим (нижним) своим концом не доходят до полотна тарелки также на 30–50 мм. Для того чтобы поток пара не попадал в сливную трубу, нижний ее конец погружен в слой жидкости высотой не более 50 мм, создаваемый подпорной планкой перед перфорированной частью тарелки. Образующийся при этом гидрозатвор не позволяет парам попадать в сливную трубу. Переливное устройство может быть не только в виде сливных труб, но и в виде сегментной перегородки (IV, рис. 6.9.7), отсекающей от парового пространства сегментный объем, через который жидкость переливается с одной тарелки на другую.

В сливных трубах (или сегменте) уровень жидкости обычно выше уровня на нижележащей тарелке на величину, уравновешивающую гидравлическое сопротивление тарелки. Поэтому расстояние между тарелками не может быть меньше, чем этот столб жидкости в сливном устройстве.

С другой стороны, расстояние между тарелками (шаг тарелок) реально устанавливают с учетом следующих факторов:

· сепарации брызг жидкости из парового потока, выходящего из барботажного слоя, и сокращения за счет этого уноса жидкости на вышележащую тарелку;

· возможности доступа человека в межтарельчатое пространство при ремонте и осмотре тарелок.

Исходя из этих условий нормативными документами установлен шаг тарелок в зависимости от диаметра колонны от 300 до 900 мм.

Ситчатые тарелки (см. рис. 6.9.7, III) используют в колоннах небольшого диаметра (до 2,0-2,5 м). В настоящее время часто используются варианты ситчатых тарелок, полотно которых выполнено из просечно-вытяжного листа. Поток паров, проходя через такое полотно, отклоняется от вертикали и на выходе из барботажного слоя направлен под углом 40-60° к горизонтали. Чтобы интенсифицировать работу тарелки на пути выходящего из барботажного слоя пара, наклонно устанавливают отбойные элементы, изготовленные из того же просечного листа. Ударяясь об эти элементы, парожидкостная смесь сепарируется: жидкость пленкой стекает по элементу вниз, в зону барботажа, а пары через щели проходят в межтарельчатое пространство. Такие тарелки имеют очень малое гидравлическое сопротивление (0,1-0,2 кПа) и обеспечивают достаточно высокую эффективность массообменных процессов.

Рис. 6.9.9 Схема работы полотна тарелки из просечного листа:

1 – корпус колонны; 2 – стенки сливного кармана; 3 – полотно тарелки; 4 – отбойные элементы из просечного листа

Недостаток таких тарелок (как и других вариантов ситчатой тарелки) состоит в том, что при малейшей негоризонтальности или местных выпуклостях или вмятинах полотна тарелки она работает неравномерно по всей площади – в нижележащих точках проваливается жидкость, а в вышележащих – проскакивает пар без барботажа. В результате снижается эффективность тарелки.

Одним из старейших по длительности использования и массовых до сих пор типов тарелок является колпачковая тарелка (см. рис. 6.9.7, IV) с круглыми (капсюльными) колпачками. Ее отличие от предыдущих – наличие у каждого отверстия для прохода паров патрубка 7 определенной высоты, над которыми укреплен колпачок 8 с прорезями для прохода паров по всему нижнему его краю. Такое устройство позволяет ввести поток пара в слой жидкости на тарелке параллельно ее плоскости и раздробленным на множество мелких струй. Кроме того, встречные струи от соседних колпачков, соударяясь, создают завихрения в межколпачковой зоне, в результате чего повышается эффективность тарелки. Действительно, в подавляющем большинстве случаев средний к.п.д. такой тарелки на практике оказывается наибольшим – 0,6-0,8.

Существует большое число модификаций колпачковой тарелки, различающихся устройством или формой колпачков. Три из таких модификаций показаны на рис. 6.9.7 (IV, а; IV, б и IV, в).

Первая из них – это описанная выше тарелка с круглыми колпачками. Такая тарелка универсальна, она нашла применение в различных колоннах – от колонн газоразделения до атмосферных и вакуумных. В последних она используется редко из-за большой металлоемкости тарелки, сложности изготовления и монтажа.

Вторая модификация (IV, б) – это тарелка с литыми или штампованными прямоугольными (туннельными) колпачками, использовавшаяся в 1930-40-е годы в колоннах фирмы "Фостер-Уиллер" (США) для разделения мазута на масляные фракции.

Третья модификация (IV, в) – это желобчатая тарелка, особенностью которой является отсутствие полотна тарелки. Вместо него установлены стальные желоба 2, между которыми образуются щели для прохода паров. Щели накрыты колпачками 8, имеющими по своим краям прорези, длина каждого колпачка соответствует длине щели между желобами. Жидкость движется вдоль желобов к сливу; а пары барботируют через щели колпачков. В 1940-60-е годы такая тарелка получила очень широкое применение в колоннах АВТ диаметром от 1 м до 7 м, главным образом из-за большей простоты монтажа и демонтажа по сравнению с тарелкой IV, а; однако по металлоемкости желобчатая тарелка имеет мало преимуществ, а по среднему к.п.д. даже заметно ей уступает (0,3 – 0,5). В настоящее время желобчатая тарелка применяется редко и сохранилась лишь в старых ректификационных колоннах, не подвергшихся реконструкции.

На замену колпачковых и желобчатых тарелок в нефтепереработке в 1960-70-е годы пришли два новых типа тарелок – из S-образных элементов (V) иклапанная (VI).

Оригинальность тарелки из S-образных элементов состоит в том, что у нее полотно и колпачки образуют одинаковые элементы (в разрезе – S-образного профиля), но каждый колпачок при этом имеет прорези для прохода паров только с одной стороны, т.е. на единицу площади барботажа тарелки паровой поток вводится в жидкость меньшим (по сравнению сжелобчатой тарелкой) "фронтом" дробленых струй. В отличие от желобчатой тарелки жидкость на этой тарелке движется поперек туннельных колпачков, затапливая их.

Тарелки из S-образных элементов нашли очень большое распространение во всех колоннах, кроме вакуумных (из-за повышенного гидравлического сопротивления), благодаря малой металлоемкости, простоте изготовления (штамповка) и монтажа в сочетании с высокой эффективностью (средний к.п.д. 0,4–0,7).

Невысокая эффективность тарелок из S-образных элементов отчасти связана, как упоминалось выше, с меньшей долей дробленых струй паров на единицу площади барботажа. Поэтому появилась комбинированная тарелка такого типа, у которой по верхней плоскости колпачков с шагом 100-120 мм расположены отверстия прямоугольного сечения, перекрытые клапанами, открывающимися по ходу движения жидкости. Это увеличивает барботажный эффект, снижает гидравлическое сопротивление тарелки и в результате повышает ее к.п.д.

Клапанные тарелки (рис. 6.9.7, VI) по принципу устройства ближе к дырчатым, но в отличие от них позволяют регулировать проходное сечение отверстий для паров. Для этого над каждым отверстием (диаметром от 30 до 50 мм) имеется устройство (клапан), который в зависимости от количества паров под их напором приподнимается (или поворачивается) над отверстием, изменяя таким образом проходное сечение для паров.

Однако существует множество разных конструкций клапанных тарелок, различающихся устройством клапанов.

На рис. 6.9.7, VI показано 4 наиболее типичных устройства клапанов: а, б – клапаны с верхними ограничителями подъема (а – поворотный, б – тарельчатый клапан, поднимающийся вертикально); в, г – клапаны с нижними ограничителями подъема – "ножками" (в – с тремя одинаковыми по высоте ножками; г – с тремя разными по высоте ножками: одной – короткой и двумя – длинными). Клапан типа Glitch (в) поднимается вертикально под напором паров, пока отгибы его ножек не упрутся в полотно тарелки. При этом сечение для прохода паров будет максимальным, а движение паров и жидкости – строго перекрестноточным.

Рис. 6.9.10. Фрагмент секции и схема работы клапанной перекрестно-прямоточной тарелки:

а, б, в – вид секции сбоку при малой (противоток), средней (перекрестный ток) и по­вышенной (прямоток) нагрузке тарелки по парам соответственно; г – вид клапанов сверху; д – вид клапана со стороны короткой ножки; 7 – полотно тарелки; 2 – отверстий для клапанов; 3 – клапаны; 4 – короткие ножки; 5 – длинные ножки (стрелками показаны направления движения жидкости и паров)

Клапан с разными ножками (рис. 6.9.10) вначале под действием потока пара поднимается со стороны короткой ножки (так как центр тяжести такого клапана смещен в сторону длинных ножек) до тех пор, пока она упрется в полотно. В этом положении (рис. 6.9.10, а) поток паров вводится под углом к плоскости тарелки навстречу движущемуся потоку жидкости, т.е. тарелка работает в противоточном режиме. При последующем увеличении количества паров клапан поднимается со стороны длинных ножек (точнее, поворачивается вокруг точки упора – короткой ножки), и когда плоскости клапана и полотна тарелки становятся параллельными (положение "б" на рис. 6.9.10), тарелка, как и в случае с клапаном Glitch, работает в режиме перекрестного тока жидкости и паров. Если количество паров продолжает расти, то клапан поворачивается вокруг точки упора дальше и, в конце концов, упирается в полотно всеми тремя ножками ("в " на рис. 6.9.10), принимая наклонное положение, при котором большее проходное сечение для паров расположено по ходу жидкости, т.е. тарелка работает в этом случае как прямоточная.

Клапанные тарелки сочетают в себе ряд преимуществ (малая металлоемкость, простота сборки, равномерный барботаж в широком интервале нагрузок по пару и жидкости и др.), которые позволили им стать самым распространенным типом тарелки, начиная с 1970-х годов и до настоящего времени. Эти тарелки применяют практически во всех типах колонн нефтепереработки – от газоразделительных до вакуумных.

Струйные тарелки (рис. 6.9.7, VII) представляют собой полотно толщиной 3-5 мм, в котором выштампованы отверстия различной конфигурации с отгибом лепестков под определенным углом. Наиболее типичные варианты таких тарелок показаны на рисунке: а – с отогнутыми лепестками в виде прямоугольников с округленными углами, б – в виде конусных выпуклостей (типа "суфлерской будки") с отверстиями в одну сторону. Барботаж на таких тарелках происходит в режиме перекрестно-прямоточного тока, при котором динамическая энергия потока пара используется для интенсификации движения жидкости по тарелке.

Струйные тарелки рассчитаны на применение в тех случаях, когда нагрузка колонны по потоку паров достаточно высока, поэтому они нашли большее применение в колоннах газоразделения. За счет ввода паров в слой жидкости под углом к плоскости тарелки унос капель жидкости на вышележащую тарелку значительно ниже, чем у перекрестноточных тарелок.

Вихревая тарелка (рис. 6.9.7, VIII) – пример тарелки с интенсивным смешением пара и жидкости на тарелке при пониженном уносе капель с нее. На полотне такой тарелки в окружностях диаметром 100-120 мм выштампованы в радиальных направлениях отверстия с отогнутыми лепестками (VIII, а), а по центру этих окружностей на шпильках установлены отбойные чашечки такого же диаметра (100-120 мм), в дне которых расположено 6–8 отверстий диаметром 5–6 мм. Такие вихревые элементы на полотне располагаются в шахматном порядке с шагом 140-180 мм.

Поток пара, проходя через просечки под углом 40-60° к плоскости тарелки, завихряется в смеси с жидкостью, текущей по полотну тарелки, и эта парожидкостная смесь, ударяясь об отбойные чашечки, сепарируется над ними. Поток паров идет далее в межтарельчатое пространство, а основная часть жидкости выпадает в чашечки и через отверстия в них стекает вновь в зону завихренного барботажного слоя.

Такая тарелка в опытных масштабах показала малое гидравлическое сопротивление, сочетающееся с высокой массообменной эффективностью, что отвечает основным требованиям для тарелок вакуумных колонн.

Для всех рассмотренных типов тарелок факторами, определяющими область их применения и эффективность работы, являются:

· гидравлическое сопротивление;

· равномерность и интенсивность барботажа по площади тарелки;

· диапазон нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает нормально (без провала жидкости и интенсивного уноса капель).

6.10. Эксплуатация колонных аппаратов, методы воздействия на эффективность работы колонны.

Ректификационные колонны – это главные аппараты технологические установок, и их эксплуатация (пуск, нормальный режим и остановка) тесно взаимосвязана со всеми другими аппаратами и оборудованием.

В подготовительный к пуску период выполняются обычно следующие работы:

· герметизация колонны – закрытие всех люков, затяжка фланцев, к которым крепятся подсоединенные к колонне трубопроводы;

· проверка работоспособности контрольно-измерительных приборов и автоматики, связанных с работой колонны;

· опрессовка колонн с целью выявления мест пропусков и механической прочности. Эту операцию осуществляют, создавая в колонне сжатым инертным воздухом или углеводородным газом давление выше рабочего. Если в течение определённого времени оно остается постоянным, то аппарат считается выдержавшим испытание. Если давление заметно падает, то стыки всех соединений колонны с помощью мыльной пены проверяют на пропуски, при обнаружении которых соединения герметизируют;

· заполнение колонны жидкой фазой для вывода аппарата на предпусковой период.

Пусковой период включает три этапа – холодную и горячую циркуляцию и переход к нормальному режиму работы.

Холодная циркуляция нефти в течение определённого количества времени предназначена для выявления неисправностей насосов и средств измерения расхода, а также для дренажа воды, которая оставалась в аппаратах и трубопроводах. Она заключается в отладки потока нефтепродукта по циркуляционной (закольцованной) схеме, предполагающей возможность подъёма температуры (через теплообменник).

Приступая к горячей циркуляции, организовывается розжиг печи (если нет другого источника тепла) согласно нормативной документации (инструкций по эксплуатации). Далее, приступают к подъёму температуры циркулирующей жидкости с заданной скоростью (о С в час), в процессе которого из исходного углеводородного сырья начинают испаряться низкокипящие компоненты (НКК), что в свою очередь приводит к уменьшению массы жидкости и снижению уровня раздела газовой и жидкой фаз. Т.к. при эксплуатации аппаратов необходимо не допускать снижения уровня жидкости ниже минимального значения, колонну подпитывают сырьём по линиям загрузки.

Пусковой период завершается выводом всех параметров работы колонн на значения, установленные технологическим регламентом, и получением конечных нефтепродуктов с заданными качествами.

В период нормального режима эксплуатации колонн задача сводится к поддержанию регламентных значений параметров – температур, давлений, расходов, уровней – как системами автоматического регулирования, так и вручную. Кроме того, по установленному графику ведется лабораторный контроль качества сырья и получаемых дистиллятов и остатков.

Важнейшая задача при реализации процессов ректификации – воздействие на технологические параметры процесса с целью его стабилизации и получения конечных нефтепродуктов заданной чистоты.

В зависимости от величины нагрузок по пару и жидкости различают следующие режимы ректификации:

· неравномерный – только часть жидкости на полотне тарелки пронизывается паром (нет прохода в отверстиях, погнуты полотна тарелок, заклинили клапаны и др.);

· равномерный – на всей площади тарелки происходит интенсивный барботаж (желаемый);

· факельный – струи пара прорываются сквозь недостаточный слой жидкости и выходят на поверхность с большой скоростью (недостаточный слой жидкости, сопровождающийся перегревом колонны);

· унос – значительная часть жидкости захватывается потоком пара и перебрасывается на вышележащую тарелку (перегрев колонны, недостаточное охлаждение верха колонны и т.д.).

В ходе эксплуатации ректификационной колонны ставится задача – изменить чистоту конечных нефтепродуктовв. Данная задача решается изменением флегмового число R (отношение флегмы, возвращаемой обратно в колонну в виде орошения, к дистилляту (пару)):

· увеличение потока флегмы (орошения) при сохранении отборов дистиллятаи кубового остатка, если кипятильник и конденсатор рассчитаны с некоторым запасом и позволяют повысить тепловую нагрузку (увеличиваются количество орошения и количество тепла от теплообменника);

· уменьшением производительности колонны по исходной смеси, а значит, и по продуктам; при этом, сохраняя поток флегмы и понижая поток дистиллята, получают более высокое флегмовое число R (снижают загрузку колонны, при этом сохраняется количество орошения и количество тепла от теплообменника).

Повысить флегмовое число можно также путем захолаживания флегмы , т.е. возвращения ее в колонну при более низкой температуре: холодная флегма будет нагреваться в верхних зонах колонны до температуры кипения за счет конденсации части парового потока, и поток флегмы по колонне возрастет.

Увеличивая число тарелок п (высоту слоя насадки Н н), а также флегмовое число R, можно в принципе получить сколь угодно чистые дистиллят и кубовый остаток.

Еще одна возможность воздействия на чистоту продуктов - смещение точки подачи исходной смеси по высоте колонны. Так, если подать исходную смесь в колонну пониже, то увеличится протяженность укрепляющей части, и дистиллят станет чище; при этом уменьшится протяженность отгонной части колонны, так что кубовый остаток будет больше загрязнен низкокипящим компонентом. Изменение точки питания ректификационной колонны может оказаться полезным в двух основных случаях:

1) только один из продуктов должен быть весьма чистым (во втором допускается заметное содержание примеси); тогда следует увеличивать протяженность той части колонны, на выходе из которой нужно получать чистый продукт;

2) по какой-то причине изменился состав исходной бинарной смеси. Например: содержание НКК в исходной смеси понизилось; для сохранения прежней чистоты дистиллята теперь в укрепляющей части колонны потребуется большее число тарелок (или большая высота слоя насадки), чем раньше, а для сохранения чистоты кубового остатка - меньшее число тарелок в отгонной части колонны. Поэтому исходную смесь нового состава следует подавать в колонну на более низкую тарелку. Конкретно: ее надо подавать в то сечение колонны, в котором этот состав равен составу исходной смеси.

Дата публикования: 2015-01-24 ; Прочитано: 6469 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

сайт - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.028 с) ...

Отключите adBlock!
очень нужно