Меню
ГлавнаяПол и потолок

S образные тарелки в ректификационной колонне. Конструкции ректификационных колонн. Особенности использования колонн при перегонке спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация (от лат. rectus - правильный и facio - делаю) - разделение однородных жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом и заключается основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичного испарения-конденсации достигается лишь предварительное разделение жидких смесей. Потоки пара и жидкости в процессе ректификации, перемещаясь противотоком, многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах - ректификационных колоннах . Часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучим- низкокипящим компонентом (НК), а стекающая жидкость - менее летучим- высококипящим (ВК). При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификацию различают непрерывную и периодическую. В случае непрерывной ректификации разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и объединённых другими. Полная колонна состоит из 2 секций - укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны. Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами пар, поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде кубового остатка. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число - важная характеристика процесса ректификации: чем больше R, тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа. Минимальное флегмовое число находится расчётным путём из предположения, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности. Если исходную смесь требуется разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн. При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси. Аппараты, служащие для проведения ректификации, - ректификационные колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители). Назначение тарелок и насадки - развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации. Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн. Расчет ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров колонны - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с другими процессами разделения, такими как адсорбция. Экстракция и кристаллизация. Так же ректификация применима для получения отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Ректификация широко используется во многих отраслях: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленности и др. В последнее время ректификация приобретает всё большее практическое значение в связи с решением таких важных задач, как очистка веществ и выделение ценных компонентов из отходов или природных смесей. Сюда относят выделение стабильных изотопов ряда легких элементов. Ректификация как метод очистки имеет ряд неоспоримых преимуществ, среди которых самое существенное то, что в процесс не требуется вносить те агенты, которые сами могут быть источниками загрязнения.

1. Требования к конструкции ректификационных колонн

Обычно ректификационная колонна выполняется в виде цилиндра, заполненного специальными распределительными устройствами для создания поверхности контакта между стекающей сверху жидкой фазой и поднимающимися навстречу парами. При конструкции ректификационных колонн обычно руководствуются требования, предъявляемыми к конструкции любого химического аппарата (дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, прочность, коррозионная устойчивость, долговечность и т.д.) Помимо этого, необходимо учитывать следующие специфические требования к конструкции колонны:

    Колонна должна обладать максимальной пропускной способностью по паровой и жидкой фазе;

    Контактные устройства должны обеспечивать максимальную поверхность контакта между фазами при максимальной эффективности передачи массы;

    Колонна должна работать устойчиво и равномерно по всему сечению в широком диапазоне нагрузок;

Гидравлическое сопротивление распределительных устройств должно быть минимальным. Стремление к максимальному удовлетворению этих требований, а так же специфика свойств смесей, подлежащих разделению (теплообразование, агрессивность, закоксовывание, образование термополимеров и т.д.), приводит к многообразию типов ректификационных колонн.

2. Классификация колонных аппаратов

2.1 Классификация в зависимости от относительного движения фаз

Особенностью аппаратов перекрестного тока и полного смешения является то, что взаимодействие фаз в этих аппаратах осуществляется посредством барботажа паровой фазы через жидкую фазу. Поэтому эти группы обычно объединяют под общим названием барботажных колонн ; так как барботаж пара через слой жидкости происходит на пластинах- тарелках, оборудованных специальными устройствами для ввода пара и протока жидкости, эти две группы ректификационных колонн ещё называют тарельчатыми . Колонны полного смешения отличаются от колонн перекрестного тока в основном отсутствием переливных устройств для жидкости. Жидкость сливается на нижележащие тарелки через те же отверстия, по которым поднимается пар. Вследствие этого тарелки полного смешения получили название провальных. В противоточных и прямоточных колоннах паровой поток взаимодействует с жидкостью, текущей в виде тонкой пленки по поверхности специальной насадки. Поэтому эти две группы ректификационных колонн обычно объединяют под общим названием плёночных или насадочных . Наибольшее распространение получили барботажные колонны. Рабочее пространство этих колонн разделено на секции, образуемые тарелками.

2.2 Классификация тарелок

При количественном расчёте работы ректификационных колонн используется понятие теоретическая тарелка (гипотетическое контактное устройство, в котором устанавливается термодинамическое равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, то есть концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэффициентом распределения). Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок, входные и выходные потоки которой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Исходя из этого, определяют к.п.д. колонны как отношение числа теоретических тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретических тарелок, которым он эквивалентен по своему разделительному действию.

а) колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. При барботаже пара через жидкость различают три режима барботажа:

    пузырьковый режим (пар пробулькивается в виде отдельных пузырьков, образующих цепочку около стенки колпачка);

    струйный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в непрерывную струйку);

факельный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела).

Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования уровня жидкости на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. Достоинством колпачковых тарелок является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации.

б) ситчатые тарелки (рис. б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к.п.д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции. Массо - и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8-8,0 мм.

в) клапанные тарелки занимают среднее положение между колпачковыми и ситчатыми. Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12-20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

г) каскадные тарелки Вентури собирают из отдельных листов, выгнутых так, чтобы направление потока пара было горизонтальным. Каналы для прохода пара имеют профиль сечения трубы Вентури, что способствует максимальному использованию энергии пара и снижению гидравлического сопротивления. Потоки пара и жидкости направлены в одну сторону, что обеспечивает хорошее перемешивание и контакт фаз. По сравнению с колпачковыми тарелками скорость пара может быть увеличена более чем вдвое. Конструкция гибкая, не допускает провала жидкости и снижения за счет этого эффективности. Небольшая удерживающая способность (30-40% по сравнению с колпачковой тарелкой) является ценным качеством при переработке чувствительных к нагреву жидкостей. Расстояние между тарелками выбирается в пределах 450-900 мм. Каскадные тарелки успешно применяются в установках, где необходимо обеспечить высокие скорости пара и жидкости.

д) решетчатые тарелки изготавливают из штампованных листов с прямоугольными прорезами или набираются из полос. Необходимость опорной конструкции определяется толщиной металла и диаметром колонны. Расстояние между тарелками обычно 300-450 мм. Лучшая работоспособность, по сравнению с колпачковыми тарелками, при максимальных нагрузках.

е) волнистые тарелки изготовляются штамповкой из перфорированных листов толщиной 2,5-3 мм в виде синусоидных волн. Жесткость конструкции позволяет использовать тонкий металл. Направление волн на соседних тарелках перпендикулярное. Глубина волн выбирается в зависимости от перерабатываемой жидкости. За счет большой турбулизации жидкости эффективность волнистой тарелки выше. А опасность засорения меньше, чем для плоской тарелки. Размеры волн увеличиваются с увеличением расчетной нагрузки по жидкости. Отношение высоты волны к ее длине выбирается в пределах от 0,2-0,4. Тарелки в колонне располагаются на расстоянии 400-600 мм друг от друга.

ж) насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

В колонных аппаратах НПЗ в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение на установках АВТ получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы КУ.

Колпачковые


Ситчатые


Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме: а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные

Решетчатые


С S-образными элементами


Клапанные (дисковые)


Область применения различных типов тарелок

Основные характеристики сравнения

Нередки случаи, когда в одной в разных секциях используются тарелки разных типов. Это объясняется тем, что паровые и жидкостные нагрузки по высоте нефтяных колонн, особенно работающих с боковыми отборами, существенно различаются (иногда на порядок). При сравнении контактных устройств различного типа в качестве основных обычно выступают следующие показатели:

  • Производительность.
  • Гидравлическое сопротивление.
  • Эффективность (коэффициент полезного действия) – характеризует степень приближения реального процесса разделения на тарелке к теоретически достижимому (теоретическая тарелка).
  • Допустимый диапазон варьирования рабочих нагрузок (и по пару, и по жидкости), который определяется отношением максимально допустимой нагрузки к минимально допустимой.
  • Градиент уровня жидкости по ширине полотна тарелки, который определяется тем обстоятельством, что жидкость на тарелку вводится с одного края тарелки (секции), а отводится с другого. При течении жидкости по полотну тарелки она преодолевает определенное гидравлическое сопротивление, поэтому высота слоя жидкости у приемного кармана превышает соответствующий уровень у сливного кармана. Наличие градиента приводит к нарушению равномерности распределения пара по ширине барботажного слоя и в итоге – к снижению эффективности КУ.
  • Высота межтарельчатого расстояния, которая должна обеспечивать нормальную работу гидравлического затвора для обеспечения гарантированного перетока жидкости с верхней тарелки на нижнюю.
  • Обеспечение длительной работоспособности при работе на загрязненных средах и средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
  • Металлоемкость.
  • Стоимость.
  • Удобство монтажа и ремонта, простота конструкции.

Перекрестноточные насадки (ПТН)


Расчет отводимого тепла выносным орошением

Для сложных колонн, работающих с выносными холодными циркуляционными орошениями, к которым относятся и колонны АВТ, весьма важной становится ещё одна специфическая характеристика: величина реализуемого теплосъема от внутреннего парового потока холодным орошением – Q, (кВт/м 3). В этой характеристике величина достигаемого теплосъема отнесена к 1 м 3 барботажного слоя или к 1 м 3 насадки. В отечественной литературе данная характеристика учитывается достаточно редко, хотя она в значительной мере определяет эффективность работы циркуляционных орошений.

Количество тепла, отводимого от циркуляционного орошения во внешнем теплообменнике, определяется:
Q=L(Hн-Hк)

Все это количество тепла затрачивается внутри колонны на конденсацию части парового орошения, а энтальпия жидкого потока достигает при этом значения H н . В процедуре технологического расчета, который, как правило, проводится по «теоретическим тарелкам» процесс теплообмена будет завершен на первом же КУ. Фактически же именно реальная эффективность процесса теплосъема на КУ будет определять, на скольких реальных тарелках будет завершен этот процесс.

Выбор оптимальной конструкции контактных устройств

Конструкции КУ, выигрывающей у всех остальных конструкций по всем показателям, не существует. Каждая из конструкций обладает своими преимуществами и недостатками и своей областью рационального использования. В зависимости от особенностей конкретного процесса наибольшее значение могут приобретать те или иные характеристики из вышеперечисленных. Так, на выбор КУ для колонн атмосферного блока наибольшее влияние оказывают показатели производительности, эффективности и допустимого значения диапазона рабочих нагрузок, в котором обеспечивается высокая эффективность работы тарелок. Для колонн вакуумного блока на первое место выдвигается гидравлическое сопротивление КУ, поскольку оно будет определять интенсивность процесса разложения тяжелых углеводородов в зоне нагрева, а значит, в значительной мере и качество товарных фракций, хотя и в этом случае должны, конечно, учитываться и остальные характеристики. Наиболее распространенные типы КУ приведены на рисунке.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Ректификация нефти в колонне

В атмосферных колоннах хорошо зарекомендовали себя различные модификации клапанных КУ с дисковыми, прямоугольными и трапециевидными клапанами, а также комбинированные S-образные тарелки с клапанами. В вакуумных колоннах представляет интерес использование дисковых клапанов эжекционного типа, которые характеризуются наименьшим гидравлическим сопротивлением среди всех типов КУ.

Рис. 3.1. Распространенные типы колпачков и клапанов:

Колпачки: а – круглый; б – шестигранный; в – прямоугольный; г – желобчатый; д – S-образный; клапаны: е – прямоугольный; ж – круглый с нижним ограничителем; з – круглый с верхним ограничителем; и – балластный; к – дисковый эжекционный перекрестноточный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образный колпачок с клапаном.
Обозначения: 1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель; 4 – балласт.

Переливные устройства тарелок

Для организации перелива рабочей жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую в КУ используются специальные переливные устройства, включающие в себя сливную перегородку и карман (рис. 3.2). При больших значениях удельных нагрузок по жидкости (измеряется через расход фазы – м 3 /час отнесенный к 1 м 2 сечения колонны или к 1 м длины сливной перегородки), что характерно для многотоннажных колонн установок АТ-АВТ, для снижения градиента уровня жидкости применяются многопоточные конструкции КУ (от 2-х до 4-х потоков). Сливные карманы могут быть использованы также для подвода на КУ промежуточных потоков (холодные орошения) и/или для отвода боковых отборов (рис. 3.3). В последнем случае объемная емкость кармана наращивается за счет увеличения межтарельчатого расстояния, что повышает надежность работы откачивающего насоса.

Рис. 3.2. Устройство узлов перетока жидкости с тарелки на тарелку и ввода орошений для однопоточных (а) и двухпоточных (б) тарелок: 1 – корпус колонны; 2 – секции тарелок; 3, 4 – коллекторы ввода жидкости на верхнюю и промежуточную тарелки; 5, 6 – сливные карманы

Кстати, прочтите эту статью тоже: Вакуумная колонна

Массо – теплообмен между взаимодействующими фазами (пар – жидкость) протекает на КУ в барботажном слое: структуре, которая образуется при истечении парового потока из небольших отверстий или щелей, выполненных в полотне тарелки или в специальных устройствах (колпачках), в слой жидкости под небольшим избыточным давлением. Эта структура представляет собой ансамбль пузырьков, размер которых измеряется миллиметрами. Паровые пузырьки зарождаются при истечении газа, всплывают в слое жидкости за счет разности плотностей жидкой и паровой фаз и разрушаются на верхней границе барботажного слоя. Размер пузырьков определяется свойствами паровой и жидкой фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, …), конструкцией КУ и гидродинамическими условиями взаимодействия фаз. Суммарная поверхность массообмена в барботажном слое измеряется десятками и даже сотнями м 2 поверхности, приходящихся на 1 м 3 объема барботажного слоя.

Рис. 3.3. Узлы вывода боковых погонов (жидкость) из колонны: 1 – корпус колонны; 2 – тарелки; 3 – сливной карман увеличенного размера; 4 – сборная (глухая) тарелка; 5, 6 – патрубки для прохода паров и отвода жидкости; 7 – уравнительная труба

Рассмотренные типы контактных устройств относятся к наиболее распространенным для условий работы блоков АТ-АВТ. К настоящему времени разработаны и другие эффективные конструкции КУ , которые могут представлять интерес при решении задач проектирования. Надо при этом отметить, что какой-либо универсальной конструкции, пригодной для любых условий эксплуатации, выделить нельзя. Каждая конкретная задача проектирования должна решаться с учетом технологии производства на основе обобщения опыта работы родственных установок.

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

Типы трубчатых печей Типы и конструкция подшипников Типы и назначение ребойлеров различной конструкции

Конструкции ректификационных колонн

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:

1) колпачковые,

2) ситчатые,

3) насадочные,

4) барботажные.

Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).

Колпачковые колонны

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 3 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

1-тарелка; 2-колпачок; 3-паровой патрубок; 4-переливная трубка.

Рисунок 3- Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 4. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, - основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

Процесс барботажа на тарелке весьма сложен. Проводившиеся до сих пор исследования (В.Н. Стабников, А.М. Шуер и др.) дают возможность представить лишь качественную картину процесса.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью.

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.

Рисунок 4- Схема работы колпачковой тарелки.

Виды колпачковых тарелок

1. Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости

Для создания достаточной поверхности соприкосновения между паром и жидкостью на тарелках обычно устанавливают не один, а большое число колпачков, как на рисунке 5.

Колпачки располагают на близком расстоянии друг от друга (равен в среднем 1,5 диаметра колпачка) с тем, чтобы пузырьки, выходящие из соседних колпачков, прежде чем принять вертикальное направление движения, могли бы сталкиваться друг с другом.

Типовые колпачковые тарелки изготовляют с радиальным и с диаметральным переливом жидкости. Тарелки первого типа представляют собой вырезанные из стального листа диски 1 и 2, которые крепятся на болтах 7 и прокладках 8 к опорному кольцу 3. Колпачки 4 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным переливным трубкам 5, течёт к центру и сливается на следующую тарелку по центральной переливной трубке 6, затем снова течёт к периферии и т.д.


1 и 2-диски; 3-опорное кольцо; 4-колпачки; 5-периферийные колпачковые трубки; 6-центральная переливная трубка; 7-болты; 8-прокладки.

Рисунок 5- Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости

Ректификационная колонна (колонна фракционирования) - цилиндрический вертикальный аппарат, оснащенный внутренними тепло- и массообменными устройствами и вспомогательными узлами, предназначенный для разделения двухкомпонентных или многокомпонентных жидких смесей на фракции, каждая из которых содержит вещества с близкой температурой кипения.

Ректификационные колонны подразделяются:

    по количеству получаемых продуктов:

Простые ректификационные колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток (нижний жидкий продукт ректификации)

Сложные ректификационные колонны разделяют сырье более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных фракций из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн (стриппинги ).

    по назначению:

1) для атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута

2) для вторичной перегонки бензина

3) для стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов

4) для фракционирования нефтезаводских, нефтей и природных газов

5) для отгонки растворителей в процессах очистки масел

6) для разделения продуктов трубчатой печи и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.

    по величине давления:

это колонны, в верхней части которых давление несколько выше атмосферного (0,1…0,2 МПа). Давление в нижней части колонны, как правило, зависит от сопротивления ее внутренних устройств и может значительно превышать атмосферное. Применяются такие колонны при перегонке стабилизированной или отбензиненной нефти на топливные фракции и мазут.

работают под вакуумом (или глубоким вакуумом). Иными словами, давление в них ниже атмосферного (создается разрежение), что позволяет снизить рабочую температуру процесса и избежать разложения продукта. Такие колонны предназначаются для фракционирования мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции и гудрон.

применяются при стабилизации или отбензинивании нефти, стабилизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторичных процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

    по принципу действия:

применяются на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и высокой четкости разделения. Исходное сырьё заливают в куб на высоту, равную 2/3 его диаметра. Подогрев ведут глухим паром. В первый период работы ректификационной установки отбирают наиболее летучий компонент смеси, например бензольную головку, затем компоненты с более высокой температурой кипения (бензол, толуол и т. д.). Наиболее высококипящие компоненты смеси остаются в кубе, образуя кубовый остаток. По окончании процесса ректификации этот остаток охлаждают и откачивают. Куб вновь заполняют сырьём и ректификацию возобновляют. Периодичностью процесса обусловлены больший расход тепла, меньшая производительность труда и менее эффективное использование оборудования.

Установки с колоннами непрерывного действия лишены недостатков колонн периодического действия. В таких колоннах нагретое сырьё вводится в ректификационную колонну, где разделяется на жидкую и паровую фазы. В результате ректификации сверху колонны отбирается изопентан как головной продукт и снизу колонны – н-пентан как остаток.

    по способу межступенчатой передачи жидкости:

1) с переточными устройствами (с одним, двумя или более)

2) без переточных устройств (провального типа)

    по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

Эти колонны применяют, например, для выделения тяжёлой воды. Тарелки представляют собой конические щитки с углом наклона 40°. Неподвижные тарелки 4 по периферии прикреплены к корпусу колонны 1, подвижные 3 прикреплены в центре к валу 5 и вместе с ним вращаются. Вращающиеся тарелки чередуются с неподвижными. Через каждые 1,5 м по высоте вал охватывается шариковыми подшипниками 6, работающими без смазки. Для удобства монтажа колонна собрана из царг (частей / на фланцах). Флегма спускается сверху по неподвижной тарелке 4 и у центра переливается на нижележащую вращающуюся тарелку 3. Под влиянием центробежной силы флегма перемещается по вращающейся тарелке вверх до её периферии и в виде сплошной кольцевой пленки переливается на неподвижную тарелку. Пары движутся над флегмой противотоком.

В насадочных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

Насадка – тело из инертных материалов, она создана для создания большей поверхности контакта меж стекающей по ней жидкостью и поднимающимся потоком паров и интенсивного их перемешивания. Насадка выполняется обычно из коррозионно-стойкого материала (керамика, фарфор, стекло).

Насадку укладывают на тарелки, снабженные двумя отверстиями двух видов: малыми – для стока орошения (флегмы) и большими – для прохода паров. Слой насадки разбивают на несколько маленьких слоев высотой 1-1,5 м, разделяя их свободным пространством.

Чем мельче насадочные кольца, тем лучше контакт между парами и флегмой, но тем выше гидравлическое сопротивление движению паров в колонне. При некотором предельном значении нагрузки насадочной колонны, т. е. при высокой скорости паров или жидкости, может наблюдаться «захлёбывание» насадки , когда прекращается стекание жидкости и начинается её выброс из колонны. Основной недостаток насадочных колонн – образование «мёртвых» зон в насадке, через которые не проходят ни пары, ни флегма, что ухудшает контакт между массообменивающими фазами и понижает эффективность разделения.

Конструкции насадок, применяемых в промышленных аппаратах нефтегазопереработки и нефтехимии, можно разделить на две группы - нерегулярные (насыпные) и регулярные насадки.

В качестве нерегулярных (насыпных) насадок используют твердые тела различной формы, загруженные в корпус в навал. В результате в колонне образуется сложная пространственная структура, обеспечивающая значительную поверхность контакта фаз.

Среди насадок, засыпаемых в навал, широкое распространение получили кольца Рашига, представляющие собой отрезки труб, высота которых равна наружному диаметру. Низкая стоимость и простота изготовления колец Рашига делают их одним из самых распространенных типов насадок. Наряду с гладкими цилиндрическими кольцами из металла, керамики или фарфора разработаны насадки с ребристой наружной и (или) внутренней поверхностями. Для интенсификации процесса массообмена разработаны конструкции цилиндрических насадок с перегородками.


Насадка из колец Рашига (1 - отдельное кольцо; 2 - кольца навалом; 3 - регулярная насадка)

Промышленное использование в настоящее время нашла еще одна кольцевая насадка - кольца Палля. При изготовлении таких колец на боковых стенках сделаны два ряда прямоугольных, смещенных относительно друг друга надрезов, лепестки которых отогнуты внутрь насадки. Конструкция колец Палля по сравнению с кольцами Рашига позволяет увеличить пропускную способность и снизить гидравлическое сопротивление.

Насадка, известная как седла Инталлокс, является сегодня наиболее распространенной керамической насадкой. Поверхность ее представляет собой часть тора. Седла Инталлокс обладают механической прочностью, обеспечивают однородность размещения насадки и хорошее самораспределение жидкости.

В тарельчатых колоннах контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

Тарелка ректификационной колонны представляет собой горизонтальную перегородку в колонне, на тарелке находится слой стекающей по колонне жидкости (орошение), сквозь которую барботируют поднимающиеся снизу пары.

В книге Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» колонные аппараты по типу внутренних контактных устройств подразделяются на тарельчатые, насадочные и пленочные (к пленочным авторы данного издания относят аппараты, в которых фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности).

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