Колонные аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Колонные аппараты

Колонные аппараты применяют для процессов ректификации, абсорбции, мокрой очистки газов для некоторых химических процессов, т.е. для процессов взаимодействия между жидкой и газовой фазой. Обеспечение хорошего контакта между жидкостью и газом (паром) достигается за счет применения устройств, заставляющих газ многократно барботировать через жидкость; применения насадки, по которой стекает жидкость, смываемая газом; распыления жидкости в потоке газа, а также за счет использования центробежной силы. В соответствии со способом обеспечения контакта между жидкостью и газом различают барботажные (тарельчатые), насадочные, распылительные колонны аппараты механического типа.

Жидкость и газ, как правило, движутся противотоком, хотя имеются аппараты, в которых осуществляется прямоточное движение. Выбор типа колонного аппарата определяется условиями процесса, расходами жидкости и газа, давлением, температурой, коррозионными свойствами продуктов, наличием загрязнений и т.д. Обычно для процессов ректификации применяют тарельчатые колонны, а для абсорбции - насадочные. Основные элементы тарельчатых и насадочных колонн нормализованы. Нестандартные колонные аппараты используют сравнительно редко.

Высоту и диаметр колонных аппаратов определяют на основании технологических, тепловых и гидродинамических расчетов. Обычно они представляют собой вертикальные устройства большой высоты и сравнительно малого диаметра. Колонны имеют круглую форму. Ректификационные и абсорбционные установки, как правило, представляют собой сложные агрегаты, в которых колонна связана с рядом вспомогательных аппаратов: кубами, кипятильниками, различными теплообменниками, сепараторами и т.д.

Колонны больших размеров обычно устанавливают под открытым небом. Трубопроводы, обслуживающие площадки и вспомогательное оборудование, крепятся, как правило, к корпусу колонны. На верхнюю площадку крепят кран - укосину для монтажных и ремонтных работ.

На колоннах монтируют много контрольно-измерительных приборов для измерения давления, температуры, состава смеси и т.д. На линиях ввода и вывода жидкости на колонны обязательно устанавливают гидравлические затворы, препятствующие проходу газа через жидкостные патрубки. Затворы выполняют в виде U - образных участков трубопроводов или поперечных перегородок перед штуцерами. Колонны работают обычно при атмосферном давлении, вакуумные и под повышенным давлением менее распространены.

Температурные пределы применения колонных аппаратов довольно велики: от - 190 ⁰ в установках глубокого холода, до 350 - 400 ⁰С.

Классификация колонных аппаратов

Определяющей характеристикой массообменной аппаратуры является состояние межфазной поверхности. В соответствии с этим в основу классификации аппаратуры, предназначенной для проведения процессов массопередачи, положен принцип образования межфазной поверхности. Диффузионные аппараты классифицируются на группы:

1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта;

2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков;

3) аппараты с внешним подводом энергии.

В соответствии с приведенной классификацией наиболее типичные широко применяемые в промышленности аппараты распределяются по группам, указанным в табл. 1.

Конструкции массообменных аппаратов предъявляются следующие основные требования: дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, максимально развитая поверхность контакта между фазами и эффективность передачи массы вещества из одной фазы в другую, устойчивость режима в широком диапазоне нагрузок, максимальная пропускная способность по паровой (газовой) и жидкой фазе, минимальное гидравлическое сопротивление, прочность конструкции и долговечность.

Таблица 1 - Классификация теплообменников

Тарелки провального типа

К провальным относятся тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15 - 30 %. 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.

Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимися со скоростью 14 - 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30 %.

Ситчатые тарелки представляют собой лист с пробитыми в нем круглыми или щелевидными отверстиями диаметром (шириной) 3 - 10 мм (рисунок 130). Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях принимают 10 - 12 м/с. Разновидностью ситчатых тарелок являются провальные решетчатые, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу пару. Отверстия в провальных тарелках несколько крупнее, чем в ситчатых.

Весьма интересной является волнистая решетчатая тарелка. Волны придают тарелке повышенную жесткость, что дает возможность применять ее при большом диаметре колонны без опорных балок.

Рисунок 1 - Форма отверстий в ситчатых тарелках: а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные

Ситчатые и решетчатые тарелки просты по конструкции и эффективны. Недостатком их является необходимость точного регулирования заданного режима (особенно по расходу газа) и чувствительность к осадкам и отложениям, забивающим отверстия.

Для увеличения производительности и эффективности тарелок провального типа необходимо в первую очередь обеспечить равномерное распределение потоков по сечению колонны. Для этого предлагается предусмотреть гофрированную поверхность тарелок, наподобие ситчатых волнистых тарелок (рисунок 1б) или тарелок из просечного листа с кромками отверстий или щелей, отогнутыми в одну или в разные стороны (рисунок а). Поверхность тарелок может быть и ступенчатой (рисунок 1в). Экспериментальное определение основных характеристик указанных конструкций показало, что производительность их примерно в 2 раза выше производительности обычных решетчатых тарелок при несколько лучшей или одинаковой эффективности разделения; такие тарелки создают небольшое гидравлическое сопротивление и на них удерживается небольшой слой вспененной жидкости.

Равномерное распределение потоков на противоточном контактном устройстве типа ситчатой тарелки предлагается осуществлять секционированием ее на отдельные ячейки с применением в каждой ячейке своего переливного устройства, не доходящего до нижележащей тарелки (рисунок 2г). Контакт пара и жидкости на подобных устройствах осуществляется одновременно в барботажном слое у основания тарелки и в стекающих струях. Гидравлический затвор обеспечивается столбом жидкости, вытекающей через щели внизу переливного устройства.

Аналогичные конструкции (рисунок д) применяются также за рубежом, главным образом в колоннах для разделения углеводородных газов, где производительность лимитируется жидкостными нагрузками. Экспериментальные исследования и опыт эксплуатации подобных конструкций показали их высокую эффективность, а сравнительные расчеты - предпочтительность их применения по сравнению с обычными конструкциями переливных тарелок в условиях разделения при повышенных жидкостных нагрузках. колонный диффузионный массообменный аппарат

Рисунок 2 - Усовершенствованные конструкции тарелок провального типа: а) с отогнутыми кромками щелей; б) с гофрированной поверхностью; в) со ступенчатым расположением листов; г) с двумя зонами контакта; д) с большим количеством переливов

Для равномерного распределения потоков по сечению решетчатых тарелок и, следовательно, для увеличения их эффективности делают щели разной ширины, а располагают их неравномерно по сечению колонны. На тарелках со щелями разной ширины при малых нагрузках по газу будут работать главным образом узкие щели; по мере увеличения нагрузки в работу будут включаться остальные щели. Очевидно, вопросы конструирования провальных тарелок большого диаметра с точки зрения равномерного распределения потоков по сечению колонны должны решаться в результате испытания контактного устройства натуральной величины на специальных стендах на системе вода - воздух.

Значительное улучшение эксплуатационных характеристик решетчатых и ситчатых тарелок провального типа достигается путем установки на большинстве (70 - 80 %) щелей или отверстий клапанов прямоугольной или круглой формы. Излучение разделительной способности колонн с провальными тарелками обычной конструкции, имеющими клапаны, показало, что производительность, эффективность и диапазон их устойчивой работы увеличиваются от 20до 50 % при небольшом увеличении гидравлического сопротивления (от 20 до 40 мм вод. ст.).

Решетчатые тарелки провального типа целесообразно устанавливать в колонне вместе с перераспределителями жидкости, из расчета один перераспределитель через каждые 8 - 10 тарелок, при этом, чем больше диаметр колонны, тем меньше число тарелок должно быть между перераспределителями.

Высокую производительность и низков гидравлическое сопротивление имеют также тарелки, образованные из вертикально установленных металлических полос небольшой высоты. Подобные конструкции успешно применяются в вакуумных колоннах, а также при очистке и промывке газов.

Наиболее эффективные, надежные и в то же время простые конструкции контактных устройств будут созданы путем комбинирования рассмотренных выше способов улучшения конструкций решетчатых и ситчатых тарелок провального типа и тарелок с переливами.

Размещено на Allbest.ru