Конструкція тарілок ректифікаційних колон, їх порівняльна характеристика. Відбійне обладнання колон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки, молоді та спорту України

Державний вищий навчальний заклад

«Український державний хіміко-технологічний университет»

Кафедра ХТП

Контрольна робота

на тему: «Конструкція тарілок ректифікаційних колон, їх порівняльна характеристика. Відбійне обладнання колон»

Виконав:

С.М. Тимошенко

Дніпропетровськ

Введення

В ректифікаційних колонах використовують тарілки різних конструкцій (ковпачкові, клапанні, струйні, провальні), які відрізняються по свої робочим характеристикам і технічно - економічним даним. При виборі конструкції контактного пристрою учитуємось як їх гідродинамічні і масообміні характеристики, так і економічні показники роботи колони при використанні того чи іншого типу контактних пристроїв.

В наш час в промисловій практиці відомо сотні різних конструкцій тарілок, які можна класифікувати по способу передачі рідини з тарілки на тарілку, по способу взаємодії рідинної та газової фаз, по характеру диспергіровання взаємодіючих фаз, по конструкції пристрою для введення пара (газу) в рідину і ін.

Залежно від кількості потоків (зливів) тарілки поділяються на одно-, дію і багато потокові. Застосовують також багатослівні тарілки з рівномірно розподіленими по площі зливами і тарілки з каскадним розташуванням полотна.

1. Конструкції тарілок колонних апаратів

1.1 Сітчасті тарілки

Сітчаста тарілка - це плоский перфорований лист із зливними пристроями. Перфорацію виконують у вигляді круглих отворів, діаметром d = 3...4 мм і більше, з кроком і - (З...5) d. Площа отворів залежно під продуктивності тарілки по парах становить від 8 до 30 % від площі перерізу колони.

Опис схема роботи сітчастої тарілки із зливними пристроями: потік парів, що рухається знизу вверх, пройшовши через отвори на тарілці, ділиться на дрібні струмені. Напором цих струменів на тарілці підтримується шар флегми, через який барботують пари. Висота шару рідини тим більша, чим більший напір парів. Зливні пристрої регулюють так, щоб не допустити підняття рівня рідини на тарілці вище від розрахункового і звичайно це 30...100 мм).

Для розділення середовищ з підвищеною корозійною агресивністю або забрудненістю найкраще застосовувати тарілки з отворами великого діаметра (20...25 мм).

Решітчаста тарілка складається з окремих секцій, закріплених на балках каркасу планками та болтами. У секціях тарілки розташовані прямокутні прорізи, розміром 4x140 мм. Крок між прорізами визначають розрахунковим шляхом, враховуючи умову, щоб сумарна площа прорізів відповідала навантаженню тарілки по рідині та парах. Звичайно площа прорізів становить 10...30 % площі всієї тарілки. На двох суміжних тарілках прорізи, як правило, виконують вздовж взаємно перпендикулярних напрямків. Стандартні тарілки діаметром 1000...2400 мм мають ширину прорізів 4 та 6 мм, крок від 8 до 36 мм. На рис. 1.1 зображена одна з секцій решітчастої тарілки. Секції встановлюють на металевий каркас, приварений до корпусу колони, і кріплять до нього болтами. Щільність з'єднань забезпечується встановленням прокладок.

Рис 1. Секція решітчастої тарілки.

Важливим для тарілок цього типу є горизонтальність її зміщення. Відхилення положення тарілки від горизонтального не повинно ні вищувати 1/1000 діаметра, тобто не більше 3 мм для колони з діаметром 3000 м.

Тарілка Кіттеля провального типу складається з верхньої та нижньої решіток, розташованих на відстані 200...300 мм одна від одної. Кожна з решіток поділена на шість однакових секторів з отворами, нахиленими під кутом до площини сегмента.. Ці отвори забезпечують направлений рух рідини на тарілці. Направлене певним чином положення отворів на секторах тає змогу створити на верхній решітці відцентровий, а на нижній - радіальний ( в напрямку до центра) рух рідини. Тарілка провального типу не має спеціальних переливних пристроїв, і рідина з тарілки на тарілку перетікає через отвори в решітці. На відміну від звичайних провальних тарілок на тарілках Кіттеля перетік рідини здійснюється організовано: на верхній решітці рідина провоюються через отвори, розміщені на периферії, а на нижній - через отвори в центрі диска. Така орієнтація зливу рідини значно покращує гідродинамічну обстановку на тарілці і знижує загальний гідравлічний опір тарілки.

З метою покращення масообміну на тарілці Кіттеля звичайно встановлюють крашіевідбійні решітки із збільшеним діаметром отворів. На цій решітці газовий потік направляється у відцентровому напрямку, протилежному до верхньої решітки.

На переливній тарілці Кіттеля перетікання рідини з решітки на решітку та з тарілки на тарілку здійснюється через кільцеві та центральні зливні стакани, які забезпечують рівномірний злив рідини. Для створення гідро-затвора в зливних кишенях та рівномірного розподілу рідини на контактні елементи в нижній частині вертикальних перегородок виконано ряд прямокутних щілин.

Цей різновид сітчастих тарілок був розроблений фірмою Юніон Карбайд Корпорейшн. Вони забезпечують вищу продуктивність масообміні апаратури завдяки новому підходу до розміщення і конструювання зливних пристроїв. На цих тарілках зливні кишені на відміну від класичного варіанта закінчуються в межах міжтарілчастого сепараційного простору, що дозволяє збільшити ефективність використання поперечного перерізу абсорбційної та ректифікаційної апаратури.

Тарілки цього типу (рис. 2) - це різновид решітчастої тарілки провального типу. Хвиляста форма полотна цієї тарілки надає її підвищену жорсткість, що дає можливість застосовувати її у колонах великих діаметрів без застосування опорних балок. Крім цього, колона з таким типом тарілок може працювати у ширшому діапазоні навантажень, ніж звичайна решітчаста тарілка.

Рис. 2. Схема роботи хвилястої решітчастої тарілки.

Злив рідини в них проходить через отвори у нижній частині впадин завширшки 3...7 мм. Сумарна площа отворів на тарілках становить 15...30 % від перерізу колони. Із збільшенням навантаження по рідині висоту хвиль збільшують з 18...38 мм до 38...64 мм. Хвилі на сусідніх тарілках розташовують хрест-навхрест.

У загальному всі ситчасті та решітчасті тарілки характеризуються:

- незначною питомою витратою металу (40...60 кг/м² перерізу колони),

- низьким гідравлічним опором (15...40 мм вод. ст. на одну тарілку);

- великим вільним перерізом колони (до 40 % і вище);

- невеликою відстанню між тарілками (80...300 мм);

- малою чутливістю до перевантажень;

- низькою чутливістю до забруднень, що дозволяє збільшити періоди між чищеннями.

Решітчасті тарілки застосовують для чіткої та надчіткої ректифікації оскільки їх конструкція дає змогу зменшити загальну висоту апарата їм W...50 %.

1.2 Масообміна комбінація

Масообмінні комбінації - це комбінована ситчаста або клапанна тарілка з грубою вертикальною насадкою та відбійником (рис. 3). Насадка знаходиться на певній відстані від активної поверхні. Насадка складається з зигзагоподібних просічних полос з великим вільним об'ємом між ними. Відбійник складається з декількох шарів просічного листа, що знаходяться безпосередньо над вертикальною насадкою, і перекриває весь вільний переріз колони. Всі внутрішні пристрої складаються з сегментів і можуть монтуватися через люк-лаз діаметром 500 мм.

Рис 3 Принципова схема масо обмінної комбінації: 1 - клапанна тарілка; 2 - пластинчата насдка4 3 - відбійник.

На відміну від попередніх конструкцій тарілок, в масообмінній комбінації для масообміну використовується не тільки поверхня тарілок, а і між тарілковий простір. Додаткові поверхні масообміну створюють насадка та відбійник, оскільки частина насадки знаходиться у зоні спіненої рідини Відбійник у цій конструкції призначений для запобігання виносу крапель рідини на наступну тарілку.

Струменеві тарілки створюють прямотечійний рух фаз у межах всієї тарілки або нкремих її ділянок при високих швидкостях руху парів.

У ряді випадків на струменевій тарілці встановлюють поперечні пере городки. У перегородках біля полотна тарілки виконують щілину заввишки 10...15 мм для проходу рідини. Перегородки секціонують потік рідини, прокрашують контакт та створюють необхідний запас рідини на тарілці.

Одним з різновидів ступеневих тарілок є кільцеві або тангенціальні тарілки. На таких тарілках просічки орієнтовані тангенціально, і пари, виходячи з них, передають рідині круговий рух. Під дією напору та відцентрових сил рідина рухається від центра до периферії. З кругового зливу на периферію рідина надходить по перетічних трубах на центральну частину розташованої нижче тарілки.

До ступеневих належать також пластинчасті тарілки, полотно яких складається з набору похило розташованих пластин.

Тарілки жалюзійного типу встановлюють в екстракційних та ряді інших колон. Вони складаються з секцій, які спираються на капкас з пластин-балок та розпірних стрижнів. Секція складається з пластин (жалюзі), які встановлені під кутом, та дистанційних ребр.

Каскадні тарілки застосовуються у колонах з діаметром 1,2…3,0 м для вилучення етану та інших легких вуглеводнів з природного газу. Вони забезпечують питому продуктивність на 30...50 % більшу, ніж ковпачкові. Крім цього, їх легко монтувати та демонтувати. Ця тарілка, розроблена в 1943 р. в США - це ступінчаста система S-подібно вгнутих жолобів з вертикальними перегородками - решітками. По цим жолобам стікає рідина, створюючи декілька каскадів. На кожному жолобі стікаючу рідину підхоплює струмінь парів, що надходять з тарілки, розташованої нижче. При цьому утворюється піноподібла маса, яка, вдаряючись до вертикальних перегородок, сепарується і перетікає у наступний жолоб, де процес повторяється. Пройшовши останній каскад, рідина через зливний стакан перетікає на тарілку, розташовану нижче. Вертикальні решітчасті перегородки наверху загнуті, що покращує сепарацію краплин рідини.

Конструктивне виконання масообміні тарілки для забруднених систем відрізняється такими особливостями:

- затворний сегмент має значний нахил щодо стінки колони;

- активна поверхня тарілки дещо нахилена в бік зливу, сегментні стики виконані ступінчасто із зниженням в бік зливу; площина активної поверхні знаходиться нижче ніж рівень приливної кишені;

- зливна кишеня має заокруглену нижню кромку;

- несучі балки виконані у вигляді плоских конструкцій з орієнтацією паралельно до потоку рідини;

- опорне кільце замінено на опорні консолі.

Всі ці конструктивні особливості тарілок цього типу запобігають утворенню мертвих та застійних зон, а також забезпечують спінювання на периферійних зонах тарілки. Відтак істотно зменшується кількість відкладів на активній поверхні тарілки. Тарілки для забруднених систем знайшли широке застосування при конструюванні ректифікаційних колон для нафтопереробної промисловості.

Найважливішими особливостями тарілки, для систем, що піняться є:

- використання ступеневих направлених клапанів для зниження висоти піни на тарілці та розширення діапазону її нормальної роботи;

- заокруглений або хоча б похилий вхід в зливну кишеню дня зниженім захоплення газової фази з тарілки в кишеню разом з спіненою рідиною,

- конічне виконання входу у зливну кишеню для забезпечення сприятливих умов дегазації рідини, яка надходить у неї;

- зливний поріг знаходиться на активній поверхні для забезпечення дегазації рідкої фази перед попаданням в зливну кишеню;

- наявність заспокійливої зони в районі зливного порогу для недопускання захоплення газу рідиною безпосередньо перед входом у зливну кишеню.

Тарілки цього типу за рядом ознак аналогічні сітчастим або клапанним тарілкам: вони мають перфоровані пластини для покращання контакту рідини та парів, а також зливні кишені для переносу рідини з кожної верхньої тарілки на нижню. Крім цього, вони мають додаткові отвори у зоні зливних кишень, в результаті цього площа парорідинного контакту значно збільшена.

У колонах з тарілками «Най» площа, необхідна для розділення легкої піни, збільшується: пари надходять у контактну зону не тільки через основну перфоровану частину прийомної панелі, але і через додаткові отвори в пластині, яка знаходиться у нижній частині зливної кишені Тарілки «Най» встановлюють в колонах, які працюють при середньому або високому тиску та високій витраті рідкої фази, зокрема в колонах для розділення газових сумішей або сумішей ароматичних вуглеводнів. У багатьох колонах тарілки «Най» встановлюють у зонах циркуляційного зрошення, де навантаження по рідині є максимальним.

У цих тарілок частина сітчастих отворів замінено на клапанні елементи, що мають спеціально спрямовану орієнтацію. При цьому співвідношення площі сітчастих отворів до площі отворів під клапани, розміщення клапанів на активній поверхні та напрям їх орієнтації є елементами конструктивної варіації нової тарілки, що дає можливість припасовувати її до різних умов розділення сумішей. Так, наприклад, при високих вимогах до ефективності розділення, можливі зміни напрямку орієнтації клапанів від сегмента до сегмента під гострим кутом до потоку рідини. Крім цього, існує можливість коректування напрямку потоку поблизу стінки колони. За рахунок цього збільшується час контакту між газовою та рідкою фазами, інтенсифікується масообмін та знижується провал у периферійних зонах. Таким чином, в тарілках даного типу поєднано підвищену продуктивність прямотечійних клапанних та високу ефективність сітчастих тарілок. Тарілки з перфорованими клапанами успішно використовують як для конструювання нових колон, так і для реконструкції діючих. У випадку реконструкції заміні підлягають лише рухомі елементи - клапани; опорні балки, полотна тарілок та зливні пристрої не заміняють, що суттєво знижує затрати на конструкцію. Ситчасто-клапанні тарілки мають порівняно низький гідравлічний мир при високій продуктивності. На відміну від сітчастої тарілки на сітчастого-клапанних тарілках створюються кращі умови проходження потоків через активну поверхню.

Тарілки Бентурі (рис. 4) - це вдосконалені каскадні тарілки. Вони складаються з похилих паралельних лопаток 1, які змінюють напрям потоку парів з вертикального на горизонтальний. Напрям руху рідини на тарілці збігається з напрямом потоку парів, що дозволяє використовувати їх кінетичну енергію для переміщення рідини у напрямку зливу та дещо знизити гідравлічний опір. Для сепарації рідини на тарілках встановлені решітчасті перегородки 2. На тарілках забезпечується інтенсивний контакт фаз, що підвищує їх коефіцієнт корисної дії (ККД).

Рис 4 Схема тарілки Бентурі.

Колони з тарілками Бентурі добре зарекомендували себе на установках виробництва ацетону, фенолу, спиртів, жирних кислот. Допустима швидкість парів на цих тарілках більша, ніж на ковпачкових майже вдвічі. Відстань між тарілками -- 460...910 мм.

Тарілка працює так: рідина по зливних трубах перетікає в контактні елементи, розташованої нижче. Газ, що проходить через щілини у лопатевому завихрювачі, набуває обертового руху, розбризкує рідину та відкидає її на сепараційну обичайку. За рахунок відцентрової сили відбувається відділення рідини від газу. Рідина через отвори в сепараційній обичайці перетікає в міжелементний простір і потім по трубах - на тарілку, розташовану нижче. Вони мають вдвічі - тричі вищу продуктивність, ніж тарілки барботажного типу. Ефективність розділення у всьому діапазоні навантажень практично постійна і становить 60 %. Гідравлічний опір швидкісних тарілок дещо вищий, ніж у барботажних. Він змінюється в межах 800...2000 Па.

На кожній тарілці розташовано декілька контактних пристроїв, кожен з яких складається із зовнішнього 6 та внутрішнього 7 концентричних конусних патрубів. Зверху вони перекриваються напрямним конусом 5. Пари проникають через внутрішній патрубок 7, інжектуючи рідину, яка підсмоктується по кільцевому каналу між конусними патрубками. Швидкість газу (пари) в зазорі тип контаактного пристрою може досягати значних величин - до 50 м/с. Підхоплена струменем газу рідина диспергується, а при виході із зазору частина рідини випарується і повертається на тарілку. Для зливу цієї рідини призначені перегінна труба 2 та перетічна кишеня 3. Краплини рідини, що не випали, потрапляють у відцентровий сепаратор 4, Він примушує газовий (паровий) потік здійснювати обертові рухи. Сепаратор складається з декількох пластин, що мають форму сектора. Пластини з'єднуються в центрі колони і розміщені під невеликим кутом до горизонту. Вони частково перекривають одна одну, занурюючи зазори. Периферійна частина пластин прилягає до кишені 1 для забору відсепарованої рідини. Виділення краплин рідини відбувається за рахунок дії відцентрової сили, яка виникає під час обертового руху потоку пари.

Рис 5. Тарілка з з інжекційними контактними пристроями.

1.3 Тарілки з круглими ковпачками, жолобчатими та тунельними ковпачками

Круглі або капсульні ковпачки стандартної конструкції мають діаметр 80, 100 і 150 мм. Ковпачки меншого розміру застосовують у колонах невеликих діаметрів. Ковпачки на тарілках розташовують у вершинах рівносторонніх трикутників з кроком від 1,3 до 1,9 діаметра ковпачка. При більших відстанях між ковпачками збільшується поверхня рідини, яка не бере участь в барботажі. При менших відстанях починають контактувати парові струмені з суміжних ковпачків. Ковпачки тарілки виготовляють штампованими з вуглецевої сталі завтовшки 2...4 мм або легованої сталі завтовшки 1,5...2,0 мм, а також вилитими з чавуну, завтовшки 5 мм. У деяких випадках ковпачки виконують з алюмінієвих сплавів, пластичних мас, кераміки. По периметру ковпачка для проходу парів передбачають 20...40 прорізів, завширшки 3,0...12,5 мм і заввишки 25,32 та 38 мм для ковпачків діаметром 80,100 і 150 мм, відповідно. Патрубки для стальних тарілок виготовляють з безшовних труб.

В недалекому минулому тарілки з жолобчастими та тунельними ковпачками були чи не найбільш розповсюдженим в масообмінних колонних апаратах. В деяких ректифікаційних колонах тарілки жолобчастими ковпачками встановлені ще і зараз. Тарілки виконані однопотоковими при діаметрі апаратів 1000...3400 мм та двопотоковими при більших діаметрах.

До переваг жолобчастих ковпачкових тарілок слід віднести:

- можливість достатньо швидкого монтажу тарілки, заміни ковпачків або жолобів під час проведення ремонтних робіт;

- можливість монтувати п'ять-шість тарілок через один люк, що зменшує кількість люків у колоні;

- порівняно висока жорсткість тарілок дозволяє застосовувати їх у колонах з діаметрами до 3,0 м без проміжних опор (однозливні) в апаратах з діаметром до 6,0 м з однією проміжною опорою (двозливні).

До недоліків жолобчастих ковпачкових тарілок належать:

- порівняно висока питома витрата металу (140... 160 кг на 1 м² перерізу колони);

- малий корисний переріз колони (9...11 % від загального перерізу);

- порівняно високий гідравлічний опір (120...150 мм вод. ст. на одну тарілку);

- чутливість до забруднень та осадів під час перероблення забруднених продуктів та продуктів, що полімеризуються;

- чутливість до перевантажень та нерівномірності подачі сировини.

2. Відбійні пристрої

У ректифікаційних колонах для відділення крапель рідини від парів над вводом сировини і у верхній частині колони встановлюють відбійні пристрої. Відбійні пристрої (або відбійним) - це звичайні конструкції лабіринтного типу, виконані з пластин, кутників, дротяної сітки, кінець або іншої насадки.

Робота відбійника поділяється на дві стадії: при проходженні потоку рідини через відбійник крапля рідини виділяється з потоку внаслідок зіткнення з поверхнею елементів, а потім відводиться з цієї поверхні. У ряді конструкцій (відбійники з організованим відводом рідини) передбачені спеціальні пристрої для відводу рідини. Відбійні пристрої працюють ефективно лише при швидкостях парів, що не викликають режиму захлинання, при якому рідина затримується на відбійнику і починається винос парами її крапель. Конструкція відбійника характеризується двома показниками: часткою вільного перерізу і питомого поверхнею (поверхнею, що знаходиться в одиниці об'єму). Збільшення частки вільного перерізу відбійника підвищує його продуктивність, а збільшення питомої поверхні покращує сепарацію крапель.

На рис. 6 показано деякі конструкції відбійників, що використовуються в ряді діючих ректифікаційних колон. Конструкції їх відрізняються порівняно невеликою часткою вільного перерізу і можуть ефективно працювати тільки при невеликій швидкості. Для установок високої продуктивності застосовувати такі відбійники недоцільно.

Ці відбійники мають частку вільної і перерізу до 97 %. Значна поверхня контакту забезпечується збільшення кількості сіток у пакеті. Сітку виготовляють з дроту, діаметром блюми 0,25 мм з сталі 12Х18Н10Т, а потім гофрують. Висота гофрів становить близько 10 мм. Отже, пакет з 10-15 шарів сітки має висоту 100...150 мм. Звичайні відбійники збирають з окремих секцій, які встановлюють на каркас із балок.

Рис. 6. Схеми секцій відбійників: а) - пластинчастої; б) - кутниковох; в) - жалюзійної.

Висновки

конструкція тарілка колонний апарат

В наш час в промисловій практиці відомо сотні різних конструкцій тарілок, які можна класифікувати по способу передачі рідини з тарілки на тарілку, по способу взаємодії рідинної та газової фаз, по характеру диспергіровання взаємодіючих фаз, по конструкції пристрою для введення пара (газу) в рідину і ін.

Основними контактними пристроями колонних апаратів масообмінних процесів являються тарілки.

До тарілок ректифікаційних та інших типів колон висувають такі вимоги: вони повинні забезпечувати хорониш контакт між рідиною та парою, мати малий гідравлічний опір, ефективно працювати при значних коливаннях витрат парової та рідкої фаз.

Тарілчасті контактні пристрої ректифікаційних і абсорбційних коном класифікують залежно від кількості потоків, типу та конструкції контактних елементів, характеру взаємодії фаз у зоні контакту, організації переливу рідини та інших ознаках.

Література

1. Кузнецов А. А. Розрахунки основних процесів і апаратів переробки вуглеводневих газів [Текст] / А. А. Кузнецов, Є. Н. Судаков. - М.: Хімія, 1984 - 223с.

2. Галиаскаров, Ф. М. Программа расчета процесса ректификации нефтяных смесей в сложных разделительных системах (SKAF) [Текст] Ф. М. Галиаскаров, А. Быстров // Проблемы научно-технического обеспечения нефтеперераб. и нефтехим. комплекса: тезисы докладов научно-практической конференции. - Уфа, 1999. С. 13-14.

3. Рудин М. Г. Карманный справочник нефтепеработчика [Текст] / М. Г. Рудин - Л.: Химия, 1989. - 464 с.

4. Справочник коксохимика. Т. 1-6. С.: Металлургия. 1964.

5. Скобло А. І. Процеси і апарати нафтопереробки і нафтохімії [Текст] / А. І. Скобло, К. Ю. Молоканов і др. - М.: недра, 2000. - 440 с.

6. Гуменецький В. В. Процеси та обладнання нафтопереробних заводів [Текст] / В. В. Гуменецький - Львів: «Львівська політехніка». - 2003. - 440с.

7. Вихман Л. Г. Основи конструкції апаратів і машин нафтопереробних заводів [Текст] / Л. Г. Вихман, С. А. Круглов // Підручник. - 2-ге вид. - М.: Машинобудівництво, 1978. - 326с.

8. Шерстобитова Р. Т. Колонна атмосферной перегонки нефти [Текст] / Р. Т. Шерстобитова, Е. В. Бессарабова // материалы 54 Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученных Уфимского государственного нефтяного технического университета. - Уфа, 2003. - С. 263.

9. Креймер, М. Л. Современная технология и конструкция колонны атмосферной колонки нефти [Текст] / М. Л. Креймер, М. А. Берковский, В. В. Гафнер // Тезисы докладов научно-практичной конференции. - Уфа, 1999. - С. 6-7.

10. Топільницький П.І. Колонні апарати в нафтопереробці та нафтохімії [Текст] / П. І. Топільницький, О. Б. Гринишин - Л.: «Львівська політехніка», 2006 - 71с.

Размещено на Allbest.ru