Классификация и конструкция теплообменного, реакторного, колонного и ёмкостного оборудования (стр. 2 )

В вакуумных колоннах давление ниже атмосферного (создано разрежение), это необходимо, чтобы снизить рабочую температуру процесса и избежать разложения продукта (разделение мазута, производство стирола, синтетических жирных кислот и др.). Величина остаточного давления в таких колоннах определяется физико-химическими свойствами разделяемых продуктов и главным образом допустимой максимальной температурой их нагрева без заметного разложения.

В колоннах, работающих под давлением, величина последнего может значительно превышать атмосферное (колонны ГФУ, стабилизаторы, абсорберы и др.). Технологическое назначение колонны определяют как рабочие параметры процесса, так и особенности работы контактных устройств (паровые или газовые и жидкостные нагрузки, возможность отложения твердых осадков и т. п.), а также конструктивного оформления основных узлов колонн. В этой связи различают колонны атмосферных и атмосферно-вакуумных установок разделения нефти и мазута, колонны установок вторичной перегонки бензинов, каталитического крекинга, установок газоразделения, установок регенерации растворителей при депарафинизации масел и др.

По типу устройств для контактирования пара (газа) и жидкости различают насадочные, тарельчатые и пленочные колонные аппараты.

На рис. 1 даны принципиальные схемы колонных аппаратов основных типов. Области применения различных контактных устройств, а также их разнообразных конструктивных модификаций определяются свойствами разделяемых смесей, применяемым рабочим давлением, нагрузками по пару (газу) и жидкости и т. п.

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

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

В пленочной колонне фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности.

В нефте - и газопереработке в основном применяются тарельчатые колонны. Однако в последние годы в связи с созданием эффективных насадок возрос интерес и к насадочным колоннам, особенно это относится к вакуумным процессам, приобретающим в этом случае ряд положительных характеристик: низкое гидравлическое сопротивление, малая задержка жидкости, высокая эффективность в широком интервале изменения нагрузок по пару (газу) и жидкости и др.

Схемы основных типов колонных аппаратов

Рис. 1

а - насадочный; б - тарельчатый; в - пленочный; 1 - стенка корпуса; 2 - распределитель; 3 - ограничительная решетка; 4 - насадка; 5 - опорная решетка; 6 - тарелка; 7 - переточное устройство; 8 - жидкостная пленка; п - пар; ж - жидкость

2.1.2. Насадочные колонны

До недавнего времени насадочные колонны применялись в основном для малотоннажных производств, где они имели безусловные преимущества перед тарельчатыми колоннами. Благодаря созданию в последние годы новых типов насадок (кольца Палля, из просечного металла, из сеток, применение специальных способов укладки насадочных тел и т. п.) создались перспективы применения некоторых типов насадок для многотоннажных производств (вакуумная ректификация мазута, газоразделение и др.). Особенно перспективным представляется применение насадок для вакуумных процессов, так как тарельчатые устройства в этих условиях не всегда могут обеспечить низкое гидравлическое сопротивление при достаточно эффективном контакте взаимодействующих фаз.

2.1.3. Основные типы насадок

В качестве насадок используют твердые тела различной формы, изготовленные из металла, керамики, пластмасс и т. п., которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. В результате образуется сложная пространственная структура с развитой поверхностью, благодаря чему обеспечивается значительная поверхность контакта фаз.

В настоящее время созданы многочисленные конструктивные модификации насадок, некоторые типы которых приведены на рис. 2.

Схемы насадок различных типов

Рис. 2

насадки 1-12

Кольца: 1 - керамические Лессинга; 2 - с крестообразными перегородками; 3 - керамические Палля; 4 - металлические Лессинга; 5 - металлические Палля; 6 - Борад с двойной сеткой. Седла: 7 - Берля; 8 - Инталлокс. Сетчатые насадки: 9 - Матилфил; 10 - сетка для насадок Матилфил и др.; 11 - Спрейпак; 12 - Зульцер.

Среди насадок, засыпаемых внавал, широкое распространение получили кольца Рашига из различных материалов, обеспечивающие универсальность практического использования. Эти кольца имеют одинаковые диаметр и высоту, но различную толщину стенки. По сравнению с другими насадками кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением.

Рис. 2

насадка 13 сетка для насадки Зульцер и схема движения потоков пара и жидкости в насадке

Рис. 2

насадки 14, 15

14 - Гудлоу; 15 - Стедмана

Созданные в последние годы различные модификации колец (с крестообразной перегородкой, Палля и др.) позволили получить лучшие показатели по производительности, эффективности и сопротивлению, чем у колец Рашига.

Для вакуумных процессов были созданы насадки с низким гидравлическим сопротивлением, это различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, насадки, представляющие собой сетки из просечно-вытяжного листа и т. п.

Рис. 2

насадки 16, 17

16 - пакетная; 17 - складчатый кубик

На рис. 3 приведены различные варианты регулярной укладки колец.

Способы регулярной укладки колец в контактных аппаратах

Рис. 3

а - шахматный порядок со сдвигом на полдиаметра кольца; б - то же со сдвигом на диаметр кольца; в - то же со сдвигом на толщину стенки, кольца и изменением направления сдвига по зигзагообразной спирали

Основными конструктивными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный объём.

Удельная поверхность насадки f – это суммарная поверхность всех насадочных тел в единице занимаемого насадкой объёма аппарата. Удельную поверхность обычно измеряют в м2/м3. Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше ее эффективность, но ниже производительность и больше гидравлическое сопротивление.

Под свободным объемом насадки e понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема, занимаемого насадкой. Свободный объем измеряют в м3/ м3 . Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность и меньше гидравлическое сопротивление, однако при этом снижается и эффективность работы насадки.

С увеличением размеров насадочных тел увеличивается производительность и снижается гидравлическое сопротивление, но одновременно уменьшается эффективность.

Насадку укладывают на опорно-распределительные решетки или плиты, некоторые конструкции которых приведены на рис. 4. Свободное сечение этих устройств должно быть по возможности больше и приближаться по величине к свободному объему насадки, а размеры отверстий должны быть максимальными, исключающим проваливание насадочных тел. Применение различных сеток и перфорированных плит с мелкими отверстиями в качестве опорной конструкции под насадку должно быть исключено, так как подобные устройства приводят к преждевременному захлебыванию колонны.

Виды опорно-распределительных плит для насадочных колонн

Рис. 4

а - колпачкового типа; б - волнистая из просечного листа; в - сетчатого типа

Чтобы исключить перемещение элементов насадки при работе колонны, насадку закрепляют сверху колосниковыми решётками с большим свободным сечением.

Загрузку насадок внавал осуществляют одним из способов, приведённых на рис. 5, из которых наилучшее качество распределения жидкости по сечению колонны обеспечивает вариант, показанный на рис.5 в.

Схемы способов засыпки насадки в колонну

Рис. 5

1 - слой, засыпанный по центру колонны; 2 - слой, засыпанный от стенок колонны; 3 - дополнительная засыпка до горизонтального уровня

Чтобы уменьшить растекание жидкости к стенкам колонны, насадку делят по высоте на отдельные секции высотой от 1,5 до 3 м, между которыми устанавливают распределительные устройства различных конструкций.

Колонны диаметром до 150 мм, заполненные насадкой внавал, могут орошаться из единичного источника. Для колонн большего диаметра применяются оросители с большим числом источников орошения: для неупорядоченных насадок 15—30 на 1 м2 сечения колонны, для упорядоченных 35—50.

Эффективность работы насадки в значительной степени зависит от смачиваемости поверхности элементов насадки жидкостью. Чтобы улучшить смачиваемость элементов насадки и повысить ее эффективность, их подвергают специальной обработке.

2.1.4. Гидравлические условия работы насадочных колонн

В насадочной колонне потоки пара (газа) и жидкости взаимодействуют в противотоке. В зависимости от нагрузок колонны по пару (газу) G и жидкости L изменяется характер этого взаимодействия, проявляющийся в различных гидродинамических режимах.

При малых нагрузках взаимодействие между фазами незначительно, жидкость смачивает поверхность насадочных элементов, сопротивление насадки пропорционально сопротивлению сухой насадки. Это так называемый пленочный режим.

При дальнейшем увеличении скоростей потоков контактирующих фаз возрастает трение между ними, происходит торможение потока жидкости и увеличивается количество жидкости Но, удерживаемой в насадке. Этот режим характеризуется как начало подвисания жидкости и принимается в качестве нижнего предела устойчивой работы колонны. При больших жидкостных нагрузках этот режим выявляется не всегда четко. Сопротивление насадки в режиме подвисания пропорционально скорости пара в степени 3-4. Интенсивность массопередачи в этом режиме сильно возрастает.