КОНТАКТНЫЕ УСТРОЙСТВА В РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОННАХ.
В подразделе 1.5 отмечалось, что для протекания процесса ректификации необходимо создание контакта между паровой и жидкой фазами. В ректификационных колоннах применяются несколько сотен конструкций контактных устройств, различающихся по областям применения, конструкции и технико-экономическим показателям. Наряду с эффективными устройствами (клапанные тарелки и регулярная насадка) на старых установках эксплуатируются колонны, оборудованные морально устаревшими тарелками (желобчатые, провальные) [9].
При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:
- производительностью – пропускной способностью по пару и жидкости;
- гидравлическим сопротивлением [10];
- высоким КПД - для тарелок и низкой ВЭТТ (высота, эквивалентная теоретической тарелке) – для насадок;
- низким гидравлическим сопротивлением (особенно в вакуумных колоннах) [29];
- диапазоном рабочих нагрузок;
- возможностью работы в средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;
- простотой конструкции, проявляющейся в трудоемкости изготовления, монтаже, ремонте, металлоемкости.
Итак, контактные устройства (КУ) бывают:
1) тарельчатые;
2) роторные;
3) насадочные (регулярные и нерегулярные).
Тарельчатые КУ в свою очередь подразделяются:
a) по способу организации контактирующих фаз – противоточные, прямоточные, перекрестно-точные и перекрестно-прямоточные;
b) по регулируемости свободного сечения для паровой фазы –тарелки с регулируемым (клапанные) и постоянным сечением [29].
По типу применяемых контактных устройств наибольшее распространение получили тарельчатые, а также насадочные ректификационные колонны [10].
Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии тарельчатых КУ, приведем краткую их классификацию в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Классификация тарельчатых контактных устройств и их свойства
| Противоточные | Прямоточные | Перекрестно- точные | Перекрестно- прямоточные | |||||
| решетчатые, дырчатые и др. | вихревые, центробежные и др. | ситчатые, колпачковые, S-образные, клапанные, клапанные с балластом, S-образные с клапаном, эжекционные и др. | струйные, струйные с отбойниками, перекрестно-прямоточные клапанные и др. | |||||
| Положительные стороны | ||||||||
| - высокая производительность по жидкости; | - повышенная производительность [10]; | - (кроме ситчатых) большое время пребывания жидкости; | - низкое гидравлическое сопротивление; | |||||
| - простота конструкции; | -высокие эффективность, барботаж; | - организация движения жидкости по тарелке [10]; | ||||||
| - малая металлоемкость [10] | - наличие постоянного слоя на тарелке; | |||||||
| - отсутствие провала жидкости [29]. | ||||||||
| Отрицательные стороны | ||||||||
| - низкая эффективность; | - повышенное гидравлическое сопротивление; | - небольшой диапазон эффективной работы; | - эффективность контакта ниже, чем у перекрестноточных [10]; | |||||
| - узкий диапазон работы; | - трудоемкость изготовления [10]. | - металлоемки; | ||||||
| - неравномерное распределение потоков по сечению колонны [10]. | - сложность изготовления, монтажа [29]; | |||||||
| - застревание части клапана в одном положении; | ||||||||
| - вылет клапанов из отверстий при повышенной паровой нагрузке [29]. | ||||||||
Следует отметить, что в табл. 4.2 приведены только общие характеристики КУ, но в каждом из случаев имеются свои разнообразия, усовершенствования, а следовательно, плюсы и минусы.
В ранее построенных отечественных и зарубежных установках, в основном, применялись тарелки с круглыми колпачками (то есть с нерегулируемым сечением для паровой фазы; рис. 4.12а, б, в).
Затем появились тарелки с желобчатыми колпачками (рис. 4.12г), но из-за низкой их производительности и эффективности, большой металлоемкости, неравномерного распределения на них жидкости, такие тарелки перестали со временем выпускать и использовать [9].
Затем зарекомендовали себя тарелки с S-образными элементами (рис. 4.12д); их уже можно было значительно легче изготовить, производить монтаж и демонтаж. Они же используются на некоторых установках и по сей день.
Рис. 4.12. Типы некоторых 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 перекрестно-точный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образ-ный колпачок с клапаном; 1 - диск тарелки; 2 - клапан; 3 - ограничитель; 4 - балласт.
В последние годы широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа, получили клапанные и балластные тарелки. Принцип действия клапанных тарелок (рис. 4.12е, ж, з) состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан автоматически регулирует величину зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянную скорость газа, и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).
Балластные тарелки (рис. 4.12и)отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким клапаном и ограничителем установлен более тяжелый клапан – балласт. Клапан начинает приподниматься при небольших скоростях газа или пара. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. В результате балластная тарелка, по сравнению с чисто клапанной, значительно раньше вступает в работу, имеет более широкий диапазон, более высокую (на 15–20 %) эффективность разделения и пониженное (на 10–15 %) гидравлическое сопротивление.
Однако более прогрессивными и эффективными по сравнению с колпачковыми, являются комбинированные колпачково-клапанные тарелки (рис. 2.12к, л, м). Так, S-образная тарелка с клапаном (рис. 2.12м) работает следующим образом: при низких скоростях газ (пар) барботирует преимущественно через прорези S-образных элементов и при достижении некоторой скорости газа включается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки позволяет повысить производительность ректификационной колонны на 25–30 % и сохранить высокую эффективность разделения в широком диапазоне рабочих нагрузок [10].
Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестно-точных тем, что в них энергия газа (пара) используется для организации направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего повышается производительность колонны [10].
Среди клапанных тарелок нового поколения можно отметить дисковые эжекционные и пластинчатые эжекционные (рисунок 4.12 к, л), а также трапециевидные. Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с отверстиями и переливными устройствами. В отверстия полотна тарелок устанавлваются клапаны, представляющие собой вогнутый диск с просечными отверстиями для эжекции жидкости. Они могут иметь распределительный выступ для равномерного стока жидкости в эжекционные каналы (или прогиб). Клапан имеет четыре ограничительные ножки и двенадцать эжекционных каналов. Их изготавливают штамповкой из нержавеющей стали [10]. К тому же они экономически выгодны при модернизации колпачковых тарелок, так как при этом не требуется замена полотен.
При работе газ или пар поступает под клапан, приподнимает его и барботирует через слой жидкости, протекающей по полотну тарелки (рис. 4.13). Часть жидкости из небарботируемой зоны стекает через направленные прорези и за счет эжекции диспергируется газовым потоком, выходящим из-под клапана.
Рис. 4.13. Принцип работы эжекционной тарелки
Предлагаемая конструкция трапециевидного клапана (рис. 2.14а) обеспечивает саморегулирование и перераспределение парового потока. Отогнутые под углом к плоскости клапана прорезные части бортов обеспечивают направленный под острым углом к тарелке ввод пара, что способствует уменьшению уноса за счет инерциальных сил и повышает эффект компенсации прямотока.
а
| 
б
|
Рис. 4.14. Трапециевидная тарелка:
а – трапециевидный клапан; б – тарелка с трапециевидными клапанами
Сравнительные характеристики высокоэффективных клапанных тарелок приведены в табл. 2.3 [38].
Таблица 4.3. Характеристики клапанных тарелок (по сравнению с колпачковыми)
| Параметры | Эжекционные | Трапециевидные |
| Производительность | выше в 2 раза | выше чем в 2 раза |
| Эффективность (КПД) | 80–100 % | 60–80 % |
| Металлоемкость | ниже на 30 % | |
| Гидравлическое сопротивление | 3–9 мм рт. ст. (0,3–0,3 кПа) | 2–5 мм рт. ст. |
Интересной особенностью конструкции обладают клапаны с дугообразной перегородкой (рис. 2.15).
Рис. 4.15. Конструкция клапана с дугообразной перегородкой:
а – общий вид (стрелками показаны направления потоков газа при выходе из-под клапана); б, в – схемы взаимодействия потоков газа в контактной зоне; 1 – клапан; 2 – дугообразная перегородка
Перегородка рассекает газовый поток на части и придает ему соответствующие направление и скорость движения. Благодаря такой перегородке можно создавать различные соотношения выходящих из под клапана потоков газа (П1, П2, П3), изменяя соотношение площадей сечений для их выхода. Направления потоков П1 и П3 перпендикулярны течению жидкости, а направление потока П2 совпадает с направлением движения жидкости. Потоки с разными направлениями движения определяют схему взаимодействия фаз в контактной зоне и гидродинамическую обстановку на тарелке [31].
Струйно-направленные тарелки также нашли свое применение в нефтепереработке (рис. 4.16а, б). Они могут использоваться как в условиях низкого вакуума, так и при атмосферном или повышенном давлении. Их основанием служит перфорированный лист, в котором выштампованы и отогнуты под углом 20–40о к ее полотну полукруглые лепестки. На полотне тарелки поперек движения потока жидкости установлены вертикальные перегородки, у основания которых выполнены прямоугольные прорези. Перегородки разделяют тарелку на ряд секций и обеспечивают интенсивное взаимодействие потоков газа и жидкости в каждой такой секции и на тарелке в целом. Варьируя число, радиус и угол отгиба лепестков, можно регулировать производительность тарелки.
Для уменьшения гидравлического сопротивления, упорядочения взаимодействия фаз при высоких газовых нагрузках и сохранения принципа секционирования в конструкции тарелки, представленной на рис. 4.16в, используется эффект компенсации прямотока. Данный эффект создавается при перекрестном взаимодействии струй газа и жидкости, выходящих из-под лепестков, расположенных взаимно перпендикулярно.
На рис. 4.16г также показан режим компенсированного прямотока. На полотне тарелки размещены группы из двух или более лепестков, оси которых, пересекаясь, образуют пучок прямых. Точки пересечения этих прямых располагаются в шахматном порядке, а их ряды – перпендикулярно направлению движения жидкости.
Рис. 4.16. Схема струйно-направленной тарелки с вертикальными поперечными секционирующими перегородками:
а – общий вид; б – схема контактной зоны; в, г – с вводом части потока газа поперек потока жидкости и под углом к потоку соответственно; д – усовершенствованная конструкция лепестков; е – полотно тарелки с поперечными перегородками в форме гребенки; ж – перегородка в форме гребенки из отдельных лопаток; 1 – корпус колонны; 2 – полотно тарелки; 3 – приемный карман; 4 – стенка переливного кармана; 5 – подпорная перегородка; 6 – лепесток (язычок); 7, 8 – соответственно вертикальная и сливная перегородки; 9 – прорезь в вертикальной перегородке; 10 – конические поверхности; 11 – перегородка в форме гребенки; 12 – отдельные лопатки перегородок
Оригинальная конструкция лепестков для струйно-направлен-ных тарелок представлена на рис. 4.16д. Каждый лепесток выполнен из трех частей: средняя – по форме плоского кругового сектора; а боковые – по форме конической поверхности. Выходящий из-под лепестков газовый поток формируется в виде трех струй, одна из которых движется по тарелке в направлении потока жидкости, а две другие – под углом к нему.
Для предотвращения сдувания жидкости к одной из сторон тарелки и более равномерного распределения газа направляющие пластины перегородок повернуты в противоположные стороны. Особенно эффективны такие тарелки в аппаратах, работающих с большими нагрузками по газу и жидкости. Более совершенную конструкцию имеют тарелки с поперечными перегородками (рис. 4.16ж), направляющие пластины которых выполнены в виде лопаток, соединенных между собой по вертикали. Плоскости смежных лопаток развернуты одна относительно другой и расположены симметрично относительно направления движения жидкости.
При встрече с лопатками газожидкостной поток делится по высоте на отдельные слои, движущиеся в перекрещивающихся направлениях и взаимодействующие на границах соприкосновения, турбулизируя сплошную фазу, и тем самым, повышая процесс массопередачи [39].
Не так давно стали предлагать высокопроизводительные тарелки центробежного типа (рис. 4.17), хотя идея использования закрученного газового потока была предложена русскими учеными в начале 60-х годов прошлого столетия.
Основание центробежной тарелки состоит из полотен коробового типа с выштампованными на них лопастными завихрителями и полукруглыми окнами для размещения переточных труб. На полотнах соосно с лопастными завихрителями устанавливаются с помощью специальных фиксаторов сепарационные обечайки, внутрь которых вставляется переточная труба с закрепленным на ней отражателем.
А
| 
Б
|
Рис. 4.17. Центробежная тарелка:
а – детали центробежной тарелки и порядок их сборки; б – общий вид тарелки; 1 – полотно; 2 – завихритель; 3 – полукруглое окно; 4 – сепарационная обечайка; 5 – отражатель; 6 – переточная труба.
Работа центробежной тарелки заключается в том, что жидкость с помощью специального распределителя направляется через переливные трубы в центр каждого элемента и через щель между концом трубы и основанием тарелки поступает на лопастной завихритель. Газ проходит через завихритель снизу и, поднимаясь, закручивается, подхватывая жидкость и отбрасывая ее на сепарационную обечайку. На внутренней поверхности последней жидкость под действием центробежной силы выделяется через вертикальные щели, перетекает в межэлементное пространство, а затем через переточные трубы – на нижерасположенную тарелку.
С увеличением скорости газа в центре завихрителя понижается давление и увеличивается пропускная способность переточной трубы. Таким образом, в центробежной тарелке одновременно повышается производительность по газовой и жидким фазам.
Предлагается применять центробежные тарелки в секциях наиболее нагруженных по пару и жидкости, например, в зоне циркуляционных орошений или в секции разделения керосиновой и легкой дизельной фракций.
К тому же, преимущество предложенной конструкции состоит в том, что перепад давления значительно меньше, чем в обычных центробежных тарелках, так как здесь используются два завихрителя, а следовательно, на второй завихритель поступает поток пара, уже закрученный на первом. В итоге общий перепад давления ниже, а нагрузка по жидкости больше [41].
Обычно гидравлическое сопротивление тарелок в вакуумных колоннах составляет 1–2 мм рт. ст. (133,3–266,6 Па). В атмосферных –6–10 мм. рт. ст. (0,8–1,3 кПа). КПД тарелок – 30–40 % и 60–80 % соответственно для вакуумных и атмосферных колонн. В вакуумных колоннах тарелки работают в перекрестно-прямоточном (струйном) режиме при малом времени контакта фаз; для уменьшения уноса капель жидкости над полотном тарелок монтируются отбойники. Низкая эффективность является основной причиной замены тарелок в вакуумных колоннах на регулярную насадку. Тарелки же в атмосферных колоннах обычно работают в перекрестно-точном режиме с большим временем контакта фаз, значительным запасом жидкости на тарелке и лучшей организацией барботажа. Однако при высоком гидравлическом сопротивлении высота жидкости в кармане тарелки может превысить межтарельчатое расстояние с захлебыванием колонны.
Равномерность барботажа по площади тарелки определяет ее эффективность и зависит от точности горизонтальной установки полотна тарелки. Неравномерность барботажа вдоль движения жидкости связана с градиентом уровня жидкости на тарелке от точки ввода до сливного кармана. Градиент уровня жидкости зависит от плотности орошения тарелки – часового объема жидкости, отнесенного к длине сливной перегородки (обычно не более 50 
). Для перекрестноточных тарелок барботаж паров также является дополнительным сопротивлением движению жидкости. Допустимый градиент жидкости составляет 1–2 мм/м длины полотна тарелки, при его повышении барботажная зона смещается в направлении сливного кармана, где высота жидкости меньше. При этом со стороны ввода жидкости на тарелку пар не барботирует, что приводит к провалу части жидкости и снижению эффективности. В зоне интенсивного барботажа часть паров не успевает отделиться и увлекается жидкостью в сливной карман; плотность парожидкостной смеси в кармане уменьшается, что приводит к увеличению высоты слоя жидкости в нем и заливу тарелки. Поэтому для лучшей сепарации фаз необходима успокоительная зона перед сливным карманом; а при очень больших расходах жидкости с целью лучшей ее дегазации применяют сегментные переливы с наклонными планками.
Для уменьшения плотности орошения применяют тарелки с двумя или четырьмя сливными перегородками. Тарелки с высокой жидкостной нагрузкой также монтируют с уклоном по ходу движения жидкости. В этом случае движущей силой потока жидкости является геометрическая разность высот точек вывода и ввода жидкости на тарелке, а высота слоя жидкости остается постоянной на всем протяжении ее движения [29].
Необходимо учитывать, что величины жидкостных и паровых потоков внутри ректификационных колонн различны по высоте и меняются в очень широких пределах.
Например, паровой фактор (F = = (w×p)1/2, где w – скорость пара, м/с; p – плотность пара, кг/м3) в отпарной части атмосферной колонны в 10 раз меньше, чем в зонах циркуляционных орошений, и в 9 раз выше, чем на тарелках, расположенных непосредственно над вводом сырья в колонну. Как следствие, в некоторых колоннах, где во всех сечениях колонны применялись одинаковые КУ, тарелки оказывались перегруженными или недогруженными по жидкости или пару, поэтому, для каждой секции колонны желательно подбирать наиболее рациональные виды КУ [30].
Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа из множества вариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные показатели эффективности которой в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из функционального назначения ректификационных колонн. Например, в вакуумных колоннах предпочтительно применение КУ, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление [10].
Дата добавления: 2015-10-05; просмотров: 11090;