14. Колонные массообменные аппараты

Тарельчатые колонны.

В зависимости от способа организации контакта фаз колонные аппараты подразделяют на тарельчатые, насадочные и пленочные, а в зависимости от рабочего давления - на работающие под давлением, атмосферные и вакуумные. Около 60 % используемых в России аппаратов для абсорбции и ректификации представляют собой тарельчатые колонны, остальные - насадочные колонны. Последние при правильной организации гидродинамики процесса часто более экономичны, чем тарельчатые.

Из-за сложности изготовления и высокой стоимости пленочные аппараты мало используют в промышленности.

Тарельчатые колонные аппараты (рис. 14.1) состоят, как правило, из вертикального корпуса 3, сферической или эллиптической крышки 4, днища 2 и жестко скрепленной с корпусом опорной обечайки 1 цилиндрической или конической формы. Использование конических опор для высоких колонн небольшого диаметра способствует повышению их устойчивости и уменьшению нагрузки на опорную поверхность фундаментного кольца. Внутри корпуса колонны смонтированы тарелки 6, устройство 7 для ввода сырья, отбойное устройство 5 и штуцера для жидкости и пара.

Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояние между ними желательно принимать не менее 450 мм. Монтаж и обслуживание тарелок в аппаратах с цельносварным корпусом выполняют через люки. Люки на корпусе колонны рекомендуется располагать через каждые пять-десять тарелок в зависимости от диаметра аппарата и типа контактных устройств. Диаметр люков может колебаться от 450 до 600 мм, а расстояние между тарелками в месте установки люка от 800 до 1000 мм. Корпуса тарельчатых колонных аппаратов изготовляют большей частью с постоянным по высоте диаметром, хотя для колонн больших размеров в случае, если нагрузка по жидкости и пару (газу) значительно изменяется по вы-соте колонны, корпус может быть выполнен ступенчатым, т. е. состоящим из частей разного диаметра, соединенных конусными переходами.

На корпусе, например, ректификационной колонны предусматривают штуцера: ввода про-дукта и вывода пара, ввода флегмы и пара из кипятильника, вывода кубового остатка и циркулирующей кубовой жидкости в кипятиль-ник. Кроме того, аппарат снабжают штуцерами для измерения давления и температуры по высоте аппарата, уровня жидкости, отбора проб и др.

Места ввода сырья и вывода промежуточных фракций зависят от состава сырья; поэтому предусматривают несколько запасных штуцеров по высоте колонны.

Корпус тарельчатой колонны может быть выполнен либо сварным, либо состоящим из царг.

Корпуса аппаратов, работающих при больших рабочих давле-ниях, а также аппаратов диаметром более 1200 мм выполняют цельносварными. Аппараты диаметром 400-1000 мм изготовляют в царговом исполнении, если рабочее давление в них не превышает 1,6 МПа.

Аппараты в царговом исполнении снабжают неразъемными тарелками (рис. 14.2), представляющими собой отбортованный металлический диск с устройствами (отверстия, клапаны, колпачки) для ввода пара (газа) на тарелку и слива жидкости. Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке 4 установлены сливная 2 и переливная 3 перегородки. Высота переливной перегородки постоянна; она образует так называемый переливной карман, в который погружена сливная труба 1

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.2. Царга тарельчатой колонны

 

 

расположенной выше тарелки. Высоту сливной перегородки можно регулировать для поддержания необходимого уровня жидкости на тарелке. Нижняя тарелка в царге установлена на кронштейнах 6, а остальные - на стойках 5. Упорные кольца 7 предназначены для герметизации тарелок. В зазоре между тарелкой и корпусом колонны установлены прокладки 8 из асбестового шнура, закрепленные нажимным кольцом 11, скобами 9 и шпильками 10. В аппаратах диаметром 1200 мм и более используют тарелки разборной  конструкции. Они состоят из отдельных секций 4, которые крепятся к опорной раме 1 (рис. 14.3) струбцинами 2, винтами 3 и прижимными планками 5. Опорная рама приварена к корпусу колонны. Герметичность соединений секций тарелки с опорной конструкцией обеспечивают прокладки 5.

Конструкция узла ввода сырья в колонну зависит от фазового состояния поступающей смеси. Жидкое питание, а также орошающая жидкость (флегма), вводятся непосредственно в переливные карманы тарелок. Переливные карманы, в которые вводится жидкость, обычно углублены ниже тарелки примерно на 300 мм. Иногда для гашения энергии струи в переливном кармане устанавливают отражательную пластину. При подаче сырья в парожидкостном состоянии энергия струи может быть весьма большой и вызывает изнашивание корпуса 1 колонны. Для защиты корпуса аппарата от эрозионного воздействия струи сырье подается через специальное устройство - улиту. Форма улиты должна обеспечивать равномерное распределение пара по сечению аппарата. На рис. 14.3, б показана конструкция улиты для ввода сырья одним потоком, на рис. 14.3, в - двумя потоками. В этих конструкциях улита 3 крепится к корпусу колонны 1. Штуцера 4 ввода сырья в колонну быстро изнашиваются, поэтому их защищают гильзой 5, замена которой при ремонте колонны не сложна.

В колонне с боковыми выводами, предназначенной для разделения смеси на несколько компонентов, вывод жидкости из колонны осуществляется так же, как и ввод - из углубленных переливных карманов (рис. 14.3, г). Выводная труба должна быть погружена в жидкость во избежание выхода через нее паров.

При использовании двух- и четырех поточных сливов жидкость, как правило, отбирают из карманов центральных сливов.

Корпуса серийно выпускаемых аппаратов для неагрессивных сред изготовляют из углеродистых сталей (ВСтЗсп5, 20К, 16ГС), аппаратов для агрессивных сред - из коррозионно-стойких сталей (08Х22Н6Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТ) или из сталей с плакирующим слоем. Кроме того, аппараты можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, стекла и других материалов.

Конструкции контактных массообменных устройств

Тарельчатые контактные устройства можно классифицировать по многим признакам; например, по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переточными устройствами и тарелки без переточных устройств (провальные).

Тарелки с переточными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие - жидкость; затем их роли меняются.

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков различают тарелки барботажного и струйного типов. Тарелки, на которых сплошной фазой является жидкость, а дисперсной - газ или пар, называют барботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой является жидкость, сплошной - газ; потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.

В зависимости от конструкции устройств ввода пара (газа) в жидкость различают тарелки клапанные, колпачковые, ситчатые, язычковые, решетчатые, с прямоточно-скоростными контактными элементами и др. Одни из этих тарелок могут работать только в барботажном режиме (колпачковые), другие - только в струйном (язычковые), третьи и в том, и в другом режимах (клапанные).

В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающих отраслях промышленности наиболее распространены барботажные и струйные тарелки с переливами.

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками до недавнего времени считали лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности.

Основной частью колпачковой тарелки (рис. 14.4) является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с отверстиями для паровых патрубков б. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм.

Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной перегородкой 3. Переливная перегородка 1 образует переливной карман а, в который погружается сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.

 

Рис. 14.5. Тарелка с туннельными колпачками

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой 3, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ - вверх по оси колонны.