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.

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 давлениях, 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.

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.

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.

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 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.

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.

Колпачковые тарелки можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита, пластмасс и др.

Основное преимущество этих тарелок - небольшое число колпачков и возможность их очистки. Остальные показатели этих тарелок низкие, поэтому в настоящее время их заменяют более современными контактными устройствами.

В зависимости от диаметра аппарата такие тарелки бывают одно- и многосливными. Характерная особенность этих тарелок состоит в том, что пар выходит из контактных элементов в направлении движения жидкости. Это способствует уменьшению разностей уровней жидкости на тарелке у сливной и переливной перегородок.

Клапанные тарелки также широко применяют в нефтехимической промышленности. Основные преимущества этих тарелок - способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость. Клапанные тарелки изготовляют с дисковыми и прямоугольными клапанами; работают тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. В отечественной промышленности наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной прямоточной тарелке (рис. 14.8) в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6-8 мм.

Клапанная тарелка со штампованными клапанами цилиндрической формы содержит клапана, лежащие на полотне тарелки, и представляющие собой часть цилиндра с ограничителями подъема. Клапан расположен в гнезде, имеющем отогнутую полку. Масса клапана, его конфигурация и положение центра тяжести подобраны так, что при достижении определенной скорости пара клапан перекатывается по поверхности отогнутой полки. При этом между плоскостью тарелки и клапаном образуется щель, через которую в направлении слива жидкости выходит пар. При значительной производительности по пару клапан поднимается и зависает над тарелкой.

В жалюзийно-клапанной тарелке щель для входа газа на тарелку образуется при повороте плоских клапанов-жалюзей вокруг их оси, укрепленной в рамке.

Ситчатые и решетчатые тарелки. Ситчатые тарелки со сливным устройством применяют в колонных аппаратах диаметром 400-4000 мм при расстоянии между тарелками от 200 мм и более. Основной элемент таких тарелок - металлический диск с отверстиями диаметром 2-6 мм, расположенными по вершинам равносторонних треугольников (рис. 14.9).

В колоннах диаметром более 800 мм тарелки состоят из отдельных секций. По креплению секций тарелки к корпусу и устройству переливов такие колонны аналогичны аппаратам с колпачковыми и клапанными тарелками. Преимущество ситчатой тарелки - большое свободное (т. е. занятое отверстиями) сечение тарелки, а следовательно, и высокая производительность по пару, простота

ситчатая, с увеличением нагрузки открывается клапан, между клапаном и тарелкой образуется щель, откуда под некоторым углом к горизонтали выходит пар, обеспечивая перемещение жидкости по тарелке в направлении слива и уменьшая разность уровней жидкости на тарелке. Ситчато-клапанная тарелка обеспечивает большой диапазон устойчивой работы при небольшом гидравлическом сопротивлении, что делает ее пригодной для процессов, протекающих под вакуумом.

над тарелкой устанавливают отбойные элементы.

Свободное сечение тарелки, выбираемое из условия отсутствия "провала" жидкости, должно быть достаточно большим (не менее 30 % сечения колонны), чтобы тарелка обладала невысоким гидравлическим сопротивлением. Благодаря этому такие тарелки используют в вакуумных колоннах. Минимальное расстояние между тарелками в колонне 450 мм.

распределения орошения по поверхности тарелок в начале процесса.

При работе колонны под давлением поступающих паров на полотне тарелки создается слой жидкости, через которую барботирует пар. При этом часть жидкости протекает через прорези на расположенную ниже тарелку. Прорези работают периодически: места стока жидкости и прохода пара произвольно перемещаются по полотну тарелки.

Секционированные массообмечные устройства. Одно из направлений технического прогресса в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности - разработка и применение аппаратов большой единичной мощности. До недавнего времени повышение эффективности и производительности колонн обеспечивали увеличением их высоты и диаметра.

Однако с увеличением диаметра колонны возрастает неупорядоченность движения взаимодействующих фаз: на тарелке появляются "байпасные" потоки, "мертвые" зоны, возникает поперечная неравномерность скорости газового потока и высоты жидкости на тарелке. Все это снижает эффективность массообмена в колонне. В связи с этим производительность аппарата следует повышать не увеличением размеров аппарата, а созданием контактных устройств, обладающих высокой производительностью по жидкости и пару, в частности, продольным и поперечным секционированием этих устройств.

Известно, что производительность тарелок повышается при контактировании фаз в прямотоке. Однако при прямоточном взаимодействии и большой скорости пара (газа) жидкость смещается в направлении к сливному карману, что затрудняет работу сливных устройств.

Для компенсации прямоточного движения фаз и исключения его распространения на всю тарелку можно устанавливать на тарелке продольные и поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение жидкости на тарелке от перелива к сливу, а также создающие условия для движения потоков парожидкостной смеси по тарелке в противоположных или пересекающихся направлениях.

Примером может служить продольно-секционированная тарелка с просечными элементами (рис. 14.12). На полотне тарелки 2 выштампованы просечки 1, отогнутые под углом а. Тарелка секционирована вдоль потока жидкости вертикальными перегородками 3, причем для создания постоянного гидрав-лического сопротивления по всей тарелке перегородки перфорированы.

При скорости газа до 1,5 м/с тарелки работают аналогично ситчатой и колпачковой: жидкость из переливного кармана а поступает на рабочую часть тарелки, газ вводится через просечки, барботирует через слой жидкости, аэрирует ее и на тарелке образуется газожидкостный слой. При скорости газа более 1,5 м/с газовые струи, выходящие из просечек, и создаваемые ими потоки жидкости движутся к вертикальным перегородкам или стенкам колонны. Ударяются о них, сепарируются и газ покидает тарелку. При этом жидкость совершает сложное зигзагообразное движение от переливного а к сливному 6 карману.

Вариантом массообменного устройства с продольным секционированием является клапанная тарелка с продольными перегородками 3 (рис. 14.13), которая отличается от тарелки с просечными элементами тем, что на полотне 1 тарелки вместо просечек смонтированы клапаны 2 с боковыми стенками, обеспечивающие

направленное движение жидкостного потока.

По производительности такие тарелки превосходят обычные клапанные тарелки без продольного секционирования в 1,4 раза, а по эффективности массообмена в 1,25-1,3 раза;

внутренний патрубок 5 и вытекает из нижней щели кольцевой струей, образуя дополнительную зону контакта.

С увеличением производительности по жидкости уровень ее в патрубке 5 повышается, жидкость заполняет пространство в патрубке 2 и начинается истечение из верхней щели. В пространстве между тарелками образуется вторая кольцевая струя. Таким образом, многощелевой слив позволяет значительно расширить диапазон нагрузок по жидкости

Диаметр насадочных колонн обычно не превышает 4000 мм. Для колонн большого диаметра трудно достичь высокой эффективности из-за сложности обеспечения равномерного распределения газовой и жидкой фаз по сечению аппарата. Однако известны отдельные конструкции насадочных аппаратов диаметром до 12 м.

При стекании жидкости по насадке происходит ее перераспределение и на некотором расстоянии от распределитель, ной тарелки равномерность орошения может резко уменьшиться; при этом жидкость течет вдоль стенки аппарата, а

используют кольца диаметром 25 и 50 мм (рис. 2.27, а). Кольца меньшего размера обладают значительным гидравлическим сопротивлением, большего размера менее эффективны.

Для повышения эффективности массообмена кольцевую насадку изготовляют перфорированной и с внутренними перегородками.

Разновидностью колец Палля является выпускаемая в США насадка "Хай-пак", отличающаяся от рассмотренной числом и расположением лепестков. К кольцевой насадке с перфорированной цилиндрической частью и внутренними перегородками относится насадка "Каскад-мини-ринг" (рис.14.17, в).

Отечественная промышленность изготовляет кольцевую нерегулярную насадку в форме колец Рашига, а также кольца Палля из пропилена размерами 50x50 мм и из металла размерами 25х25 и 35x35 мм.

Седлообразная насадка имеет большую удельную поверхность и высокую способность к перераспределению жидкости по сечению колонны. Такую насадку выпускают главным образом виде седел "Инталокс" (рис. 14.17, г) и Берля из керамики и пластмассы. Пластмассовая насадка "Сюпе торус садлес" отличается от седла "Инталокс" наличием отверстий в центре седла, что повышает ее эффективность, и гофр на краях, улучшающих перераспределение жидкости.

Основное преимущество гофрированной насадки (рис. 14.18, б), состоящей из вертикальных металлических листов с рифлением, по сравнению с плоскопараллельной насадкой - меньший брызгоунос. Это объясняется тем, что гофрированная насадка беспровальна. Зазоры между листами иногда обеспечивают дистанциоными планками (рис. 14.18, б), установленными вертикально на расстоянии 250 мм одна от другой и приваренными к листам точечной сваркой.

Щелевая, или сотовая насадка (рис. 14.18, д) образована из гофрированных вертикальных листов, сдвинутых один относительно другого так, что по высоте пакета образуются изолированные вертикальные каналы. Листы соединены в пакеты высотой 400-1000 мм точечной сваркой. К преимуществам этой насадки относятся значительно более высокая (в 2-3 раза), чем плоскопараллельной насадки, удельная поверхность, а также возможность нагревать или охлаждать контактирующие фазы, поскольку каналы, образованные гофрами, пригодны для подачи в них теплоносителя или хладагента. К недостаткам насадки следует отнести неравномерность толщины пленки жидкости в канале. Накопление жидкости в углах канала несколько ухудшает эксплуатационные качества этой насадки.

Таблица 14.1 Сравнительная характеристика насадок различных типов

Хорошие характеристики имеют насадки из проволочной сетки. Примером может служить насадка Гудлоу - пакеты свернутой в рулон гофрированной проволочной сетки (диаметр проволоки 0,1 мм). Гофры расположены под углом 60° к вертикали, высота пакета насадки 100-200 мм.

В России насадка из гофрированной сетки (рис. 14.18, е) используется для процессов ректификации, проводимых под вакуумом. Пакеты такой насадки высотой 150-200 мм изготовляют из тканой проволочной сетки толщиной 0,2 мм.

В таблице 14.1 дана сравнительная характеристика насадок различных видов.

Область применения насадок. При выборе насадки для проведения конкретного процесса контактирования в системе пар (газ)-жидкость руководствуются обычно следующим правилом: регулярную насадку, гидравлическое сопротивление которой меньше, чем нерегулярной, используют в процессах вакуумной ректификации, нерегулярную - в процессах неглубокого вакуума и под давлением. Регулярной насадке отдают также предпочтение при обработке продуктов, время пребывания которых в аппарате ограничено, например, из-за склонности к разложению.

Регулярную насадку используют в вакуумных стальных колонных аппаратах диаметром 400-3600 мм, предназначенных для разделения термически нестойких и легко полимеризующихся органических смесей при остаточном давлении рабочей среды 0,25-98 кПа и температуре от 0 до 300 °С. Области применения основных типов насадок указаны в табл. 14.2.

Таблица 14.2 Области применения насадок

Жидкостную экстракцию, т. е. - процесс разделения жидких компонентов с помощью жидкого растворителя (экстрагента), широко применяют в процессах переработки нефти, для разделения ароматических и алифатических углеводородов, для обезвоживания уксусной кислоты, при разделении редкоземельных элементов и др. Процесс экстракции осуществляется в аппаратах, называемых экстракторами.

Экстракторы, в которых взаимное движение и сепарация контактирующих фаз генерируется силами гравитации, называются гравитационными, или колонными, в отличие от центробежных экстракторов, где взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

Колонные экстракторы для системы жидкость-жидкость разделяют на аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы, ко вторым - смесительно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.

Распылительные экстракционные аппараты представляют собой полые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая - в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но мало эффективны. Насадочные экстракционные колонны по конструкции аналогичны рассмотренным выше насадочным колоннам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них используют преимущественно кольца Рашига, которые укладывают на опорные решетки колосникового типа.

Из аппаратов, работающих с подводом энергии, выделим прежде всего роторные экстракторы.

Одной из первых конструкций роторных экстракторов является колонна Шайбеля, состоящая из чередующихся смесительных и отстойных секций. Для перемешивания в смесительных секциях размещены закрепленные на валу мешалки. Отстойные секции заполнены насадкой (плетеной сеткой с крупными ячейками).

Роторно-дисковый экстрактор представляет собой колонну, по оси которой установлен ротор в виде вертикального вала с круглыми горизонтальными дисками. Диски вращаются в полости секции, образованной закрепленными на

корпусе статорными кольцами 3. Ротор приводится во вращение от электропривода 4. Легкая фаза ЛФ вводится в аппарат снизу, а тяжелая ТФ - сверху.

Под действием вращающихся дисков фазы в секциях совершают сложное циркуляционное движение, при котором совмещены радиальное и осевое движение жидкости. Дисперсная и сплошная фазы движутся противотоком; капли дробятся дисками, отбрасываются на периферию колонны, сталкиваются со стенками колонны и между собой. Одновременно с дроблением капель происходит их коалесценция.

На рис. 14.21 показан роторно-дисковый экстрактор с асимметричным расположением вала. В корпусе 1 аппарата смесительные секции отделены одна от другой статорными кольцами 3. Из одной секции в другую фазы перемещаются через отстойные зоны а, отделенные от смесительных зон вертикальным экраном 2.

В пульсационных экстракторах используют обычно ситчатые тарелки, а также тарелки типа КРИМЗ. Последняя более эффективна и представляет собой плоский- диск, на котором отштампованы прямоугольные отверстия с отбортовкой в виде наклонных направляющих лопаток. Отверстия размещены по концентрическим окружностям, причем лопатки соседних тарелок наклонены в противоположные стороны.

В вибрационных экстракторах эффективный массообмен обеспечивается возвратно-поступательным движением пакета перфорированных тарелок, через которые жидкость проталкивается в виде распадающихся на капли струй. В отличие от пульсаций столба жидкости вибрации тарелок происходят с меньшей амплитудой и большей частотой.

На рис. 14.23 показан вибрационный экстрактор. Как и в пульсационных аппаратах, тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы движутся противоточно. В верхней части колонны 1 размещен электропривод 4 с эксцентриком 5. При вращении вала эксцентрик передает возвратно-поступательное движение штоку 2, с которым жестко соединены перфорированные тарелки 3.