Типы ректификационных тарелок. Конструкции ректификационных колонн. Технологические особенности получения ароматных дистиллятов

Ректификация позволяет получить спирт высокой крепости и чистоты. Оба качества зависят от того, насколько хорошо человек, управляющий процессом, понимает его суть. Поэтому знать теорию ректификации надо каждому, кто хочет делать чистые и крепкие спиртные напитки на самогонном аппарате .

История ректификации

Начнем с процесса дистилляции, ведь именно он является предшественником ректификации. Нет точной информации о том, кто первый изобрел дистилляцию. В. Шнайдер, составитель словаря алхимических и фармацевтических терминов, считает, что данная заслуга принадлежит в первую очередь персам, которые использовали дистилляцию, чтобы получить розовую воду (эфир розы). Можно сделать вывод, что история дистилляции насчитывает более 3500 лет. Первоначально дистилляцией называли все процессы разделения смесей на компоненты. По мере их изучения процессы классифицировали и дали им наименование. Таким образом, в сейчас дистилляцией называют разделение веществ, основанное на испарении жидкости и последующей конденсации паров.

Аламбики были первыми аппаратами для дистилляции и конструкционно практически не изменились за несколько тысяч лет. Первоначально использовались, чтобы получать ароматные масла.

Наука не стояла на месте, процесс дистилляции тщательно изучался и совершенствовался. С начала XVI века наблюдалось большое количество работ по подбору испарительных кубов и системы обогрева аппаратов. Для обеспечения непрерывной работы колонны использовались водяные и песочные бани, применялись восковые свечи. Только к 1415 году впервые было предложено применять теплоизоляцию, а именно шерсть животных. В конце XVI века было выявлено преимущество водяного охлаждения конденсатора, до этого времени охлаждение было воздушным.

В период XVI по XIX век стремительно происходила модернизация аппаратурного оснащения. Исходя из инертности материалов по отношению к возгоняемым жидкостям, в перегонных кубах в качестве оптимальных использовались стекло и керамика, в дальнейшем нержавеющая сталь. В 1709 году впервые появились теории о дефлегмации (возвращении части сконденсировавшихся паров в колонну).

Результатом всех исследований и разработок стало изобретение первой ректификационной колонны непрерывного действия французскими инженерами Адамом, Бераром и Перье, получившие на нее патент в 1813 году. Она до сих пор соответствует современным ректификационным колоннам. С этого периода начинается история ректификации в науке и промышленности.

Понятие ректификации

Существуют различные определения ректификации.

Ректификация - это процесс разделения бинарных (двухкомпонентные смеси, например, спирт-вода) или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью. Ректификация - разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся по температуре кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров.

Несмотря на столь сложные формулировки, в процессе ректификации нет ничего трудного. Имея необходимое оборудование и базовые знания, ее с легкостью можно провести у себя на кухне.

Процесс ректификации

Э. Крель в своих трудах «Руководство по лабораторной перегонке» изложил основной принцип ректификации:

Обмен веществ (массообмен и теплообмен) происходит путем прохождения паровой смеси через наполнитель колонны.

На скорость и качество этого процесса влияют следующие факторы:

1. Коэффициент диффузии (прохождение паровой смеси через наполнитель колонны);
2. Концентрация возгоняемого вещества;
3. Площадь поверхности контакта в колонне;
4. Разность температур кипения разделяемых компонентов.

Можно сделать вывод, что процесс ректификации спирта будет лучше протекать при следующих условиях: хорошей диффузии, высокой концентрации отделяемого компонента, развитой площади контакта.

Особое внимание Крель уделил важности состояния межфазной поверхности и перечислил факторы, определяющие процесс ректификации:

1. Свойства разделяемой смеси: летучесть компонентов, состав смеси, взаимная растворимость компонентов.
2. Характеристика насадки: форма насадочного тела, способ укладки насадки, плотность заполнения колонны.
3. Косвенные факторы: способ подачи жидкости в колонну, интенсивность и метод обогрева, рабочее давление.

Виды ректификационных колонн

В зависимости от применяемых контактных устройств, колонны делятся на тарельчатые и насадочные.

Тарельчатые ректификационные колонны

В основном распространены в нефтеперерабатывающей отрасли и на крупных производствах. Тарельчатые колонны представляют собой вертикальную трубу, в которой через определенное расстояние устанавливаются тарелки разной конфигурации, где идет контакт между паровой и жидкой фазами.

Недостаток колонн : дороговизна и большие габариты.

Преимущества : тарельчатая ректификационная колонна тоньше разделяет фракции.

Насадочные ректификационные колонны

На сегодняшний день широкое распространение получили насадочные колонны. Это те же вертикальные трубы, только в них устанавливается другое контактное устройство - насадка.

Насадки разделяются на два типа:

Нерегулярная - неупорядоченный слой насыпного или заполняемого инертного материала (например, спирально призматическая насадка СПН).

Преимущества : малый вес, большая площадь контакта.

Недостатки : высокое сопротивление, сложность правильного распределения паров и флегмы.

Регулярная - представляет собой скомпонованные в кассеты перфорированные сетки и листы (к ним относится регулярная проволочная насадка Панченкова (РПН).

Преимущества : высокая эффективность, малый перепад давления.

Недостатки : насадочная ректификационная колонна явных недостатков не показала.

Процессы в ректификационной колонне

Рассмотрим, что происходит в самой колонне на примере оборудования Фабрики «Доктор Губер». Здесь нет никакой магии или секретных технологий, все очень просто.

Ректификационные колонны для частного применения представляют собой вертикальные трубки диаметром от 40 до 50 мм, высотой не более 180 см, заполненные насадками РПН или СПН. Данные колонны оснащены холодильником или дефлегматором, а так же узлом отбора спирта.

Рассмотрим периодическую ректификацию на колонне насадочного типа с регулярной насадкой РПН, которую каждый сможет повторить в домашних условиях.

При нагреве куба с брагой, являющейся многокомпонентной смесью, в состав которой помимо воды и спирта входят побочные продукты брожения (альдегиды, кислоты, эфиры и т.д.), начинается процесс кипения и испарения данных компонентов. Температура начала процесса может быть разной, все зависит от качественного и количественного состава бражки или спирта-сырца. На протяжении процесса пар поднимается по колонне, начинает ее прогревать и частично конденсироваться, при этом образуется «дикую флегму».

Образование дикой флегмы происходит за счет охлаждения корпуса колонны, в связи с потерями тепла в окружающую среду. Возникают качественные и количественные потери по спирту (до 10%).

В стандартных ректификаторах проблема образования дикой флегмы решается с помощью теплоизолирования колонны.

Высококвалифицированные специалисты Фабрики Доктор Губер нашли другой способ решения данной проблемы путем создания колонны Торнадо. Структура колонны позволяет поднимающемуся пару проходить сначала по внешнему контуру колонны, создавая при этом активный подогрев. В результате потери тепла в окружающую среду от рабочей части колонны становятся минимальными. На выходе готовый продукт получается с улучшенными органолептическими и физико-химическими показателями.

После прогрева колонны пары достигают холодильника или дефлегматора, в котором они конденсируются и возвращаются в колонну в виде флегмы.

Поток флегмы направляется навстречу поднимающимся по колонне парам. Происходит массо- и теплообмен. Температура при ректификации спирта имеет ключевое значение: флегма на своем пути из зоны с низкой температурой в зону более высоких температур поглощает из потока паров высококипящие компоненты (сивушные масла) и выделяет легкокипящие компоненты (спирт). Так как процессы эти протекают на границе раздела фаз, то очень важно создать максимально возможную поверхность контакта. Для этого ректификационные колонны Доктор Губер оснащают РПН, который создает максимальную поверхность контакта по всей ее длине.

Качество получаемого спирта зависит от скорости отбора. А именно, чем больше флегмы забирается из колонны, тем хуже идет процесс массообмена, следовательно уменьшается крепость спирта на выходе из колонны. И наоборот, чем меньше забирается флегмы, тем лучше процесс массобмена и повышение крепости конечного продукта.

Для контроля скорости отбора спирта на колонны устанавливаются игольчатые краны для тонкой регулировки и смотровые стекла.

Создать развитую поверхность контакта недостаточно, необходимо ее правильно орошать. В насадочных колоннах имеет место пристеночный эффект. Флегма проходит не через насадку, а стекает по стенкам колонны, в результате чего падает эффективность ее работы. При правильном заполнении колонны этот эффект минимален, он практически отсутствует в колонне Торнадо, где устанавливается колпачковая тарелка с центральным изливом. В итоге флегма направляется ровно на насадку и достигается максимальный КПД данной колонны.

Что касается диаметра и высоты колонны, по данным Стедмана и Мак-Магона диаметр насадочных колонн оказывает незначительное влияние на качество разделяемых смесей.

Высота колонны. Речь идет о ее рабочей части (часть колонны, которая наполнена насадкой) должна быть не более (6-8)хD. Если высота больше данного выражения, то колонны заполняют секционно, чтобы избежать пристеночного эффекта.

Как выбрать ректификационную колонну

При выборе колонны обращайте внимание на следующие пункты:

1. Материал колонны, в том числе и наполнитель, должны быть инертны по отношению к парам спирта;
2. Колонна должна быть оснащена регулируемым узлом отбора;
3. Наличие высокопроизводительного холодильника или дефлегматора;
4. Обязательное присутствие атмосферного клапана для безопасной работы.

P.S. Ректификация спирта не сложный процесс и при наличии необходимого оборудования ее с легкостью можно провести в домашних условиях. К 2016 году ассортимент ректификационного оборудования безгранично возрастает. Несмотря на небольшие конструктивные отличия всех аппаратов, процесс ректификации остается неизменным и его качество будет в первую очередь зависеть от знаний и опыта человека, контролирующего процесс.

Существует довольно много устройств и приспособлений для переработки продуктов брожения посредством дистилляции. Одним из таких устройств, получивших повсеместное распространение, является обычный самогонный аппарат. Примитивный агрегат обладает довольно простой конструкцией и состоит из бака и сухопарника. Однако некоторые умельцы, предпочитающие натуральный продукт высокого качества, для переработки браги также используют такие устройства, как дистилляционные колонны. Что это такое и зачем они нужны, вы узнаете далее.

Общая информация

Обычный ректификационный самогонный аппарат, обладающий примитивной конструкцией, который использует большинство обывателей, не позволит получить высококачественный самогон. Для этого нужны модернизированные приборы, которые по своим конструктивным особенностям и принципу работы аналогичны промышленным агрегатам, используемым на спиртовых заводах. Однако вся проблема заключается в том, что они не только довольно сложны в использовании, но и требуют определенных знаний и приспособлений для изготовления в домашних условиях.

Основное отличие промышленного оборудования от любительских самогонных аппаратов заключается в том, что в них предусмотрены дистилляционные колонны. Сделать их может каждый человек, у которого есть хоть какой-то опыт работы с электрическими инструментами, а все необходимые детали без особого труда можно приобрести в магазине. При этом следует учитывать размеры и колонны. Все дело в том, что они должны быть определенных пропорций. Если их не соблюсти, то у вас получится не модернизированный самогонный аппарат промышленного типа, а обычный дистиллятор.

Предназначение колпачковой колонны

Колпачковые колонны обладают более простой конструкцией, в связи с чем они получили более широкое распространение. Поэтому процесс модернизации самогонного аппарата мы рассмотрим именно на ее примере. Однако перед тем, как поговорить о том, как ее сделать, необходимо разобраться в предназначении и принципе работы.

Колпачковая колонна для дистилляции выполняет функцию тепломассобмена между паром и жидкостью. Они могут обладать различным количеством колпачков, чем больше которых будет, тем больше в устройстве точек преобразования пара в жидкость, и тем большее количество готового продукта будет на выходе.

Принцип работы

Как уже упоминалось ранее, колонна может иметь различное количество колпачков. В процессе переработки браги колпачки нагреваются, а их температура возрастает сверху вниз. Каждый колпачок имеет несколько отверстий, сквозь которые стекает флегма и попадает на колпачок, расположенный ниже. Таким образом, происходит несколько процессов повторного испарения, в результате чего на выходе получается вода с более высокой температурой кипения. Благодаря этому получается спирт с большим градусом.

Чтобы было понятнее, стоит рассмотреть это на конкретном примере. Давайте представим, что у нас есть колпачковая колонна для дистилляции высотой 50 см и с десятью колпачками. За один цикл переработки браги она обеспечивает до 40 повторных процессов испарения, благодаря чему на выходе получается чистый спирт, кратность чистоты которого соответствует общему количеству испарений.

Особенности использования колонн при перегонке спирта

Если ректификационный самогонный аппарат оснащен колонной колпачкового типа, то при переработке браги в домашних условиях следует отсекать хвосты. Все дело в том, что именно в самом первом самогоне, выходящем в начале перегонки, содержатся вредные и опасные для организма вещества, такие как эфиры, метиловый спирт, ацетон и альдегиды, употребление которых может быть опасно для жизни. Поэтому чтобы получить чистый, качественный и безопасный самогон, рекомендуется использовать дробную перегонку.

Что касается оптимальной температуры, то в процессе первой перегонки она должна быть в районе 73 градусов, а при повторной ее следует увеличить до 78 градусов. На объем чистого продукта на выходе это никак не скажется.

Как сделать колпачковую колонну своими руками?

Итак, мы рассмотрели принцип работы колпачковой колонны, поэтому самое время приступать к ее изготовлению. Первым делом вам необходимо купить в магазине колпачковые тарелки, которые являются главным компонентом этого приспособления. Если они у вас уже есть, то никаких проблем с производством колонны в домашних условиях не возникнет. Стоит отметить, что тарелки можно сделать и самому, однако процесс этот довольно сложный и хлопотный, поэтому лучше купить уже готовые.

Как уже упоминалось ранее, очень важно соблюсти правильное соотношение прибора, поэтому первым делом следует выполнить расчет колпачковой ректификационной колонны. Диаметр шахты по отношению к ее высоте должен быть не менее 1 к 8. Если этого не сделать, то из спирта не будут полностью удаляться вредные примеси, что существенно снизит его качество.

Помимо колпачковых тарелок, также понадобится:

• медная пластина;
• стеклянная или медная трубка высотой 75 мм и диаметром 10 мм.

Первым делом из нужно вырезать круги диаметром 10 мм и проделать в них четыре отверстия. Два из них должны находиться в центре диска, а два - по краям и иметь диаметр один миллиметр. В эти отверстия необходимо вставить медные трубки соответствующего диаметра, по которым будет осуществляться подача пара. Для обеспечения герметичности все отверстия рекомендуется пропаять.

Далее на десятимиллиметровые трубки насаживаются колпачковые тарелки таким образом, чтобы они соприкасались с дисками. Для фиксации колпачком можно использовать обычные саморезы по металлу. В верхней части трубки проделываются небольшие отверстия диаметром 1 мм. Чем больше будет отверстий, тем лучше выполнит свои функции тарельчатая колонна. Снизу трубки подрезаются на 2 миллиметра.

Таким образом, у вас будет готов один элемент колонны. Для одного самогонного аппарата их необходимо от 5 до 8. Для фиксации каждой тарелки на самогонном аппарате используют небольшие штыри, которые обеспечивают тарелкам хорошую устойчивость и позволяют без проблем снимать их для чистки.

При переработке браги, колпачковые колонны соединяются с холодильником при помощи двух термопар, которые находятся в нижней части прибора и на кубе. Пароотводящий патрубок должен находиться немного ниже резьбы, приблизительно на один сантиметр.

Как это работает?

В процессе перегонки горячий пар поступает по трубкам из резервуара с брагой, который стоит на огне, в пространство над первым колпачком, где он преобразовывается в жидкость, стекающую через отверстия на тарелку. Постепенно жидкости становится все больше. После того как уровень поднимется до определенной отметки, пар, проходя сквозь эту жидкость, вместе со спиртами поднимается до следующей тарелки, расположенной выше, где весь процесс повторяется. После того как уровень жидкости превысит срез, флегма стекает в куб.

По мере прохождения пара через колпачковые тарелки градусы спирта увеличиваются, а количество вредных примесей уменьшается. Аналогичным образом работают абсолютно все колпачковые колонны. Однако есть один важный нюанс. Если вы хотите получить спирт самого высокого качества, то рекомендуется делать двойной перегон. Для этого брага сперва перерабатывается на обычном самогонном аппарате, после чего сырец проходит повторный перегон через колонну. Это занимает довольно много времени, но только так можно получить кристально чистый спирт.

Тарельчатая и колпачковая колонна: в чем разница?

Многих людей интересует вопрос о том, какая колонна лучше: тарельчатая или колпачковая, однако однозначного ответа не существует. Все дело в том, что разновидность этого оборудования не влияет на качество спирта, а основное различие заключается в конструктивных особенностях. В колоннах тарельчатого типа вместо специальных колпачков используются традиционные тарелки. Несмотря на то что на таком оборудовании невозможно изготовить натуральный спирт, тем не менее перегнать брагу в высококачественный дистиллят вполне возможно.

В нашей стране тарельчатая колонна пользуется огромной популярностью среди подавляющего большинства винокуров и имеет множество вариаций, которые позволяют получить самый разнообразный результат. Чтобы понимать, какая разновидность колонны лучше подойдет для вас, давайте разберемся в их основных отличиях.

Серия оборудования

Здесь все довольно просто и понятно. В зависимости от применения, все оборудование разделяется на серии. Самой популярной является колпачковая колонна ХД 4, разработанная специально для переработки браги в высококачественный самогон в домашних условиях. Это оборудование обладает высоким качеством и доступной ценой. Вторая популярная серия - это ХД/3, рассчитанная на большие объемы производства и способные работать беспрерывно.

Материалы

Современные колпачковые колонны могут быть изготовлены из металла или стекла. Если для вас более важна долговечность, то стоит отдать предпочтение первому варианту, однако металл дает небольшой привкус, избавиться от которого помогут только стеклянные колонны.

Конструктивные особенности

Различные вариации колонн обладают разной высотой и количеством тарелок. В большинстве случаев оборудование имеет размер 375 или 750 миллиметров. Количество тарелок может варьироваться в зависимости от того, какой крепости должен быть продукт на выходе. Чем больше колпачков, тем выше градус будет у дистиллята. При этом важно понимать, что количество тарелок можно регулировать вручную.

Тип тарелок

На сегодняшний день в продаже можно найти множество вариантов тарелок, однако наиболее часто встречающимися являются колпачковые и провальные. Последние являются более доступными и позволяют получить качественный продукт при соблюдении правильного режима нагрева. Колпачковые обладают более высоким КПД и позволяют перерабатывать брагу в качественный дистиллят в любых условиях.

Как оказалось, освоить принцип работы колпачковой колонны несложно. Кроме этого, сделать ее можно и в домашних условиях своими руками. Самое главное - в процессе изготовления придерживаться определенной инструкции и соблюдать технику безопасности. Не бойтесь экспериментировать! Не получается только у того, кто ничего не делает.

В колонных аппаратах НПЗ в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение на установках АВТ получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы КУ.

Колпачковые

Ситчатые

Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме: а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные

Решетчатые

С S-образными элементами

Клапанные (дисковые)

Область применения различных типов тарелок

Основные характеристики сравнения

Нередки случаи, когда в одной в разных секциях используются тарелки разных типов. Это объясняется тем, что паровые и жидкостные нагрузки по высоте нефтяных колонн, особенно работающих с боковыми отборами, существенно различаются (иногда на порядок). При сравнении контактных устройств различного типа в качестве основных обычно выступают следующие показатели:

• Производительность.
• Гидравлическое сопротивление.
• Эффективность (коэффициент полезного действия) – характеризует степень приближения реального процесса разделения на тарелке к теоретически достижимому (теоретическая тарелка).
• Допустимый диапазон варьирования рабочих нагрузок (и по пару, и по жидкости), который определяется отношением максимально допустимой нагрузки к минимально допустимой.
• Градиент уровня жидкости по ширине полотна тарелки, который определяется тем обстоятельством, что жидкость на тарелку вводится с одного края тарелки (секции), а отводится с другого. При течении жидкости по полотну тарелки она преодолевает определенное гидравлическое сопротивление, поэтому высота слоя жидкости у приемного кармана превышает соответствующий уровень у сливного кармана. Наличие градиента приводит к нарушению равномерности распределения пара по ширине барботажного слоя и в итоге – к снижению эффективности КУ.
• Высота межтарельчатого расстояния, которая должна обеспечивать нормальную работу гидравлического затвора для обеспечения гарантированного перетока жидкости с верхней тарелки на нижнюю.
• Обеспечение длительной работоспособности при работе на загрязненных средах и средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
• Металлоемкость.
• Стоимость.
• Удобство монтажа и ремонта, простота конструкции.

Перекрестноточные насадки (ПТН)

Расчет отводимого тепла выносным орошением

Для сложных колонн, работающих с выносными холодными циркуляционными орошениями, к которым относятся и колонны АВТ, весьма важной становится ещё одна специфическая характеристика: величина реализуемого теплосъема от внутреннего парового потока холодным орошением – Q, (кВт/м 3). В этой характеристике величина достигаемого теплосъема отнесена к 1 м 3 барботажного слоя или к 1 м 3 насадки. В отечественной литературе данная характеристика учитывается достаточно редко, хотя она в значительной мере определяет эффективность работы циркуляционных орошений.

Количество тепла, отводимого от циркуляционного орошения во внешнем теплообменнике, определяется:
Q=L(Hн-Hк)

Все это количество тепла затрачивается внутри колонны на конденсацию части парового орошения, а энтальпия жидкого потока достигает при этом значения H н . В процедуре технологического расчета, который, как правило, проводится по «теоретическим тарелкам» процесс теплообмена будет завершен на первом же КУ. Фактически же именно реальная эффективность процесса теплосъема на КУ будет определять, на скольких реальных тарелках будет завершен этот процесс.

Выбор оптимальной конструкции контактных устройств

Конструкции КУ, выигрывающей у всех остальных конструкций по всем показателям, не существует. Каждая из конструкций обладает своими преимуществами и недостатками и своей областью рационального использования. В зависимости от особенностей конкретного процесса наибольшее значение могут приобретать те или иные характеристики из вышеперечисленных. Так, на выбор КУ для колонн атмосферного блока наибольшее влияние оказывают показатели производительности, эффективности и допустимого значения диапазона рабочих нагрузок, в котором обеспечивается высокая эффективность работы тарелок. Для колонн вакуумного блока на первое место выдвигается гидравлическое сопротивление КУ, поскольку оно будет определять интенсивность процесса разложения тяжелых углеводородов в зоне нагрева, а значит, в значительной мере и качество товарных фракций, хотя и в этом случае должны, конечно, учитываться и остальные характеристики. Наиболее распространенные типы КУ приведены на рисунке.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Ректификация нефти в колонне

В атмосферных колоннах хорошо зарекомендовали себя различные модификации клапанных КУ с дисковыми, прямоугольными и трапециевидными клапанами, а также комбинированные S-образные тарелки с клапанами. В вакуумных колоннах представляет интерес использование дисковых клапанов эжекционного типа, которые характеризуются наименьшим гидравлическим сопротивлением среди всех типов КУ.

Рис. 3.1. Распространенные типы 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 перекрестноточный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образный колпачок с клапаном.
Обозначения: 1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель; 4 – балласт.

Переливные устройства тарелок

Для организации перелива рабочей жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую в КУ используются специальные переливные устройства, включающие в себя сливную перегородку и карман (рис. 3.2). При больших значениях удельных нагрузок по жидкости (измеряется через расход фазы – м 3 /час отнесенный к 1 м 2 сечения колонны или к 1 м длины сливной перегородки), что характерно для многотоннажных колонн установок АТ-АВТ, для снижения градиента уровня жидкости применяются многопоточные конструкции КУ (от 2-х до 4-х потоков). Сливные карманы могут быть использованы также для подвода на КУ промежуточных потоков (холодные орошения) и/или для отвода боковых отборов (рис. 3.3). В последнем случае объемная емкость кармана наращивается за счет увеличения межтарельчатого расстояния, что повышает надежность работы откачивающего насоса.

Рис. 3.2. Устройство узлов перетока жидкости с тарелки на тарелку и ввода орошений для однопоточных (а) и двухпоточных (б) тарелок: 1 – корпус колонны; 2 – секции тарелок; 3, 4 – коллекторы ввода жидкости на верхнюю и промежуточную тарелки; 5, 6 – сливные карманы

Кстати, прочтите эту статью тоже: Вакуумная колонна

Массо – теплообмен между взаимодействующими фазами (пар – жидкость) протекает на КУ в барботажном слое: структуре, которая образуется при истечении парового потока из небольших отверстий или щелей, выполненных в полотне тарелки или в специальных устройствах (колпачках), в слой жидкости под небольшим избыточным давлением. Эта структура представляет собой ансамбль пузырьков, размер которых измеряется миллиметрами. Паровые пузырьки зарождаются при истечении газа, всплывают в слое жидкости за счет разности плотностей жидкой и паровой фаз и разрушаются на верхней границе барботажного слоя. Размер пузырьков определяется свойствами паровой и жидкой фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, …), конструкцией КУ и гидродинамическими условиями взаимодействия фаз. Суммарная поверхность массообмена в барботажном слое измеряется десятками и даже сотнями м 2 поверхности, приходящихся на 1 м 3 объема барботажного слоя.

Рис. 3.3. Узлы вывода боковых погонов (жидкость) из колонны: 1 – корпус колонны; 2 – тарелки; 3 – сливной карман увеличенного размера; 4 – сборная (глухая) тарелка; 5, 6 – патрубки для прохода паров и отвода жидкости; 7 – уравнительная труба

Рассмотренные типы контактных устройств относятся к наиболее распространенным для условий работы блоков АТ-АВТ. К настоящему времени разработаны и другие эффективные конструкции КУ , которые могут представлять интерес при решении задач проектирования. Надо при этом отметить, что какой-либо универсальной конструкции, пригодной для любых условий эксплуатации, выделить нельзя. Каждая конкретная задача проектирования должна решаться с учетом технологии производства на основе обобщения опыта работы родственных установок.

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

Типы трубчатых печей Типы и конструкция подшипников Типы и назначение ребойлеров различной конструкции

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Физико-химические основы процесса

2. Физические свойства веществ, участвующие в процессе

3. Технологический расчёт

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

4.2 Расчётная часть

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

5.2 Расчётная часть

6. Конструктивный расчёт

6.1 Условные обозначения

6.2 Расчётная часть

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Перегонка и ректификация относятся к числу ведущих процессов химической технологии и составляют основу многих технологических процессов нефтегазопереработки. При этом нельзя не отметить, что из всех процессов ректификации, применяемых в химической технологии, более 80% приходится на нефтегазопереработку.

Перегонка и ректификация основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка - это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация - это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Принципиальная схема ректификационной колонны выглядит следующим образом:

Рисунок 1 - ректификационная колонна.

Ректификационная колонна? противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте осуществляется процесс тепломассообмена между стекающей вниз жидкостью (флегмой) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высоко кипящим компонентом, а паровая фаза - более низко кипящим.

Рассмотрим схему ректификационной установки непрерывного действия на рисунке 1. Внутри ректификационной колонны 1 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба-испарителя 2 (куб-испаритель может располагаться непосредственно под колонной). На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счёт конденсации - частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

Этот процесс имеет большое значение в химической технике. Достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жилкой смеси.

Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.

Суть процесса ректификации заключается в многократном повторяющемся по высоте колонны цикле испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний).

Для проведения процесса ректификации в основном используют два типа колонн:

· тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;

· насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.

Для разделения простых бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с небольшим числом тарелок устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число тарелок в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.

Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется.

Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

Для успешного взаимодействия флегмы, стекающей вниз по колонне, и пара, движущегося вверх, можно использовать любые другие контактные элементы, увеличивающие площадь и эффективность этого взаимодействия.

Для ректификационных колонн сверхмалого диаметра (10-70мм) более эффективным, по сравнению с тарелкой, контактным элементом является насадка. Насадка заполняет собой весь внутренний объем ректификационной части колонны. Существует множество различных типов насадок, например, регулярные насадки -- Спрейпак, Зульцер, Стедман; хаотичные (насыпные) -- керамические кольца Лессинга, Паля, Берля, наиболее распространенная - проволочная спирально-призматическая насадка.

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадок, например, спирально- призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.

Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).

В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью.

1. Фи зико-химические основы процесса

В рассмотренных процессах разделения бинарных жидких смесей обогащение достигается ректификацией восходящего потока паровой смеси, а накопление высококипящего компонента (исчерпывание низкокипящего) в кубовой жидкости - простой дистилляцией. Процесс разделения можно осуществить непрерывно, если производить обе операции ректификацией, использовав для этой цели две последовательно соединённые колонны: укрепляющую и исчерпывающую. В первом из этих колонн будет происходить обогащение паров, образующихся при частичном испарении жидкости смеси, низкокипящим компонентом (ректификация паров), а во второй - извлечение (отгонка, исчерпывание) этого компонента из стекающей вниз жидкой фазы (ректификация жидкости). Обе колонны располагаются чаще всего друг над другом, имея общий корпус, но могут также устанавливаться отдельно.

В ректификационной установке непрерывного действия исходная жидкая смесь состава X1 подаётся на нижнюю тарелку укрепляющей колонны, являющуюся одновременно верхней тарелкой исчерпывающей колонны; эта тарелка называется тарелкой питания. Укрепляющая колонна снабжена конденсатором и орошается потоком флегмы, обеспечивающим получение дистиллята требуемого постоянного состава.

С тарелки питания, где флегмы объединяются с исходной смесью, поток жидкости стекает в исчерпывающую колонну навстречу паровому потоку, образующемуся в дистилляционном кубе. Благодаря контакту с паром, обогащённым высококипящим компонентом, жидкость обедняется низкокипящим компонентом и стекает в дистилляционный куб, где часть её испаряется, а остальное количество непрерывно отводится в качестве кубового остатка. При подаче исходной смеси с температурой кипения и отсутствии потерь тепла в окружающую среду поток пара по высоте обеих колонн остаётся практически постоянным (D=const). Потоки жидкости в обеих колоннах различны: в укрепляющей колонне он равен количеству поступающей флегмы (W=const), а исчерпывающей он слагается из W и количества притекающей исходной смеси W1, поэтому W=W+W1.

Мы предполагали до сих пор, что разделяемая смесь поступает на тарелку питания ректификационной колонны при температуре кипения. В практике, однако, встречаются отклонения от этого режима; разделяемая смесь может иметь начальную температуру ниже точки кипения или находиться в парожидкостном и даже в парообразном состояниях. ,

2. Физические свойства веществ, участвующих в процессе

Исходные данные к расчёту.

Рассчитать ректификационную установку непрерывного действия для разделения F (кг/с) бинарной смеси с содержанием легко летучего компонента XF (% мольных), содержание низкокипящего компонента в дистилляте XP (% мольных), в кубовом остатке XW (% мольных). Продолжительность операции ф часов, давление в аппарате атмосферное, температурами охлаждающей воды в дефлегматоре и греющего пара обосновано задаться.

Выпишем необходимые справочные данные для веществ, участвующих в процессе:

Таблица 1 - Задание на курсовой проект.

Таблица 2 - Физические свойства веществ, участвующих в процессе.

3. Технологический расчёт

Таблица 3 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных %, температуры кипения (t) в ° С двойных смесей при 760 мм. рт.ст.

По данным о равновесных составах двойных смесей составим графики:

t - x - y диаграмму и x - y диаграмму.

Построение рабочей линии процесса.

XF=40 XP=90 XW=5

R - рабочее флегмовое число. Для вычисления рабочего флегмового числа, минимальное флегмовое число умножают на коэффициент избытка флегмы, который находится в пределах 1.2ч 2.5.

R=Rmin(1.2ч2.5).

Rmin - минимальное флегмовое число соответствует режиму работы колонны, когда весь получаемый конденсат идёт на орошение.

1.2ч2.5 - коэффициент избытка флегмы.

Основными параметрами, определяющими заданное разделение в процессе ректификации, являются флегмовое число (кратность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего орошения, вводимого в колонну, к количеству вещества. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить количество тарелок и наоборот. При минимальном флегмовом числе Rmin необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соответствуют оптимальному флегмовому числу и оптимальному числу тарелок.

Rmin =XP -YF/ YF -XF

max t - min t/10 = 56.2-39.3/10=2

Из графиков находим:

YF=57% tF=40 ° С

YP=78% tP=39.7 ° С

YW=19% tW=85 ° С

4. Материальный баланс

4.1 Условные обозначения

F - выход сходной смеси;

P - продукционный выход дистиллята;

W - выход кубовой жидкости;

aF, aP, aW - массовые доли низкокипящего компонента в потоке;

XF, XP, XW - мольные доли низкокипящего компонента в потоке;

YF, YP, YW - содержание низкокипящего компонента в парах над жидкостью;

Ф - расход флегмы.

4.2 Расчётная часть

1. колонна ректификации, точка водоисходной смеси условно делится на две части: нижняя - исчерпывающая колонна, верхняя - укрепляющая колонна;

Переведём мольные доли низкокипящего компонента в жидкой фазе в массовые.

1) aF=Мн.к.* XF / Мн.к.* XF+Мв.к.(1- XF)

aF=80*0.4/80*0.4+58(1-0.4)=0.48

2) aP= Мн.к.* XP / Мн.к.* XP+Мв.к.(1- XP)

aP=80*0.9/80*0.9+58(1-0.9)=0.93

3) aW= Мн.к.* XW / Мн.к.* XW+Мв.к.(1- XW)

aW=80*0.05/80*0.05+58(1-0.05)=0.068

Переведём массовый расход исходной флегмы в кг/с:

F` = =1.45 кг/с

Выход продукта вычисляем по формуле:

P=F`(aF-aW)/ aP - aW (4.2)

P=1.45(0.48-0.068)/0.93-0.068=0.7 кг/с

Выход кубовой жидкости вычисляем по формуле:

W=1.45-0.7=0.75 кг/с

Выход флегмы вычисляем по формуле:

Ф=0.7*4=2.8 кг/с

Расход паров в верхней части колонны вычисляем по формуле:

G=0.7+2.8=3.5 кг/с

5. Тепловой баланс

5.1 Условные обозначения

Q - количество тепла, отданное греющим паром;

D` - расход пара, поступающего в рубашку колонны;

r - теплота конденсации паров (определяется по температуре греющего пара, который на 15-20 ° С выше температуры tW).

D`` - расход тепла в подогревателе;

rP - теплота конденсации паров;

g - расход охлаждающей воды;

G - выход паров в верхней части колонны;

C - теплоёмкость пара низкокипящего компонента;

tr - температура пара;

t1 - температура флегмы;

CВ - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг*К;

CF - теплоёмкость исходной смеси;

5.2 Расчётная часть

Тепло, пришедшее с исходной смесью:

Q1=F`*CF*tF (5.1)

CF=Cн.к.*aF/ Cн.к.*aF+Cв.к.(1- aF)

CF=946.625*0.48+2300(1-0.48)=1650.38 Дж/кг*К

Q1=1.45*1650.38*40=95722.04 Вт

Количество тепла, поступившее с флегмы:

Q2=Ф*Cф*tф (5.2)

Cф=Cн.к.* aP+ Cв.к.(1- aP)

Cф=946.625*0.93+2300(1-0.93)=1041.36 Дж/кг

tф=tp-15=39.7-15=24.7 К

Q2=2.8*1041.36*24.7=72020.46 Вт

Количество тепла, ушедшее с парами в верхней части колонны:

JP= rp+CP*tP (5.4)

rp=rн.к.*aP+ rв.к.(1-aP)

rp=334750*0.93+516000(1-0.93)=67257.5 Дж/кг

JP=67257.5+1041.36*39.7=108599.5 Дж/кг

Q3=3.5*108599.5=380098.5 Вт

Количество тепла, ушедшее с кубовой жидкости:

Q4=W*CW*tW (5.5)

CW=Cн.к.*aW+Cв.к.(1- aW)

CW=946.625*0.068+2300(1-0.068)=67257.5 Дж/кг

Q4=0.75*2208*51.3=84952.8 Вт

Потеря тепла составляет 3% от тепла, отданного греющим паром.

Qпотерь=0.03*D`*r (5.6)

Qпотерь=0.03*0.13*2321000=9052 Вт

D`==0.13 кг/с

Тепловой баланс дефлегматора.

Q 1 =G*r P =3.5*67257.5=235401.25 Вт (5.8)

Q 2 =G*C P (t P -t Ф)= 3.5*1041.36*(39.7-24.7)=54671.4 Вт (5.9)

Q= Q 1 + Q 2 =235401.25+54671.4=290072.65 Вт

Q=g*C воды (t 2 -t 1), температурами охлаждающей воды обоснованно задаться: t2=32 ° С и t 1 =22 ° С

g=Q/C воды* 10 ° С =290072.65 /4200*10=7 кг/с (5.10)

Q= 7*4200*10=294000 Вт

Определение общего расхода греющего пара на ректификацию.

Так как исходная смесь поступает нагретой до температуры кипения, определим расход пара на подогрев исходной смеси:

Qподогрева=F`*C F (t F -t), где t- температура хранения исходной смеси.

Qподогрева=1.45*1650.38(40-20)=47861.02 Вт

Q подогрева =D``*r пара, отсюда D``= Q под / r пара (5.11)

D``=47861.02 /2273*10 3 =0.021 кг/c

Общий расход пара на реакцию определяется:

D=0.13+0.021=0.151 кг/c

6. Конструктивный расчёт

6 .1 Условные обозначени я

ректификационный тарельчатый пар дистиллят

Д - диаметр колонны;

w - оптимально допустимая скорость паров в колонне;

с - коэффициент, учитывающий конструкцию тарелки;

с P - плотность дистиллята в жидком состоянии;

V - объёмный расход паров;

R - постоянная Больцмана;

Р - давление;

Т - температура дистиллята;

М ср. - средняя молекулярная масса.

6.2 Расчётная часть

Определение диаметра колонны:

1. Находим объёмный расход пара в верхней части колонны.

V=G*R*T/М ср. *Р, где R=8314 Дж/моль*К, P=10 5 Па (6.1)

T=t P +273 ° С (6.2)

М ср =М н.к. *X P +М в.к. (1- X P) (6.3)

T=39.7+273=312.7 К

М ср =80*0.9+58(1-0.9)=80 моль

V=3.5*8314*312.7/80*10 5 =1.14 м 3 /c

2. Определим оптимальную допустимую скорость пара в колонне

w=cv с P -с пара / с P (6.4)

По графику находим значение коофициента c, Выбираем колпачковые тарелки. Принимаем расстояние между тарелками HТ=300 мм, c=0.052 [Павлов, с. 323]

w=0.052v829.68-2.2/2.2=1.0088 м/с

3. Определим внутренний диаметр колонны

Принимаем стандартный диаметр колонны 1200 мм

Гидравлический напор.

Предварительно принимаем расстояние между тарелками HТ=0.3 м и коофициент вспениваемости ц=0.8

Скорость пара в рабочем сечении колонны равна:

w P =ц*w о (6.6)

w P =0.8*1.0088=0.81 м/с

Объёмный расход пара в колонне равен:

VП=G/ с P (6.7)

VП=3.5/2.7=1.3 м 3 /c

Рабочая площадь тарелки составит:

FP= VП/ w P (6.8)

FP=1.3/0.81=1.6 м 2

По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны диаметром:

Д=1200мм; периметр слива П=0.818 м; площадь слива F сл =0.099 м 2 ; площадь прохода пара F о =0.129 м 2 ; длину пути жидкости по тарелке l ж =0.856 м; зазор под сливным стаканом а=0.06 м; количество колпачков т=43; диаметр колпачка d к =100 мм

В задачу дальнейших гидравлических расчётов основных параметров тарелки входит определение высоты сливного порога h пор. , подпора жидкости над сливным порогом h сл. , высоты прорезей колпачка h пр. и, если это необходимо сопротивление тарелки ДP.

Из исходных данных имеем отношение ==1.25‹2. Следовательно, при определении величины h сл. Можно было бы не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности рассмотрим расчёт h сл. с учётом уноса жидкости.

Для того, чтобы найти величину У по уравнению (6.16), необходимо знать высоту пены на тарелке h пн. , которая рассчитывается по формуле (6.15), включающему, в свою очередь, величину h сл. и высоту h пор. .

Величину h сл рассчитываем предварительно без учёта уноса жидкости, тогда

h сл. =0.68(V ж. /П) 0.67 (6.9)

V ж =Ф/ с P (6.10)

с P =сН.К.* aP+сВ.К.(1-aP) (6.11)

с P =1263*0.93+792(1-0.93)=1230.04 кг/ м 3

V ж =2.8/1230.04=0.0023 м 3 /c

h сл. =0.68 () 0.67 =0.014 м

Для определения высоты сливного порога рассчитаем по уравнению (6.12) высоту прорезей в колпачках.

Примем колпачок с прямоугольными прорезями шириной b=4 мм. Количество прорезей в одном колпачке zКН=26. Общее количество колпачков на тарелке m=43.

h пр =0.46* (V П /mzb) 2 *с П /с ж -с П (6.12)

h пр =0.46* =0.03 м

Принимаем по таблице высоту прорези h пр =30 мм

В этом случае пар будет проходить через полностью открытые прорези и частично через нижнюю кромку колпачка. Для обеспечения этого примем высоту установки колпачка h у =10мм. Глубина барботажа при абсолютном давлении Р=98100Па, согласно уравнению (6.13) составит:

h г.б. =(0.7/с ж)р 0.35

h г.б. =()*(98100) 0.35 =0.028 м (6.13)

Найдём по уравнению (6.14) высоту сливного порога:

h пор. = h г.б -h сл. +h пр. +h у (6.14)

h пор. =0.028-0.014+0.03+0.01=0.054 м

Высота пены, образующейся на тарелке, в соответствии с формулой (6.15), составит:

h пн =К 2 /у 0.33 (К 3 *w р 2 *с П +К 4 *h сл +h пор) (6.15)

К 1 =23.0*10 -5

h пн =0.23/0.02 0.33 (4.4*10 -2 *(0.81) 2 *2.7+4.6*0.014+0.054)=0.2 м

Величина относительного уноса жидкости согласно уравнению (6.16) составит:

У=К 1 /у(w P /H Т -h пн.) n 1 (6.16)

У=23*10 -5 /0.02(0.81/0.3-0.2) 1.16 =0.010.1

Следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно.

Действительную нагрузку сливного устройства по жидкости рассчитываем по уравнению (6.17):

V ж.д. =V ж +G*У/с ж (6.17)

V ж.д. =0.0023+=0.00233 м 3 /c

Действительная величина подпора жидкости над сливным порогом

h сл. =0.68() 0.67 =0.013 м

мало отличается от ранее рассчитанной h сл. =0.014 м

Проверим работоспособность сливного устройства тарелки. Для этого рассчитаем скорость жидкости в сливном устройстве по формуле (6.18):

w ж.сл. =V ж.д. /F сл. <К 5 Н Т n 2 (6.18)

В соответствии с формулой (6.18) и данным таблицы комплекс:

F сл =0.099м 2

w ж.сл. ==0.024 м/с

К 5 Н Т n 2 =0.250(0.3) 0.65 =0.115

Следовательно, условие формулы (6.18) соблюдается и захлёбывания сливного устройства не произойдёт.

Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана рассчитываем по формуле (6.19):

w ж.з. =V ж.д. /(Па)<0.45 (6.19)

w ж.з ==0.0466 м/с <0.45

Из приведённых расчётов следует, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.

Сопротивление сухой тарелки определяем по формуле (6.20):

ДP c =ж c *с П *w о 2 /2 (6.20)

где скорость пара в паровых патрубках равна

w о =V П /F о (6.21)

w о ==6.6 м/с

Коэффициент сопротивления для колпачка диаметром D кл =100мм составит:

ж=1.73* D кл -0.25 (6.22)

ж=1.73*0.1 -0.25 =3.1

ДP c =3.1*2.7*(6.6) 2 /2=182.3 Па

Величина перепада уровня жидкости на тарелке в соответствии с формулой (6.23) составит:

Дh=0.1*лЭ*(lж*V ж 2 /П 2 (h пор + h сл.) 3 g (6.23)

Дh=0.1*16*(0.856*(0.0023) 2 /(0.818) 2 *(0.054+0.014) 3 *9.81=0.0023 м

Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по формуле (6.24):

ДPж=(h г.б + h пр + Дh/2) с ж *g (6.24)

ДPж=(0.028+)1230.04*9.81=532.8 Па

Общее сопротивление тарелки равно:

ДP= ДP c +ДPж (6.25)

ДP=182.3+532.8=715.1 Па

Найдём общую высоту колонны:

H=(n-1)h+Hверх.+Hнижн. (6.26)

H=(9-1)0.3+1+2=5.4 м

7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров

Диаметры штуцеров рассчитываются по формуле (7.1)

1. Штуцер для ввода исходной смеси.

сF=сн.к.* aF+св.к.*(1- aF)

сF=1263*0.48+792*(1-0.48)=1018.08 кг/м 3

VF==0.0014 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=100 мм

2. Штуцер для выхода паров.

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=2.7*0.93+2.2*(1-0.93)=2.665 кг/м 3

Vпар==1.3 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY1=400 мм

3. Штуцер для входа флегмы.

VФ=Ф/ сP (7.5)

сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)

сP=1263*0.93+792*(1-0.93)=1230.04 кг/м 3

VФ==0.0023 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY3=100 мм

4. Штуцер для выхода кубовой жидкости.

сw= сн.к.* aw+св.к.*(1- aw)

сw=1263*0/068+792(1-0.068)=824.028 кг/м 3

Vw==0.001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY4=100 мм

5. Штуцер для подачи греющего пара в рубашку аппарата.

V=D`/ сгр.п. (7.8)

сгр.п. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С выше, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 71.2 ° С.

сгр.п.=0.198 кг/м 3

Примем стандартный диаметр DY5=200 мм

6. Штуцер для выхода конденсата греющего пара

V=D`/ сконд. (7.9)

сконд.. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С ниже, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 31.2 ° С.

сконд.=998 кг/м 3

V==0.0001 м 3 /c

Примем стандартный диаметр DY6=50 мм

Общая масса аппарата:

M=mобеч.+mдн. +mкр. (7.10)

mобеч.=*Дк*S* сст*H (7.11)

Подбираем днище и крышку аппарата:

V=421*10 -3 м 3

mдн.=mкр.=137 кг

Находим массу обечайки:

mобеч.=3.14*1.2*0.01*7850*5.4=1597.3 кг

По формуле (7.10) находим массу аппарата:

M=1597.3+137+137=1871.3 кг

Находим массу загрузки:

mзагр.=(Vкр.+Vдн.+Vк.) сср. (7.12)

сср.= сн.к+ св.к./2 (7.13)

сср.==1027.5 кг/м 3

Vк=*Дк 2 /4*H (7.14)

Vк=*5.4=6.1 м 3

По формуле (7.12) находим массу загрузки:

mзагр.=(0.421+0.421+6.1)1027.5=7133 кг

Масса нагрузки на опору с учётом запаса нагрузки 20 % :

P=(Mап.+ mзагр.)1.2*g/1000000 (7.15)

Заключение

Целью расчёта является расчёт ректификационной колонны тарельчатого типа. В ходе расчёта определили выход продукционного дистиллята и кубовой жидкости, расход флегмы, расход греющего пара, расход охлаждающей воды в дефлегматоре, габариты проектируемого аппарата, диаметр штуцеров, массу аппарата, а также максимальную загрузку на опору.

Список использованной литературы

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию, М., Химия, 1991 год.

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефте-химической технологии, М., Химия, 1987 год.

3. Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств, Л., 1970 год.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Описание технологической схемы, эксплуатация и конструкция аппарата ректификационной колонны. Материальный и тепловой баланс установки. Определение высоты и массы аппарата, подбор тарелок и опоры. Гидравлическое сопротивление насадки и диаметр штуцеров.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011


Общее описание процесса ректификации. Разработка ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол. Технологический, гидравлический и тепловой расчет аппарата. Определение числа тарелок и высоты колонны, скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011


Схема ректификационной установки. Определение массовых и объемных расходов пара и жидкости вверху и внизу тарельчатой колонны. Гидравлическое сопротивление тарелок. Расчет теплообменных аппаратов: диаметра, изоляционного слоя и стенки корпуса колонны.

курсовая работа , добавлен 04.06.2015


Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011


Средняя плотность пара в ректификационной колонне. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, получаемой в кубе-испарителе, в водяном холодильнике кубового остатка, в водяном холодильнике дистиллята. Расчет удельных диаметров фланцев.

курсовая работа , добавлен 13.10.2011


Способы определения расхода поглотительного масла, концентрации бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера. Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера. Определение требуемой поверхности нагрева в кубе колонны и расхода греющего пара.

контрольная работа , добавлен 07.06.2011


Технологическая схема процесса ректификации. Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок. Равновесные составы жидкости и пара. Материальный баланс процесса ректификации. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара.

курсовая работа , добавлен 19.09.2014


Теоретические основы процесса выпаривания. Устройство, принцип работы выпарного аппарата с выносной греющей камерой. Определение расхода охлаждающей воды, диаметра и высоты барометрического конденсатора. Расчет вакуумнасоса, теплообменного аппарата.

курсовая работа , добавлен 19.06.2015


Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Определение средних физических величин пара и жидкости. Высота газожидкостного слоя. Скорость пара в свободном сечении тарелки. Расчет гидравлического сопротивления колонны.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011


Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

Поскольку в процессе ректификации должны участвовать два потока паров и жидкости, состоящие из одних и тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обеспечения условий ректификации в верхней части колонны отводят тепло, а в нижней части подводят тепло. При конденсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (орошения, флегмы), перетекающей с тарелки на тарелку. Подвод тепла в нижнюю часть колонны обеспечивает испарение части жидкости и образование парового потока.

Рис. 6.3.1 Схема работы ректификационной колонны

2) Парциальный конденсатор

3) Холодное испаряющееся орошение

4) Циркуляционное неиспаряющееся

орошение

1) Схема ректификационной колонны

5) Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством6) Подвод тепла с горячей струёй

(парциальный кипятильник)

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется питательной секцией . Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей , а ниже ввода сырья - отгонной или исчерпывающей .

Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, в сложной колонне число отбираемых продуктов больше двух. Они могут выводиться в виде дополнительных боковых погонов.

6.4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ и ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСы РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной (двухкомпонентной) смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту (НКК). Основные потоки представлены на рис. 6.3.1 (1). При установившемся режиме работы колонны массы потоков остаются неизменными и можно составить следующие уравнения материального баланса для всей колонны:

где F, D и W - соответственно количества сырья, дистиллята и остатка (кг).

Потоки колонны и соответствующие концентрации НКК в продуктах колонны взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.

Работа ректификационной колонны связана с обменом энергией (теплом) между контактирующими фазами. При этом все подведенное в колонну тепло (с сырьем Q F и в нижнюю часть колонны Q В ) должно быть отведено (без учета теплопотерь в окружающую среду) из колонны парами ректификата Q D , жидким остатком Q W и потоком хладоагента на верху колонны Q d .

Тепловой баланс колонны запишется следующим образом:

При прочих постоянных тепловых потоках, изменение количества тепла, вносимого сырьём, требует соответствующего изменения количества тепла вводимого в нижнюю часть колонны Q В : при увеличении Q F необходимо уменьшить Q В , и наоборот.

Тепловые потоки колонны должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.

6.5. ФЛЕГМОВОЕ (ПАРОВОЕ) ЧИСЛО

Для анализа ректификационных процессов принято использовать приведённые фазовые потоки (рис. 6.3.1). Обозначим

где g и D – количество жидкости в любом произвольном сечении колонны и количество дистиллята.

Это отношение является флегмовым числом; оно представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчёте на один кмоль отводимого дистиллята.

Число теоретических тарелок зависит от флегмового числа. В колонне заданные составы продуктов могут быть получены при варьировании флегмового числа в определённых пределах и, как следствие, изменении числа тарелок в колонне.

При бесконечном орошении число тарелок будет минимальным N min . При уменьшении флегмового числа число тарелок в колонне увеличивается и при некотором минимальном флегмовом числе R min число тарелок, обеспечивающих заданное разделение смеси, возрастает до бесконечно большого.

Если рассмотреть данный вопрос в практической плоскости, то при снижении количества жидкости по колонне (орошения) наблюдается увеличение количества дистиллята (пара) и, как следствие:

Т.е. стремится к снижению R min

При этом будет наблюдаться насыщение потока пара высококипящими компонентами, что подтверждает теорию о снижении числа теоретических тарелок.

Обычно выбирают такое флегмовое число, которое обеспечивает оптимальные эксплуатационные показатели. В общем случае флегмовое число определяют экономическими расчётами, т.к. с ростом R увеличиваются потоки (затраты) теплоты в кубе колонны и конденсаторе колонны: рост R при постоянном потоке дистиллята D означает увеличение потока флегмы. Поэтому с повышением R возрастают расходы теплоносителя (нагрузка на теплообменники, трубчатые печи и т.д.)

6.6. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ОРОШЕНИЯ В КОЛОННЕ

Для образования потока флегмы в верхней части колонны необходимо отводить тепло, обеспечивая конденсацию соответствующего количества паров. В нефте- газоперерабатывающей промышленности получили применение следующие три основных способа отвода тепла: парциальным конденсатором, холодным испаряющимся орошением и циркуляционным неиспаряющимся орошением, схемы которых даны на рис. 6.3.1 (2,3,4).

Отвод тепла в парциальном конденсаторе (рис. 6.3.1-2). При данном способе отвода тепла пары D , уходящие с верхней тарелки колонны, поступают в конденсатор, где часть этих паров g конденсируется и возвращается на верхнюю тарелку, образуя орошение, а пары дистиллята отводятся из конденсатора. При парциальной конденсации принимают, что пары дистиллята D и флегмы g стекающей из парциального конденсатора, находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.

Отвод тепла холодным испаряющимся орошением (рис. 6.3.3-3). Этот способ отвода тепла получил наибольшее распространение. В отличие от парциальной конденсации, поток паров с верхней тарелки направляется в конденсатор, где полностью конденсируется охлажденем. Образовавшаяся холодная жидкость делится на два потока, один из которых подаётся в качестве холодного (или острого) орошения на верхнюю тарелку колонны. Эта холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. Пары охлаждаются и, частично конденсируясь, образуют поток жидкости (флегмы) с верхней части колонны,а холодное орошение большей частью испаряется, присоединяясь к парам ректификата. Таким образом, в конденсатор поступают пары ректификата D и холодного орошения g .

Изменяя массу холодного орошения g, можно регулировать количество отводимого в конденсаторе тепла G d ,и тем самым изменять массу потока жидкости (флегмы) в верхней части колонны, который в свою очередь влияет на весь процесс ректификации. Количество холодного испаряющегося орошения требуется тем меньше, чем ниже его температура.

Отвод тепла циркуляционным неиспаряющимся орошением (рис. 6.3.1-4). Этот вид орошения применяют в нефтепереработке в случае коррозионного сырья, содержащего пары воды, что в условиях конденсации приводит к интенсивной коррозии оборудования. Из сопоставления схем орошениялегко установить аналогию с парциальной конденсацией.

Часть флегмы с верхней тарелки охлаждается в холодильнике и возвращается на верхнюю тарелку. Здесь холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. При этом часть паров охлаждается и конденсируется, образуя поток флегмы,а пары ректификата D покидают колонну. Таким образом, верхняя тарелка колонны работает, как парциальный конденсатор, а пары ректификата находятся в равновесии с циркулирующей жидкостью, т.е. масса циркуляционного неиспаряющегося орошения тем меньше, чем ниже его температура.

Выбор той или иной схемы орошения определяется особенностями эксплуатации, свойствами перерабатываемой смеси и экономическими соображениями.

6.7. СПОСОБЫ ПОДВОДА ТЕПЛА В НИЖНЮЮ ЧАСТЬ КОЛОННЫ

Чтобы создать поток паров, в нижнюю часть колонны необходимо подводить тепло. При этом часть флегмы испаряется и создается необходимый для ректификации поток паров. Наиболее часто реализуются следующие способы подвода тепла: в подогревателе с паровым пространством (парциальном кипятильнике), в теплообменном аппарате с последующим ОИ нагретого потока в низу колонны (горячая струя). Схемы основных способов подвода тепла в колонну даны на рис. 6.3.1 (5,6).

Вследствие недостаточного объема нижней части ректификационных колонн тепло обычно подводят в специальные выносные аппараты: подогреватели с паровым пространством, теплообменники, трубчатые печи.

Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством (рис. 6.3.1-5). В этом случае жидкость, поступающая в подогреватель, нагревается до температуры кипения остатка. Образовавшиеся пары D 0 находятся в равновесии с отходящим из кипятильника остатком W. Таким образом, данный способ подвода тепла эквивалентен по разделительному действию одной теоретической тарелке (парциальный кипятильник).

Масса горячей струи уменьшается с повышением ее температуры.

Подвод тепла горячей струей (рис. 6.3.1-6). Этот способ подвода тепла применяют в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями не представляется возможным или целесообразным.

Нагретая циркулирующая жидкость (горячая струя) поступает в колонну. При поступлении в колонну циркулирующий поток подвергается процессу ОИ, разделяясь на паровой и жидкостной потоки. Флегма с нижней тарелки и жидкость циркулирующего потока смешиваются и стекают в нижнюю часть колонны. Отсюда часть потока выводится в качестве остатка W, а другая часть направляется в подогреватель. Под нижнюю тарелку поступает пар D 0 .

6.8. ВЫБОР ДАВЛЕНИЯ В ректификационной КОЛОННЕ

Давление в ректификационной колонне определяется прежде всего термостойкостью разделяемых продуктов и возможностью использования доступных и дешевых охлаждающих агентов (воды, воздуха) и теплоносителей (водяного пара). Поэтому давление в колонне должно быть выше атмосферного, если разделяемые вещества имеют низкие температуры кипения при атмосферном давлении (например, углеводородные газы), иначе для их конденсации потребовались бы специальные хладоагенты (аммиак, пропан, фреоны и т. п.). Повышение давления приводит к увеличению температур в колонне, что позволяет осуществлять конденсацию паров с использованием обычных теплоносителей. При ректификации углеводородных газов применяют давление до 4 МПа.

В случае разделения высококипящих продуктов (мазут, масляные фракции и др.) приходится понижать давление ниже атмосферного. Это позволяет разделять углеводороды, имеющие температуры кипения при атмосферном давлении свыше 500°С, при температурах ниже 400°С без заметного их разложения. Обычно при разделении высококипящих смесей углеводородов применяют остаточное давление - 6,7 кПа и менее.

Следует иметь в виду, что при повышении давления в колонне, как правило, уменьшаются относительные летучести компонентов, что приводит к необходимости увеличивать число тарелок в колонне или расход орошения.

В общем случае при выборе давления в колонне необходимо учитывать как эксплуатационные, так и экономические показатели процесса ректификации. Однако, если нет специальных требований к процессу, следует предпочесть работу ректификационной колонны под атмосферным давлением.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Для проведения процесса ректификации применяют аппараты различных конструкций в основном колонного типа. По типу контактных устройств различают насадочные, тарельчатые и пленочные аппараты. Область применения тех или иных аппаратов определяется свойствами разделяемых смесей, производительностью и т.д.

На рис. 6.9.1 приведены схемы аппаратов основных типов.

Рис. 6.9.1. Колонные аппараты основных типов:

а - насадочный; б - тарельчатый; в - пленочный; 1 - корпус аппарата; 2 - распределитель; 3 - ограничительная решетка; 4 - насадка; 5 - опорная решетка; 6 - тарелка; 7 - переточное устройство; 8 - поверхность контакта.

Рис. 6.9.2. Основные схемы движения потоков пара и жидкости в контактной зоне:

а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток.

По способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара различают контактные устройства с противоточным, прямоточным и перекрестноточным движением фаз (рис. 6.9.2). Независимо от схемы движения потоков в пределах отдельного контактного устройства (контактной ступени) в целом по аппарату, как правило, осуществляется противоток пара и жидкости.

Насадочные колонны нашли применение в тех случаях, когда необходимо обеспечить малую величину задержки жидкости в колонне, небольшой перепад давления, а также для малотоннажных производств. Были созданы типы насадок (кольца Палля, из просечного металла, сеток и др.), которые оказались достаточно эффективными в колоннах большого диаметра.

Основные типы насадок . Насадки представляют собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок обусловливает значительную поверхность контакта пара и жидкости. Известны многие конструктивные модификации насадочных тел, основные типы которых приведены на рис. 6.9.3.

Для заполнения насадочных колонн широко применяют кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, что обеспечивает универсальность их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничивает их применение для вакуумных процессов. Созданные различные модификации колец Рашига- кольца Палля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем при кольцах Рашига.

Рис. 6.9.3. Элементы нерегулярных насадок:

1-4 – кольца Рашига, Лессинга, Палля и кольца с крестообразными перегородками; 5, 6 – круглые и трехгранные пружины; 7, 9 – керамические и штампованные металлические насадки Инталлокс; 8 – насадка Берля

В связи с необходимостью создания насадок с низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки из сеток различных конструкций.

К регулярным относятся насадки, расположение элементов которых в объёме колонны подчинено определённому геометрическому порядку создающему упорядоченные каналы для прохода элементов. Примеры таких насадок показаны на рис.6.9.4.

Элементы плоскопараллельной насадки 1 могут быть выполнены из досок, стекол, металлических пластин или сетки.

Насадка Зульцера 2 состоит из перемежающихся слоев гофрированной сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону.

Насадка Гудлоу 3 (иногда ее называют насадкой Панченкова) представляет собой свернутую спираль из сетчатого чулка. В колонну такие свитые пакеты укладываются послойно. Поток пара через них проходит в щелях между сетчатыми слоями.

Наклонно-пакетная насадка 4 представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них слоев чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).

Рис. 6.9.4. Регулярные насадки:

1 – плоскопараллельная; 2 – Зульцера; 3 – Гудлоу; 4 – пакетная с наклонными секциями

Основными размерными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью насадки f понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 2 /м 3 . Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше ее эффективность, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность.

Под свободным объемом насадки ε понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 3 /м 3 . Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность, меньше сопротивление и эффективность. С увеличением размеров насадочных тел возрастает производительность, но одновременно снижается эффективность разделения.

Рис. 6.9.5. Распределители жидкости:

7 – перфорированная плита; 2 – плита с патрубками; 3 – плита с наклонными отражателями струй; 4 – напорный маточник-распылитель

Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам колонны, насадку загружают в колонну отдельными слоями высотой от 1,5 до 3 м. Между слоями насадки устанавливают распределители различных конструкций (рис. 6.9.5).

Насадку укладывают на опорные распределительные решетки и плиты. Свободное сечение таких устройств должно быть по возможности больше и приближаться к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка работала эффективно, поверхность элемента насадки должна хорошо смачиваться жидкостью.

Гидравлика насадочных колонн . В зависимости от нагрузок колонны по пару и жидкости изменяется характер взаимодействия между ними, этим и определяется предельная скорость пара в насадочной колонне. При некоторых величинах паровой и жидкостной нагрузок резко увеличиваются количество удерживаемой в насадке жидкости и гидравлическое сопротивление слоя насадки. Такой режим называется захлебыванием колонны и считается верхним пределом устойчивой ее работы.

Тарельчатые колонны . В тарельчатых колоннах пар (или газ) проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. При этом пар дробится на мелкие пузыри и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. Принципиальная схема работы тарельчатой колонны показана на рис. 6.9.6.

Рис. 6.9.7. Основные типы ректификационных тарелок:

I – решетчатая провальная; II – сетчатая провальная; III – ситчатая перекрестноточная; IV – колпачковая (а, б, в - капсюльный, туннельный и желобчатый колпачки); V – из S-образных элементов; VI - клапанная (а, б, в, г); VII – струйная (а, б); VIII - вихревая (а -устройство вихревого элемента); 1 – корпус колонны; 2 – полотно (основание) тарелки; 3 – отверстия для прохода паров; 4 – переливные трубы; 5 – сливные сегментные карманы; 6 – сливные пластины (перегородки); 7 – паровые патрубки; 8 – колпачки; 9 – клапаны; 10 – ограничители подъема клапана; 11, 12 – фасонные отгибы полотна тарелки; 13 – просечки вихревого элемента; 14 – отражатели (п и ж – направления движения пара и жидкости)

Основные конструкции ректификационных тарелок показаны схематично на рис. 6.9.7.

Простейшая из них – решетчатая провальная тарелка (рис. 6.9.7, I ), полотно которой имеет геометрически упорядоченные ряды щелей (размерами примерно 10 x 150 мм), через которые вверх проходит пар, барботируя через слой жидкости на тарелке, и через которые часть избыточной жидкости стекает (проваливается) струями на нижележащую тарелку.

Такая тарелка очень чувствительна к изменению нагрузки по жидкости, при изменениях которой от расчетной на 20-30% тарелка может либо захлебнуться, либо не удерживать на полотне слой жидкости. Такой же эффект будет иметь место и при колебаниях нагрузки по парам.

Дырчатая волнообразная тарелка (рис. 6.9.7, II )является усовершенствованной решетчатой. Полотно ее имеет не щели, а отверстия диаметром 10-15 мм. Профиль полотна в разрезе – синусоидальный. Это позволяет разделить зоны преимущественного прохода пара (верхние изгибы тарелки) и стока жидкости (нижние изгибы полотна тарелки). Слой жидкости на тарелке удерживается выше верхних изгибов, и потому пар барботирует через этот слой. Тарелка рассчитана на колонны малого диаметра и применяется в колоннах стабилизации бензина и разделения углеводородных газов.

Обе тарелки (I и II на рис. 6.9.7.) являются провальными, и колонна с такими тарелками работает в режиме противотока пара и жидкости. Остальные из показанных на рис. 6.9.7 тарелок являются перекрестноточными, т.е. жидкость на них движется не навстречу потоку пара, а перпендикулярно или под углом, близким к прямому.

В зависимости от величины жидкостной нагрузки переток ее с тарелки на тарелку осуществляется одним, двумя и более потоками (рис. 6.9.8).

Рис. 6.9.8. Схемы потоков жидкости на тарелках с переливными устройствами:

а – однопоточная; б – двухпоточная; в – трехпоточная; г – четырехпоточная; д – с кольцевым движением жидкости; е – с однонаправленным движением жидкости на смежных тарелках; ж, з – каскадного типа; и – с серповидной сливной перегородкой.

Простейшей из тарелок такого типа является ситчатая (дырчатая) перекрестно-точная тарелка . Полотно ее имеет отверстия диаметром 4 – 12 мм по всей площади, кроме двух противоположных сегментов, где находятся сливные трубы. Эти трубы приподняты над полотном тарелки на высоту 20–40 мм (высоту слива – высоту барботажного слоя жидкости на тарелке), а другим (нижним) своим концом не доходят до полотна тарелки также на 30–50 мм. Для того чтобы поток пара не попадал в сливную трубу, нижний ее конец погружен в слой жидкости высотой не более 50 мм, создаваемый подпорной планкой перед перфорированной частью тарелки. Образующийся при этом гидрозатвор не позволяет парам попадать в сливную трубу. Переливное устройство может быть не только в виде сливных труб, но и в виде сегментной перегородки (IV, рис. 6.9.7), отсекающей от парового пространства сегментный объем, через который жидкость переливается с одной тарелки на другую.

В сливных трубах (или сегменте) уровень жидкости обычно выше уровня на нижележащей тарелке на величину, уравновешивающую гидравлическое сопротивление тарелки. Поэтому расстояние между тарелками не может быть меньше, чем этот столб жидкости в сливном устройстве.

С другой стороны, расстояние между тарелками (шаг тарелок) реально устанавливают с учетом следующих факторов:

· сепарации брызг жидкости из парового потока, выходящего из барботажного слоя, и сокращения за счет этого уноса жидкости на вышележащую тарелку;

· возможности доступа человека в межтарельчатое пространство при ремонте и осмотре тарелок.

Исходя из этих условий нормативными документами установлен шаг тарелок в зависимости от диаметра колонны от 300 до 900 мм.

Ситчатые тарелки (см. рис. 6.9.7, III) используют в колоннах небольшого диаметра (до 2,0-2,5 м). В настоящее время часто используются варианты ситчатых тарелок, полотно которых выполнено из просечно-вытяжного листа. Поток паров, проходя через такое полотно, отклоняется от вертикали и на выходе из барботажного слоя направлен под углом 40-60° к горизонтали. Чтобы интенсифицировать работу тарелки на пути выходящего из барботажного слоя пара, наклонно устанавливают отбойные элементы, изготовленные из того же просечного листа. Ударяясь об эти элементы, парожидкостная смесь сепарируется: жидкость пленкой стекает по элементу вниз, в зону барботажа, а пары через щели проходят в межтарельчатое пространство. Такие тарелки имеют очень малое гидравлическое сопротивление (0,1-0,2 кПа) и обеспечивают достаточно высокую эффективность массообменных процессов.

Рис. 6.9.9 Схема работы полотна тарелки из просечного листа:

1 – корпус колонны; 2 – стенки сливного кармана; 3 – полотно тарелки; 4 – отбойные элементы из просечного листа

Недостаток таких тарелок (как и других вариантов ситчатой тарелки) состоит в том, что при малейшей негоризонтальности или местных выпуклостях или вмятинах полотна тарелки она работает неравномерно по всей площади – в нижележащих точках проваливается жидкость, а в вышележащих – проскакивает пар без барботажа. В результате снижается эффективность тарелки.

Одним из старейших по длительности использования и массовых до сих пор типов тарелок является колпачковая тарелка (см. рис. 6.9.7, IV) с круглыми (капсюльными) колпачками. Ее отличие от предыдущих – наличие у каждого отверстия для прохода паров патрубка 7 определенной высоты, над которыми укреплен колпачок 8 с прорезями для прохода паров по всему нижнему его краю. Такое устройство позволяет ввести поток пара в слой жидкости на тарелке параллельно ее плоскости и раздробленным на множество мелких струй. Кроме того, встречные струи от соседних колпачков, соударяясь, создают завихрения в межколпачковой зоне, в результате чего повышается эффективность тарелки. Действительно, в подавляющем большинстве случаев средний к.п.д. такой тарелки на практике оказывается наибольшим – 0,6-0,8.

Существует большое число модификаций колпачковой тарелки, различающихся устройством или формой колпачков. Три из таких модификаций показаны на рис. 6.9.7 (IV, а; IV, б и IV, в).

Первая из них – это описанная выше тарелка с круглыми колпачками. Такая тарелка универсальна, она нашла применение в различных колоннах – от колонн газоразделения до атмосферных и вакуумных. В последних она используется редко из-за большой металлоемкости тарелки, сложности изготовления и монтажа.

Вторая модификация (IV, б) – это тарелка с литыми или штампованными прямоугольными (туннельными) колпачками, использовавшаяся в 1930-40-е годы в колоннах фирмы "Фостер-Уиллер" (США) для разделения мазута на масляные фракции.

Третья модификация (IV, в) – это желобчатая тарелка, особенностью которой является отсутствие полотна тарелки. Вместо него установлены стальные желоба 2, между которыми образуются щели для прохода паров. Щели накрыты колпачками 8, имеющими по своим краям прорези, длина каждого колпачка соответствует длине щели между желобами. Жидкость движется вдоль желобов к сливу; а пары барботируют через щели колпачков. В 1940-60-е годы такая тарелка получила очень широкое применение в колоннах АВТ диаметром от 1 м до 7 м, главным образом из-за большей простоты монтажа и демонтажа по сравнению с тарелкой IV, а; однако по металлоемкости желобчатая тарелка имеет мало преимуществ, а по среднему к.п.д. даже заметно ей уступает (0,3 – 0,5). В настоящее время желобчатая тарелка применяется редко и сохранилась лишь в старых ректификационных колоннах, не подвергшихся реконструкции.

На замену колпачковых и желобчатых тарелок в нефтепереработке в 1960-70-е годы пришли два новых типа тарелок – из S-образных элементов (V) иклапанная (VI).

Оригинальность тарелки из S-образных элементов состоит в том, что у нее полотно и колпачки образуют одинаковые элементы (в разрезе – S-образного профиля), но каждый колпачок при этом имеет прорези для прохода паров только с одной стороны, т.е. на единицу площади барботажа тарелки паровой поток вводится в жидкость меньшим (по сравнению сжелобчатой тарелкой) "фронтом" дробленых струй. В отличие от желобчатой тарелки жидкость на этой тарелке движется поперек туннельных колпачков, затапливая их.

Тарелки из S-образных элементов нашли очень большое распространение во всех колоннах, кроме вакуумных (из-за повышенного гидравлического сопротивления), благодаря малой металлоемкости, простоте изготовления (штамповка) и монтажа в сочетании с высокой эффективностью (средний к.п.д. 0,4–0,7).

Невысокая эффективность тарелок из S-образных элементов отчасти связана, как упоминалось выше, с меньшей долей дробленых струй паров на единицу площади барботажа. Поэтому появилась комбинированная тарелка такого типа, у которой по верхней плоскости колпачков с шагом 100-120 мм расположены отверстия прямоугольного сечения, перекрытые клапанами, открывающимися по ходу движения жидкости. Это увеличивает барботажный эффект, снижает гидравлическое сопротивление тарелки и в результате повышает ее к.п.д.

Клапанные тарелки (рис. 6.9.7, VI) по принципу устройства ближе к дырчатым, но в отличие от них позволяют регулировать проходное сечение отверстий для паров. Для этого над каждым отверстием (диаметром от 30 до 50 мм) имеется устройство (клапан), который в зависимости от количества паров под их напором приподнимается (или поворачивается) над отверстием, изменяя таким образом проходное сечение для паров.

Однако существует множество разных конструкций клапанных тарелок, различающихся устройством клапанов.

На рис. 6.9.7, VI показано 4 наиболее типичных устройства клапанов: а, б – клапаны с верхними ограничителями подъема (а – поворотный, б – тарельчатый клапан, поднимающийся вертикально); в, г – клапаны с нижними ограничителями подъема – "ножками" (в – с тремя одинаковыми по высоте ножками; г – с тремя разными по высоте ножками: одной – короткой и двумя – длинными). Клапан типа Glitch (в) поднимается вертикально под напором паров, пока отгибы его ножек не упрутся в полотно тарелки. При этом сечение для прохода паров будет максимальным, а движение паров и жидкости – строго перекрестноточным.

Рис. 6.9.10. Фрагмент секции и схема работы клапанной перекрестно-прямоточной тарелки:

а, б, в – вид секции сбоку при малой (противоток), средней (перекрестный ток) и по­вышенной (прямоток) нагрузке тарелки по парам соответственно; г – вид клапанов сверху; д – вид клапана со стороны короткой ножки; 7 – полотно тарелки; 2 – отверстий для клапанов; 3 – клапаны; 4 – короткие ножки; 5 – длинные ножки (стрелками показаны направления движения жидкости и паров)

Клапан с разными ножками (рис. 6.9.10) вначале под действием потока пара поднимается со стороны короткой ножки (так как центр тяжести такого клапана смещен в сторону длинных ножек) до тех пор, пока она упрется в полотно. В этом положении (рис. 6.9.10, а) поток паров вводится под углом к плоскости тарелки навстречу движущемуся потоку жидкости, т.е. тарелка работает в противоточном режиме. При последующем увеличении количества паров клапан поднимается со стороны длинных ножек (точнее, поворачивается вокруг точки упора – короткой ножки), и когда плоскости клапана и полотна тарелки становятся параллельными (положение "б" на рис. 6.9.10), тарелка, как и в случае с клапаном Glitch, работает в режиме перекрестного тока жидкости и паров. Если количество паров продолжает расти, то клапан поворачивается вокруг точки упора дальше и, в конце концов, упирается в полотно всеми тремя ножками ("в " на рис. 6.9.10), принимая наклонное положение, при котором большее проходное сечение для паров расположено по ходу жидкости, т.е. тарелка работает в этом случае как прямоточная.

Клапанные тарелки сочетают в себе ряд преимуществ (малая металлоемкость, простота сборки, равномерный барботаж в широком интервале нагрузок по пару и жидкости и др.), которые позволили им стать самым распространенным типом тарелки, начиная с 1970-х годов и до настоящего времени. Эти тарелки применяют практически во всех типах колонн нефтепереработки – от газоразделительных до вакуумных.

Струйные тарелки (рис. 6.9.7, VII) представляют собой полотно толщиной 3-5 мм, в котором выштампованы отверстия различной конфигурации с отгибом лепестков под определенным углом. Наиболее типичные варианты таких тарелок показаны на рисунке: а – с отогнутыми лепестками в виде прямоугольников с округленными углами, б – в виде конусных выпуклостей (типа "суфлерской будки") с отверстиями в одну сторону. Барботаж на таких тарелках происходит в режиме перекрестно-прямоточного тока, при котором динамическая энергия потока пара используется для интенсификации движения жидкости по тарелке.

Струйные тарелки рассчитаны на применение в тех случаях, когда нагрузка колонны по потоку паров достаточно высока, поэтому они нашли большее применение в колоннах газоразделения. За счет ввода паров в слой жидкости под углом к плоскости тарелки унос капель жидкости на вышележащую тарелку значительно ниже, чем у перекрестноточных тарелок.

Вихревая тарелка (рис. 6.9.7, VIII) – пример тарелки с интенсивным смешением пара и жидкости на тарелке при пониженном уносе капель с нее. На полотне такой тарелки в окружностях диаметром 100-120 мм выштампованы в радиальных направлениях отверстия с отогнутыми лепестками (VIII, а), а по центру этих окружностей на шпильках установлены отбойные чашечки такого же диаметра (100-120 мм), в дне которых расположено 6–8 отверстий диаметром 5–6 мм. Такие вихревые элементы на полотне располагаются в шахматном порядке с шагом 140-180 мм.

Поток пара, проходя через просечки под углом 40-60° к плоскости тарелки, завихряется в смеси с жидкостью, текущей по полотну тарелки, и эта парожидкостная смесь, ударяясь об отбойные чашечки, сепарируется над ними. Поток паров идет далее в межтарельчатое пространство, а основная часть жидкости выпадает в чашечки и через отверстия в них стекает вновь в зону завихренного барботажного слоя.

Такая тарелка в опытных масштабах показала малое гидравлическое сопротивление, сочетающееся с высокой массообменной эффективностью, что отвечает основным требованиям для тарелок вакуумных колонн.

Для всех рассмотренных типов тарелок факторами, определяющими область их применения и эффективность работы, являются:

· гидравлическое сопротивление;

· равномерность и интенсивность барботажа по площади тарелки;

· диапазон нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает нормально (без провала жидкости и интенсивного уноса капель).

6.10. Эксплуатация колонных аппаратов, методы воздействия на эффективность работы колонны.

Ректификационные колонны – это главные аппараты технологические установок, и их эксплуатация (пуск, нормальный режим и остановка) тесно взаимосвязана со всеми другими аппаратами и оборудованием.

В подготовительный к пуску период выполняются обычно следующие работы:

· герметизация колонны – закрытие всех люков, затяжка фланцев, к которым крепятся подсоединенные к колонне трубопроводы;

· проверка работоспособности контрольно-измерительных приборов и автоматики, связанных с работой колонны;

· опрессовка колонн с целью выявления мест пропусков и механической прочности. Эту операцию осуществляют, создавая в колонне сжатым инертным воздухом или углеводородным газом давление выше рабочего. Если в течение определённого времени оно остается постоянным, то аппарат считается выдержавшим испытание. Если давление заметно падает, то стыки всех соединений колонны с помощью мыльной пены проверяют на пропуски, при обнаружении которых соединения герметизируют;

· заполнение колонны жидкой фазой для вывода аппарата на предпусковой период.

Пусковой период включает три этапа – холодную и горячую циркуляцию и переход к нормальному режиму работы.

Холодная циркуляция нефти в течение определённого количества времени предназначена для выявления неисправностей насосов и средств измерения расхода, а также для дренажа воды, которая оставалась в аппаратах и трубопроводах. Она заключается в отладки потока нефтепродукта по циркуляционной (закольцованной) схеме, предполагающей возможность подъёма температуры (через теплообменник).

Приступая к горячей циркуляции, организовывается розжиг печи (если нет другого источника тепла) согласно нормативной документации (инструкций по эксплуатации). Далее, приступают к подъёму температуры циркулирующей жидкости с заданной скоростью (о С в час), в процессе которого из исходного углеводородного сырья начинают испаряться низкокипящие компоненты (НКК), что в свою очередь приводит к уменьшению массы жидкости и снижению уровня раздела газовой и жидкой фаз. Т.к. при эксплуатации аппаратов необходимо не допускать снижения уровня жидкости ниже минимального значения, колонну подпитывают сырьём по линиям загрузки.

Пусковой период завершается выводом всех параметров работы колонн на значения, установленные технологическим регламентом, и получением конечных нефтепродуктов с заданными качествами.

В период нормального режима эксплуатации колонн задача сводится к поддержанию регламентных значений параметров – температур, давлений, расходов, уровней – как системами автоматического регулирования, так и вручную. Кроме того, по установленному графику ведется лабораторный контроль качества сырья и получаемых дистиллятов и остатков.

Важнейшая задача при реализации процессов ректификации – воздействие на технологические параметры процесса с целью его стабилизации и получения конечных нефтепродуктов заданной чистоты.

В зависимости от величины нагрузок по пару и жидкости различают следующие режимы ректификации:

· неравномерный – только часть жидкости на полотне тарелки пронизывается паром (нет прохода в отверстиях, погнуты полотна тарелок, заклинили клапаны и др.);

· равномерный – на всей площади тарелки происходит интенсивный барботаж (желаемый);

· факельный – струи пара прорываются сквозь недостаточный слой жидкости и выходят на поверхность с большой скоростью (недостаточный слой жидкости, сопровождающийся перегревом колонны);

· унос – значительная часть жидкости захватывается потоком пара и перебрасывается на вышележащую тарелку (перегрев колонны, недостаточное охлаждение верха колонны и т.д.).

В ходе эксплуатации ректификационной колонны ставится задача – изменить чистоту конечных нефтепродуктовв. Данная задача решается изменением флегмового число R (отношение флегмы, возвращаемой обратно в колонну в виде орошения, к дистилляту (пару)):

· увеличение потока флегмы (орошения) при сохранении отборов дистиллятаи кубового остатка, если кипятильник и конденсатор рассчитаны с некоторым запасом и позволяют повысить тепловую нагрузку (увеличиваются количество орошения и количество тепла от теплообменника);

· уменьшением производительности колонны по исходной смеси, а значит, и по продуктам; при этом, сохраняя поток флегмы и понижая поток дистиллята, получают более высокое флегмовое число R (снижают загрузку колонны, при этом сохраняется количество орошения и количество тепла от теплообменника).

Повысить флегмовое число можно также путем захолаживания флегмы , т.е. возвращения ее в колонну при более низкой температуре: холодная флегма будет нагреваться в верхних зонах колонны до температуры кипения за счет конденсации части парового потока, и поток флегмы по колонне возрастет.

Увеличивая число тарелок п (высоту слоя насадки Н н), а также флегмовое число R, можно в принципе получить сколь угодно чистые дистиллят и кубовый остаток.

Еще одна возможность воздействия на чистоту продуктов - смещение точки подачи исходной смеси по высоте колонны. Так, если подать исходную смесь в колонну пониже, то увеличится протяженность укрепляющей части, и дистиллят станет чище; при этом уменьшится протяженность отгонной части колонны, так что кубовый остаток будет больше загрязнен низкокипящим компонентом. Изменение точки питания ректификационной колонны может оказаться полезным в двух основных случаях:

1) только один из продуктов должен быть весьма чистым (во втором допускается заметное содержание примеси); тогда следует увеличивать протяженность той части колонны, на выходе из которой нужно получать чистый продукт;

2) по какой-то причине изменился состав исходной бинарной смеси. Например: содержание НКК в исходной смеси понизилось; для сохранения прежней чистоты дистиллята теперь в укрепляющей части колонны потребуется большее число тарелок (или большая высота слоя насадки), чем раньше, а для сохранения чистоты кубового остатка - меньшее число тарелок в отгонной части колонны. Поэтому исходную смесь нового состава следует подавать в колонну на более низкую тарелку. Конкретно: ее надо подавать в то сечение колонны, в котором этот состав равен составу исходной смеси.

Дата публикования: 2015-01-24 ; Прочитано: 6469 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

сайт - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.028 с) ...

Отключите adBlock!
очень нужно