Ректификационные колонны
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ.
КОНСТРУКЦИЯ ТАРЕЛОК
2
ОТБОЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
ВЫВОД
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Ректификационные колонны — аппараты для разделения путем ректификации жидких смесей взаимно растворимых компонентов. Ректификационные колонны широко применяются в различных отраслях промышленности, в частности в нефтегазопереработке для разделения нефти и мазута на установках первичной перегонки нефти (АВТ), бензина на установках вторичной перегонки, углеводородных газов на газофракционирующих установках (ГФУ), продуктов реакций на установках химической переработки углеводородного сырья (каталитический крекинг, термический крекинг, гидрокрекинг, коксование и др.).
В ректификационных колоннах происходит контактирование паровой и жидкой фаз на специальных контактных устройствах — слое насадки, сетке, тарельчатых конструкциях для требуемой четкости разделения на компоненты.
Ректификационные колонны в зависимости от технологического назначения называются: колонна предварительного испарения; основная атмосферная колонна; вакуумная колонна; стабилизационная колонна; колонны вторичной перегонки бензинов; отпарные колонны.
Основная атмосферная колонна служит для разделения отбензиненной нефти на целевые фракции и мазут, направляемый на дальнейшую переработку в вакуумный блок установки.
Ректификационные колонны нефтеперерабатывающих заводов представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты, снабженные внутри ректификационными тарелками (насадками) и другими вспомогательными устройствами в виде отбойников различных кон струкций, распределителей ввода сырья, перераспределителей пото ков, штуцеров для отбора фракций и другим оборудованием. Отбойные устройства устанавливаются в определенных местах по высоте колонн и служат для отделения от паров увлекаемых ими частиц жидкости.
1 ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ.
КОНСТРУКЦИЯ ТАРЕЛОК
В ректификационных и абсорбционных
колоннах применяются тарелки различных
конструкций (колпачковые, клапанные,
струйные, провальные и т. п.), существенно
различающиеся по своим рабочим
характеристикам и технико-
В настоящее время в
промышленной практике известны сотни
различных конструкций тарелок,
которые можно классифицировать
по способу передачи жидкости с тарелки
на тарелку, по способу взаимодействия
жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру
диспергирования
По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переливными устройствами (рис. 1.1) и тарелки провальные. У тарелок со специальными переточными устройствами жидкость перетекает с тарелки на тарелку отдельно от потока пара через специальные каналы.
В зависимости от нагрузки по жидкости и технологического назначения колонны переток жидкости может осуществляться одним, двумя и более потоками (рис. 1.1а–в). При применении тарелок с большим числом потоков следует учитывать, что при этом уменьшается длина пути жидкости на тарелке и, как следствие, снижается эффективность массопередачи. Колонна разбивается на несколько самостоятельных отсеков, что препятствует перераспределению пара по сечению аппарата в целом и ухудшает равномерность работы тарелок.
а — однопоточная; б — двухпоточная; в — четырехпоточная; г — каскадная; д — с переливными трубами; е — с кольцевым движением жидкости на тарелке; ж — тарелка NYE фирмы «Glitsch»; з — многосливная тарелка фирмы «Union Carbide Corp.»; и — с двумя зонами контакта фаз.
Рис. 1.1 Различные схемы организации движения потока жидкости на тарелках с переливными устройствами
В пределах полотна тарелки течение жидкой фазы можно направить по горизонтальной поверхности или по слегка наклонной в сторону слива как в одном уровне, так и каскадом (рис. 1.1г). Применение каскадных тарелок позволяет уменьшить значение градиента уровня жидкости, что обеспечивает в колоннах большого диаметра более эффективную работу тарелок. Однако в этом случае увеличивается расстояние между тарелками и усложняется конструкция полотна.
При низких значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы (рис. 1.1д) или специальные конструкции переливов с кольцевым движением жидкости на тарелке (рис. 1.1е). В последнем случае корпус аппарата и полотно тарелки разделяются вертикальной перегородкой на две части, что позволяет вдвое уменьшить длину сливной перегородки и увеличить нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки.
Стремление увеличить производительность колонны по паровой фазе привело к разработке переливных устройств (рис. 1.1ж), оснащенных в месте ввода жидкости на тарелку дополнительной горизонтальной перегородкой, под которой располагаются контактные элементы (отверстия, клапаны и т. д.). Такая конструкция устраняет «мертвые»зоны под сливным карманом, что позволяет увеличить производительность колонны на 10…20 %.
Конструкции тарелок, приведенных на рис. 1.1з и 1.1и, оснащены специальными переливными устройствами, распределенными по полотну и не доходящими до нижележащей тарелки. Применение таких тарелок целесообразно при повышенных нагрузках по жидкости. Тарелки с двумя зонами контакта фаз (рис. 1.1и) обеспечивают взаимодействие жидкости и пара как в барботажном слое на полотне тарелки, так и в стекающих струях, что увеличивает эффективность массопередачи.
Контакт между жидкой и паровой фазами осуществляется главным
образом по схемам перекрестного
тока (тарелки с переливными
В последние годы получили
распространение перекрестно-
Скоростные прямоточные тарелки (рис. 1.2г) обеспечивают контактирование пара и жидкости в закрученном восходящем потоке. По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов. На тарелках пар (газ),
диспергируясь на мелкие пузырьки и струи, с большой скоростью проходит через слой жидкости. Образующаяся при этом газожидкостная система называется пеной. Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются барботажными. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара почти в вертикальном направлении. Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара.
а — перекрестный ток; б — перекрестный прямоток; в — противоток; г — прямоток.
Рис. 1.2 Основные схемы движения пара и жидкости в контактной зоне тарелки
Тарелки барботажного типа могут иметь стесненное или свободное зеркало барботажа (рис. 1.3). У тарелок со стесненным зеркалом барботажа часть поверхности жидкости, через которую пар выходит в межтарельчатое пространство, занята контактными устройствами желобчатыми или круглыми колпачками (примерно от 40 до 75 %), поэтому площадь для выхода пара из жидкости составляет 25…60 % рабочей площади тарелки. У тарелок со свободным зеркалом барботажа устройства для ввода пара в жидкость размещены практически на одном уровне с полотном тарелки (отверстия, клапаны и т. п.), вследствие чего пар может выходить из слоя жидкости в межтарельчатое пространство практически в любом месте барботажного слоя. Площадь для выхода пара из жидкости в этом случае составляет 70…90 % рабочей площади тарелки. При больших скоростях пара дисперсной фазой становится жидкость, а пар — сплошной фазой. Контакт между фазами осуществляется на поверхности капель и струй жидкости, движущихся в межтарельчатом пространстве с большой скоростью. Этот режим называется струйным, а контактные устройства, основанные на этом принципе взаимодействия фаз, струйными.
При струйном режиме контакт между паром (газом) и жидкостью осуществляется в прямотоке. Необходимо отметить, что при реализации чистого прямоточного движения контактирующих фаз, несмотря на значительное повышение производительности аппарата, эффективность такого взаимодействия в пределах отдельного контактно го элемента обычно невысока и ограничена условиями достижения равновесия на выходе из области контактной зоны, где осуществляется прямоток фаз. Для повышения общей эффективности взаимодействия контактирующих фаз прибегают к различным способам локализации (компенсации) прямотока.
Рис. 1.3 Схемы барботажных тарелок со стесненным (а) и свободным (б) зеркалом барботажа
В зависимости от конструкции устройств для ввода пара в жидкость различают ситчатые (дырчатые), колпачковые, клапанные, язычковые (чешуйчатые) и другие типы тарелок.
Направление ввода газа (пара) в жидкость и характер взаимо действия фаз в зоне контакта оказывают существенное влияние на производительность и эффективность работы тарелки, а также на зависимость эффективности тарелки от нагрузки по пару.
Для повышения производительности тарелки используют для контактирования фаз прямоток, а для повышения эффективности взаимодействия фаз предпочитают перекрестный ток или противоток. Оптимальное сочетание указанных характеристик обеспечивает реализацию наиболее высоких эксплуатационных показателей тарельчатых контактных устройств.
Внутренние устройства колонных аппаратов, к которым относятся массообменные элементы, устройства ввода сырья и продуктов, переточные устройства, распределители и перераспределители потоков, каплеотбойники и т. д. имеют широкое разнообразие конструкций. Их размещение внутри аппарата имеет как специфические особенности, так и общие принципы. Способы их устройства в аппаратах, как правило, регламентируются нормативными документами. При этом для проведения их обслуживания должны быть предусмотрены условия для ремонтных и монтажных работ.
Некоторые способы установки внутренних устройств показаны ниже.
Барботажные участки тарелок занимают только часть живого сечения колонны (рис. 1.4). Например, для желобчатой тарелки эта величина составляет 0,6…0,8, что является очень низким значением.
В остальном сечении расположены
переливные устройства. Во избежание
проникновения паров через
Рис. 1.4 Расположение желобчатых тарелок
Рис. 1.5 Гидравлический затвор в переливных устройствах
Широко распространены тарелки провального типа. Характерным представителем этого класса являются решетчатые тарелки (рис. 1.6). Для улучшения контакта между паром и жидкостью применяются ситчатые (рис. 1.7) и струйно-напрвленные (рис. 1.8) тарелки.
Рис. 1.6 Размещение решетчатой тарелки
1 — просечно-вытяжной лист S = 1,8 мм; 2 — полосы; 3 — отбойник
Рис. 1.7 Ситчатая тарелка с отбойными элементами
Рис. 1.8 Струйно-направленная тарелка
Каскадные тарелки (рис. 1.9) эффективно работают в аппаратах большого диаметра. Жидкая фаза движется по тарелке либо от края к центру, либо от центра к краю.
Применяются также тарелки с радиально круговыми потоками жидкости (рис. 1.10). Пары, направляясь вверх, движутся через прорези тарелок и отклоняются от вертикали.
Рис. 1.9 Каскадная тарелка
Б – раскрой листов; А – схема направления потоков на нечетных тарелках; В – схема направления потоков на четных тарелках; Г – схема направления потоков на отбойниках; Д – узел крепления тарелок и отбойника
Рис. 1.10 Ситчатая тарелка с радиально-круговой организацией потока жидкости
Благодаря своей простоте широко применяются тарелки из S-образных элементов. Их устройство и крепление показано на рисунках 1.11…1.13.
Рис. 1.11 Узел крепления S-образного элемента к корпусу аппарата
1 — S-образный элемент; 2 — планка; 3 — сливная перегородка; 4 — карман сегментный
Рис. 1.12 Тарелка с S-образными элементами
Рис. 1.13 Размещение S-образных элементов тарелки
Колпачковые тарелки с
капсульными колпачками до недавнего
времени считали лучшими
Основной частью колпачковой тарелки (рис.1.14) является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с отверстиями для паровых патрубков 6. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм.
Рис. 1.14 Колпачковая тарелка
Для создания, необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной перегородкой 3. Переливная перегородка 1 образует переливной карман а, в который погружается сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.
Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.
Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой 3, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ — вверх по оси колонны.
Колпачковые тарелки можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита, пластмасс и др.
Тарелки с капсульными колпачками имеют относительно высокий КПД (0,75—0,80) и работают в широком диапазоне произ-водительностей по газу. Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Для этих тарелок F ≈ 1 (м/с) (кг/м3)-0.5, а гидравлическое сопротивление, зависящее от глубины погружения колпачка, не превышает 1 кПа. К недостаткам этих тарелок следует прежде всего отнести значительные металлоемкость и трудоемкость изготовления.
Клапанные тарелки также широко
применяют в нефтехимической
промышленности. Основные преимущества
этих тарелок — способность
Клапанные тарелки изготовляют
с дисковыми и прямоугольными
клапанами; работают тарелки в режиме
прямоточного или перекрестного
движения фаз. В отечественной промышленности
наиболее распространены клапанные
прямоточные тарелки с
Рис. 1.15 Клапанно-прямоточная тарелка
Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°; две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой; это исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке (рис. 1.15а, положение I). При небольшой производительности по пару поднимается легкая часть клапана (рис. 1.15, положение II) и пар выходит через щель между клапаном и полотном тарелки в направлении, противоположном направлению движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над тарелкой (рис. 1.15, положение III); теперь пар барботирует в жидкость через кольцевую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости, уменьшая разность уровней жидкости на тарелке (рис. 1.15, положение IV). При этом короткая направляющая фиксируется в специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его подъеме.
Эффективность клапанных прямоточных тарелок (КПД) 0.70— 0,85, F < 2,5 (м/с) (кг/м3)-0.5, диапазон устойчивой работы 3,5. В области саморегулируемой работы тарелки обладают относительно небольшим гидразлическим сопротивлением.
Для увеличения производительности и диапазона устойчивой работы клапанные тарелки выполняют балластными (рис. 1.16). Над отверстием тарелки 1 на специальных ножках установлены ограничители подъема 4, а внутри их — на ножках 7 легкий клапан 5 и балласт 2. Для исключения прилипания клапана к балласту имеются упоры 3 и 6. При малой производительности по газу тарелка работает как обычная с дисковыми клапанами меньшей массы; при увеличении нагрузки клапан 5 упирается в балласт и работает совместно с ним как один утяжеленный клапан.
Рис. 1.16 Клапанная балластная тарелка
Балластные клапанные тарелки
можно выполнять как с
Рис. 1.17 Тарелка с групповым балластом
Клапанная тарелка со штампованными клапанами цилиндрической формы показана на рис. 1.18 а. Клапан I, лежащий на полотне тарелки 2, представляет собой часть цилиндра с ограничителями подъема 3. Клапан расположен в гнезде, имеющем отогнутую полку 4. Масса клапана, его конфигурация и положение центра тяжести подобраны так, что при достижении определенной скорости пара клапан перекатывается по поверхности отогнутой полки. При этом между плоскостью тарелки и клапаном образуется щель, через которую в направлении слива жидкости выходит пар. При значительной производительности по пару клапан поднимается и зависает над тарелкой.
Рис. 1.18 Тарелки клапанные
2 ОТБОЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
Отбойные устройства предназначены для сепарации капель жидкости из потока пара (газа); устанавливается вверху абсорбционных колонн и в различных сечениях ректификационных колонн. Отбойные устройства, устанавливаемые вверху колонны, должны обладать высокой эффективностью сепарации и надежно работать в широком диапазоне изменения нагрузок по пару.
У некоторых ректификационных колоннах при вводе сырья в питательную секцию поток пара уносит частицы жидкости с нелетучими соединениями: смолами, золой и т.д. При наличии уноса жидкости с тарелки на тарелку нелетучие соединения будут увлекаться потоком пара и транспортироваться им вверх колонны. В итоге не летучие соединения могут попасть в дистиллят и ухудшить его качество (цвет, коксуемость, содержание золы, металлов и др.). Подобное явление наиболее часто встречается в вакуумных колоннах для перегонки мазута, особенно при работе на форсированных режимах; в некоторых случаях унос жидкости в питательной секции колонны ограничивает производительность колонны.
Отбойные устройства, устанавливаемые и питательной секции колонны, должны обеспечивать достаточно высокую эффективность сепарации, легко подвергаться чистке и ремонту.
В случае, когда колонна
должна работать с большими величинами
межтарельчатого уноса
Иногда применение отбойных
устройств между тарелками
К отбойным устройствам, устанавливаемым под каждой тарелкой, предъявляются следующие требования: простота конструкции, малый вес, низкая стоимость, легкость монтажа и обслуживания, малое гидравлическое сопротивление и, наконец, достаточная, но не высокая эффективность сепарации при заданных режимах работы.
Для сепарации капель жидкости из потока пара (газа) в аппаратах нефтяной и химической технологии применяют в основном отбойники ударного типа. В атмосферных и вакуумных колоннах первичной перегонки не применяют отбойники из сеток и уголков (рис.2.1 а), а в абсорберах– из вертикально установленных уголков (рис.2.1б). Встречаются также отбойники с наклонно расположенными элементами (рис.2.1в). В том и другом случае жидкость из потока пара (газа) выделяется в результате соприкосновения капель с поверхностью элементов. Однако отвод отсепарированной жидкости осуществляется по–разному, что и обусловливает разную картину их работы и различные допустимые скорости движения газа. В отбойном устройстве из насадки отсепарированная жидкость стекает навстречу восходящему потоку пара, а в отбойниках из вертикально установленных пластин она стекает по элементам в специальное устройство и далее через гидрозатвор выводится из системы.
В отбойных устройствах из насадки уносимая жидкость проникает в слой насадки и создает на ее поверхности ламинарную пленку жидкости. Эта пленка стекает на нижние элементы, образуя там крупные капли , которые отрываются и движутся навстречу потоку пара. Подобная картина сепарации жидкости наблюдается лишь до определенных значений нагрузок по пару и жидкости. Начиная с некоторой скорости пара жидкость заполняет весь объем слоя насадки и часть ее уносится с отбойника вместе с уходящим паром, т.е. возникает вторичный унос жидкости. Нагрузки, при которых еще нет вторичного уноса жидкости, считаются максимально допустимыми, поскольку им соответствует максимальная эффективность сепарации.
а) горизонтальные из насадки; б) из вертикально расположенных элементов; в) из наклонно расположенных элементов или из насадки.
Рис.2.1 Отбойные устройства.
При нормальной работе отбойных
устройств из вертикально расположенных
уголков, жидкость ламинарной пленкой
стекает по поверхности уголков.
При достижении некоторой скорости
пара движение жидкости становится волнообразным.
Затем происходит срыв пленки с поверхности
уголков и появляется вторичный
унос жидкости, уменьшающий эффективность
сепарации. Нагрузки, при которых
еще нет срыва пленки жидкости,
считаются максимально
Для сепаратора из сеток можно пользоваться следующим уравнением для определения скорости газа:
Для сепараторов с вертикально расположенными элементами рабочую скорость газа рекомендуется определять по уравнению:
Скорость газа, рассчитанная по этому уравнению, соответствует величине уноса жидкости после сепаратора, примерно равной 25 мг/м3 газа. Высокая эффективность сепарации наблюдается в том случае, когда скорость газа не выходит из пределов 80 - 120 % от вычисленных значений. Данное уравнение было проверено на сепараторах газовых промыслов.
ВЫВОД
В ректификационных и абсорбционных
колоннах применяются тарелки различных
конструкций (колпачковые, клапанные,
струйные, провальные и т. п.), существенно
различающиеся по своим рабочим
характеристикам и технико-
В настоящее время в
промышленной практике известны сотни
различных конструкций тарелок,
которые можно классифицировать
по способу передачи жидкости с тарелки
на тарелку, по способу взаимодействия
жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру
диспергирования
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Ахметов, С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие [Текст]/ С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, — CПб.: Недра, - 2006. — 868 с.
2 Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии[Текст]/ А.Г. Касаткин, - М.: Химия, - 1973. - 752 с.
3 Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии[Текст]/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, - Л.: Химия, - 1987. - 576 с.
Контрольная работа по теме:
Оборудование пневмотранспорта
1. Оборудование пневмотранспорта
Пневмотранспортные установки представляют собой комплекс устройств, обеспечивающих перемещение сыпучих материалов (пылевидных, порошкообразных, зернистых, измельченных) или специальных транспортных средств (капсул, контейнеров с сырьем, готовой продукцией) с помощью сжатого воздуха или разряженного газа.
Пневмотранспорт
является одним из прогрессивных
способов механизации и автоматизации
перемещения насыпных грузов. Этот
вид транспорта нашел применение
практически во всех отраслях народного
хозяйства. Пневмотранспорт широко
используют для перемещения сыпучих
материалов в связи с их значительной
производительностью и большим
радиусом действия в самых стесненных
производственных условиях, т. е. использованием
площадей, непригодных для других
способов транспортировки, экономией
производственной площади, полным отсутствием
остатков и потерь перемещаемого
продукта в линиях, высокими санитарно-гигиеническими
условиями его
При величине
гранул перемещаемого материала
до 10 мм пневмотранспорт по сравнению
с другими транспортными

- Рекультивация
- Рекультивация земель
- Рекультивация земель
- Рекультивация земель нарушенных геологическими и горными работами
- Рекультивация земель, нарушенных геологическими и горными работами
- Рекультивация земель, нарушенных геологическими и горными работами
- Рекультивация земельных отвалов
- Рекреология
- Рекриационный туризм
- Рекриациялық аудандар
- Рекрутирование элит
- Рекрутмент
- Ректальные лекрственные формы
- Ректификационная колонна