Ректификационные колонны

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                              2

 

1 ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ.  КОНСТРУКЦИЯ ТАРЕЛОК РЕКТИФИКАЦИОННОЙ  КОЛОННЫ                                                                 3

 

2 ОТБОЙНЫЕ УСТРОЙСТВА                                                                            19

ВЫВОД                                                                                                                   23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                                                                                     24

 

 

 

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 РЕКТИФИКАЦИОННОЙ  КОЛОННЫ

В ректификационных и абсорбционных  колоннах применяются тарелки различных  конструкций (колпачковые, клапанные, струйные, провальные и т. п.), существенно  различающиеся по своим рабочим  характеристикам и технико-экономическим  данным. При выборе конструкции контактного  устройства учитывают как их гидродинамические  и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны при использовании  того или иного типа контактных устройств.

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 взаимодействующих  фаз, по конструкции устройства для  ввода пара (газа) в жидкость и  др.

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 устройствами) (рис. 1.2а) или противотока (провальные тарелки) (рис. 1.2в).

В последние годы получили распространение перекрестно-прямоточ ные контактные устройства, использующие сочетание перекрестного тока и прямотока в зоне контакта фаз, что в целом обеспечивает высокие показатели по производительности и эффективности (рис. 1.2б).

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 переливное устройство устанавливается гидравлический затвор (рис. 1.5).

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 контактными  устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря  простоте эксплуатации и универсальности.

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.