Учебники и учебные пособия / Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

---------------------------------------

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

Пенза 2003

УДК 66.021.1:532.5

Предложены: варианты конструктивных решений для основных

элементов колонных аппаратов, а также даны методики их расчетов и справочный материал необходимые при выполнении дипломных проектов по

темам ставящим своей целью модернизацию существующих конструкций колонных аппаратов.

Ил. 101, табл. 15, библиогр. 33 назв.

2

1 КЛАССИФИКАЦИЯ И КРАТКИЙ ОБЗОР АППАРАТОВ И КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ

Колонные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, способа осуществления контакта между газом

(паром) и жидкостью, состояния межфазной поверхности [1].

По технологическому назначению аппараты подразделяются на

колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, для ректификации газов, для

моноэтаноламиновой очистки газов и пр.

По способу осуществления контакта между паром (газом) и

жидкостью все аппараты можно подразделить на аппараты с непрерывной подачей обеих фаз, пульсационной и цикличной подачей. Цикличная подача

состоит в том, что газ и жидкость подаются в аппарат попеременно.

По состоянию межфазной поверхности. В соответствии с этим колонные аппараты классифицируются на группы: 1) аппараты с

фиксированной поверхностью фазового контакта; 2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков; 3) аппараты с внешним подводом энергии.

Наиболее типичные широко применяемые в промышленности аппараты

распределяются по группам, указанным в таблице1.

Таблица 1. Классификация колонных аппаратов по состоянию межфазной поверхности

3

Тарельчатые контактные устройства можно классифицировать по многим признакам[1,4,24]: например, по способу передачи жидкости с

тарелки на тарелку различают тарелки с переточными устройствами и тарелки

без переточных устройств (провальные).

Тарелки с переточными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим

каналам не проходит газ. На провальных тарелках нет переливных устройств, и

жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент

времени одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их роли

меняются.

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков

различают тарелки барботажного и струйного типов. Тарелки, на которых

сплошной фазой является жидкость, а дисперсной — газ или пар, называют

барботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой является жидкость,

сплошной — газ, потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на

поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.

По числу потоков (сливов) тарелки выполняют одно-, двух- и

многопоточными (рис. 1.1). Применяют также многосливные тарелки с

равномерно распределенными по площади сливами и тарелки с каскадным расположением полотна.

Рис. 1.1. Схемы тарелок: а — однопоточной; б — двухпоточной; в — трехпоточной, г — четырехпоточной; д — каскадной

Многопоточные и многосливные тарелки используют в колоннах большого диаметра и при значительных расходах жидкости. Такие тарелки

обеспечивают более равномерные уровень жидкости и распределение газа по

площади контактных устройств. Это связано с уменьшением напряженности

слива в гидравлическом отношении и длины пути жидкости на тарелке. В колоннах со значительным изменением по высоте жидкостной нагрузки

устанавливают тарелки с различным числом потоков.

В зависимости от направления движения газовой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки трех основных групп (рис. 1.2):

1) Тарелки перекрестные, в которых движение газа и жидкости

осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую,

4

причем газ по переливам не проходит (колпачковые, с S-образными

элементами, клапанные, ситчатые).

2)Тарелки противоточные (провального типа), в которых переливные устройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те же

отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме

полного перемешивания жидкости (решетчатые).

3)Тарелки прямоточные (с однонаправленным движением газа и жидкости). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания жидкости и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению

гидравлического градиента. Тарелки описанного типа обычно имеют

переливные устройства, но существуют и конструкции без переливов (струйные

иструйные с отбойниками).

По конструктивному решению элементов тарелки разделяются в

соответствии с ГОСТ 2.790-74. (Обозначения условные графические.

Аппараты колонные.) Предлагаемые стандартом обозначения колонных аппаратов в конструкторской документации всех отраслей промышленности представлены в таблице 2.

Рис. 1.2. Классификация тарелок по способу организации движения пара и жидкости а — протнвоточные, б — прямоточные, в — перекрестного тока

5

Таблица 2.

6

Л) Тарелки решетчато-провальные

М) Тарелки вихревые

2 КОЛОННЫ С ФИКСИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

2.1 КОНСТРУКЦИЯ ПЛЕНОЧНЫХ КОЛОНН

Конструкция пленочных колонн рассмотрена в работах 15, 24. В таких

аппаратах [24] газ (пар) и жидкость соприкасаются на поверхности текущей

жидкой пленки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхностям,

представляющим собой трубы или пластины. Известны три типа пленочных аппаратов:

•трубчатые аппараты, в которых пленка стекает по внутренней поверхности

вертикальных труб;

•аппараты с листовой (плоско-параллельной) насадкой, в которых пленка стекает по обеим поверхностям вертикальных пластин;

•аппараты с восходящим (обращенным) движением пленки.

Аппараты первых двух типов работают при противотоке газа и жидкости (газ движется снизу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать также при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутся

сверху вниз). Аппараты третьего типа работают при восходящем прямотоке (газ

и жидкость движутся снизу вверх).

Трубчатые аппараты, а также аппараты с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе или подводе тепла в процесс; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз

и по интенсивности массопередачи эти аппараты значительно превосходят поверхностные, у которых поверхностью контакта является «зеркало

жидкости».

Гидравлическое сопротивление трубчатых аппаратов и аппаратов с

листовой насадкой даже при сравнительно больших скоростях газа (4—5 м/сек) невелико. Аппараты с восходящим движением пленки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15—20 м/сек) — высоко интенсивные аппараты,

но в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением.

В настоящее время пленочные аппараты применяются сравнительно редко; из них наиболее распространены трубчатые аппараты, используемые для поглощения хорошо растворимых газов (HCl, NH3) из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла.

Перспективными следует считать аппараты с листовой насадкой, а также аппараты с нисходящим и восходящим прямотоком, работающие при высоких

скоростях газа.

7

Условиями нормальной работы аппаратов с листовой насадкой являются

строго вертикальная установка пластин и равномерное распределение орошающей жидкости. Как и в трубчатых пленочных аппаратах, выполнение последнего условия — довольно трудная задача.

Распределители орошения в аппаратах с листовой насадкой изображены

на рис. 2.3. Стержневой распределитель, показанный на рис. 2.3,а, состоит из стержней 3, проходящих с небольшим зазором (около 0,5 мм с каждой стороны) через отверстия в плите 2 и опирающихся нижними концами на пластины насадки 1. Жидкость, стекая через зазоры и далее по стержням, поступает на насадку. Стержневой распределитель требует тщательного

монтажа, зазоры между стержнями и отверстиями в плите легко забиваются.

Колосниковые распределители (рис. 2.3,б), состоят из нескольких расположенных крест-накрест друг над другом колосниковых решеток 4. На верхнюю решетку жидкость подается через ниппели 5 (с диаметром отверстия

2—3 мм), закрепленные в плите 2. Для лучшего распределения жидкости

пластины колосников рекомендуют обтягивать тканью или мелкой металлической сеткой. Газ выходит через расположенные в плите патрубки 6, сечение этих патрубков должно составлять не менее 40% от площади сечения

аппарата. При небольших скоростях газа его можно отводить из аппарата ниже

плиты 2.

Рис. 2.3. Распределители орошения в аппаратах с листовой насадкой: а—стержневой, б—колосниковый; 1 — пластины насадки, 2 - плита, 3 - стержни, 4— колосниковые решетки, 5 - ниппели, 6 - патрубки для прохода газа, 7 - зубья питателя.

Аппараты с восходящим движением пленки работают используя

следующее явление. При достаточно высоких скоростях (более 10 м/сек) движущийся снизу вверх газ увлекает жидкую пленку в направлении своего

движения, осуществляя таким образом восходящий прямоток. Процесс в этих

аппаратах ведут при больших скоростях газа (до 40 м/сек), чем достигаются высокие коэффициенты массопередачи.

9