Учебники и учебные пособия / Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
Рис. 3.12. Брызгалки: а — цилиндрическая; б — полушаровая; в — щелевая.
Прорези в щелевых брызгалках забиваются редко. По равномерности
распределения орошения эти брызгалки уступают цилиндрическим и
полушаровым брызгалкам, а также ряду других оросительных устройств.
Ороситель типа сегнерова колеса (рис. 3.13) состоит из
вращающейся дырчатой трубы 1 и подпятника 2. Вращение трубы происходит
под действием реактивной силы, возникающей при истечении жидкости через
отверстия (иногда применяют привод от электродвигателя). Ороситель дает
равномерное орошение; его недостаток—наличие вращающихся частей и
забиваемость отверстий.
Рис. 3.13. Ороситель типа сегнерова колеса: 1 — вращающаяся дырчатая труба, 2 — подпятник.
В разбрызгивающих оросителях диспергирование жидкости происходит в результате удара струи о тарелку (тарельчатые оросители) или торец насадки (многоконусные оросители) или под действием центробежной силы (вращающиеся центробежные разбрызгиватели).
Тарельчатый ороситель (розетка), показанный на рис. 3.14,а,
выполняют в виде тарелки, на которую падает струя жидкости, вытекающая из подводящей трубы. При ударе о тарелку струя раздробляется и отраженные брызги разлетаются во все стороны. При плоской тарелке с бортами
отраженная струя не разбрызгивается, а падает на насадку в виде кольца. Тарелка без бортов с малой вогнутостью разбрызгивает жидкость по всей площади в пределах радиуса действия. В колоннах обычно устанавливают
несколько разбрызгивателей так, чтобы орошаемые каждым из них площади
перекрывали друг друга. При этом можно обеспечить полное орошение торца
насадки.
21
Рис. 3.14. Разбрызгивающие оросители: а — тарельчатый, б — многоконусный; 1 — конусы, 2, 3—патрубки
Многоконусный ороситель (рис. 3.14,б) состоит из ряда расположенных
друг над другом конусов 1, насаженных на патрубки 2. Жидкость поступает
через патрубок 3 и проходит частично через кольцевую щель между данным
патрубком и патрубком верхнего конуса; эта часть разбрызгивается с
поверхности верхнего конуса. Остальная часть жидкости проходит по патрубку
верхнего конуса и снова делится на две части: одна часть проходит через
кольцевую щель между патрубками верхнего и второго (считая сверху) конуса и разбрызгивается с поверхности второго конуса, а часть проходит в следующий
патрубок и т.д. Конусы имеют все уменьшающиеся книзу диаметры и все
возрастающие углы α. Вследствие этому радиус орошения убывает от верхнего конуса к нижнему.
Жидкость стекает с поверхности конусов в виде пленки, имеющей форму зонта. Проходя через газ, эта пленка разрывается на капли и жидкость, достигая торца насадки, образует на нем кольцевую зону орошения соответствующего радиуса. Как показали исследования, ширина этой зоны составляет 0,3—0,6 м. При соответствующем количестве конусов можно полностью оросить жидкостью всю поверхность торца насадки. Так, для колонны диаметром 6 м полное орошение может быть достигнуто при оросителе с шестью конусами (при ширине зоны орошения 0,5 м).
Многоконусные оросители, как и брызгалки, удовлетворительно работают лишь при постоянном расходе орошающей жидкости, соответствующей расчетному напору.
Вращающийся центробежный разбрызгиватель (рис. 3.15)
представляет собой вращающееся на вертикальном валу колесо, с которого жидкость разбрызгивается под действием центробежной силы. Колесо имеет
форму звездочки с крыльями разной длины. Благодаря этому жидкость,
попадающая на колесо, разбрызгивается на разные расстояния, орошая весь
торец насадки. Орошаемая площадь зависит от диаметра колеса и числа его оборотов. При колесе диаметром 500 мм диаметр орошаемой площади с увеличением скорости вращения от 48 до 190 об/мин изменяется с 1,6 до 6,4 м. Количество разбрызгиваемой жидкости не зависит от числа оборотов колеса и
может легко регулироваться изменением подачи жидкости на колесо.
22
Рис. 3.15. Вращающийся центробежный разбрызгиватель: 1 – звездочка, 2 — вал, 3
—направляющий конус для жидкости, 4 — крышка аппарата.
3.3.2 НАСАДОЧНЫЕ КОНТАКТНЫЕ УСТРОЙСТВА
С обзорами информации по насадочным контактным устройствам можно ознакомиться в работах [1,18,24].
Насадки, применяемые для заполнения насадочных аппаратов должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объема) и
большим свободным объемом [24]. Кроме того, насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и
обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка
должна иметь малый объемный вес.
Применяемые в аппаратах насадки можно подразделить на два типа:
регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки. К регулярным относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки.
К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке внавал), седлообразная и кусковая насадки. Кроме того, используют специальные типы насадок, которые тоже могут быть регулярными и беспорядочными.
Хордовая насадка.
Эта насадка (рис. 3.16) состоит из поставленных на ребро досок 2,
образующих решетку. Решетки укладываются друг на друга, так что в смежных решетках доски повернуты на угол 90° (иногда 45°). Наиболее распространена деревянная хордовая насадка, изготавливаемая из досок толщиной 10—13 мм и высотой 100—150 мм. В нижней части досок через каждые 200—250 мм
делают треугольные вырезы, разрывающие стекающую жидкость и не допускающие ее стекания в одну сторону при перекосе насадки. Нижнюю часть
досок, в которой расположены эти вырезы, часто срезают под углом, как показано на рис. 3.16.
23
Рис. 3.16. Деревянная хордовая насадка: а — устройство насадки; б, в — схемы расположения решеток; 1 - рейки, 2 — доски, 3 — штыри, 4 — прокладки.
Отдельные доски соединяют посредством штырей 3 или тяг с установкой прокладок 4 (см. рис. 3.16). Через каждые 10—12 досок устанавливают утолщенные рейки 1 толщиной 25 мм, выступающие на 10 мм ниже и выше
остальных досок. Эти рейки служат для укладывания отдельных решеток
насадки друг на друга, а нижней решетки — на поддерживающее устройство. Таким образом, между досками смежных решеток остаются зазоры (около 20
мм), способствующие улучшению работы насадки.
В колоннах больших диаметров решетки составляют из нескольких
частей.
Во избежание значительного давления на нижние решетки укладку насадки производят ярусами (по 15 — 20 решеток в каждом). Каждый ярус
укладывают на самостоятельное поддерживающее устройство. В последнее
время применяют хордовые насадки, изготовленные из графита, пластических масс и металла.
Кольцевая насадка
Насадочные тела представляют собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 25 до 150 мм (кольца меньшего диаметра
почти не находят применения в промышленной практике). Кольца малого диаметра (до 50 мм) загружают в аппарат навалом (рис. 3.17,а).
При диаметре больше 50 мм кольца укладывают правильными рядами; при этом во избежание провала жидкости кольца укладывают в шахматном порядке, т.е. кольца каждого ряда сдвинуты относительно колец смежного ряда
(рис. 3.17,б).
Рис. 3.17. Насадка кольцами: а — навалом; б — в укладку.
Насадочные кольца изготовляют чаще всего из керамики или фарфора, в некоторых случаях из углеграфитовых масс. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов. Стальные кольца, изготовленные путем разрезания стандартных труб, имеют большую толщину
стенки; такая насадка обладает значительным объемным весом. Перспективно применение колец из пластических масс.
24
Кольца Рашига (рис.3.18,а) представляют собой простые кольца без
дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.
Находят применение, особенно в зарубежной практике, и некоторые
другие виды кольцевых насадок. Для увеличения поверхности применяют показанные на рис. 3.18,б кольца с перегородкой (кольца Лессинга), кольца с крестообразной перегородкой (рис. 3.18,в) и спиральные кольца, имеющие внутри одну, две или три спирали. При регулярной укладке кольца с крестообразной перегородкой и спиральные применяют размером 75 мм и
более. Эти кольца сложны в изготовлении, дороги и обладают малым
свободным объемом. Испытания показали невысокую эффективность спиральных колец по сравнению с кольцами Рашига. В настоящее время данные кольца практически вышли из употребления.
Иногда для увеличения поверхности применяют наружное рифление
поверхности колец. Исследования рифленых колец не показали их преимуществ по сравнению с обычными; это можно объяснить тем, что жидкость течет в основном по желобкам между соседними рифлениями, и
поверхность таких колец смачивается хуже, чем у обычных.
Рис. 3.18. Насадочные тела: а - кольца Рашига; б - кольца с перегородкой; в - кольца с крестообразной перегородкой; г - кольца Палля; д – седла Верля; е — седла «Интилокс».
ВФРГ предложены кольца с прободенными стенками (кольца Палля),
показанные на рис. 3.18,г. Эти кольца предназначены в основном для засыпки внавал и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига, но при этом они имеют большую стоимость и сложны в изготовлении. В США эти кольца
изготавливают из стали и пластических масс.
ВФРГ разработаны кольца «Перфоринг», представляющие собой металлические кольца с перегородками, в стенках которых (а также в перегородке) проделаны отверстия. Испытания показали, что при больших
скоростях газа (свыше 1,3м/с) кольца «Перфоринг» по эффективности
превосходят кольца Палля, но обладают большим сопротивлением. Эти кольца
дешевле колец Палля и имеют более высокий предел нагрузки по газу.
Седлообразная насадка.
Эта насадка применяется в США и Европе наряду с кольцами для
беспорядочной засыпки. На рис. 3.18,д показаны седла Берля, а на рис. 3.18,е
—седла «Инталокс». Поверхность первых представляет собой гиперболический параболоид, а вторых — часть тора. Кольца «Инталокс» проще в изготовлении.
Седлообразная насадка при одинаковых размерах насадочных тел имеет по
25
сравнению с кольцами Рашига примерно на 25% большую удельную
поверхность и несколько больший свободный объем.
Седлообразная насадка обладает меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью, чем кольца Рашига.
Вероятно, седла Берля лучше смачиваются, чем кольца Рашига. Седла
«Инталокс» по сравнению с седлами Берля обеспечивают большую беспорядочность насадки и не создают предпочтительных путей (каналов) для протекания жидкости. Кроме того, удельная поверхность и свободный объем у седел «Инталокс» выше, чем у седла Берля.
Блочная насадка.
Эта насадка используется в качестве регулярной и состоит из отдельных
элементов большого размера (блоков). На рис. 3.19 показаны некоторые типы
блочной керамической насадки, разработанной в России и США. Блоки по рис.
3.19,а и б должны иметь «ножки» с тем, чтобы между рядами насадки
оставался зазор 10—20 мм; при этом гидравлическое сопротивление
уменьшается, а коэффициент массопередачи повышается. Преимуществом блочной насадки перед другими регулярными насадками (в частности,
кольцами в укладку) является значительное упрощение работ по укладке насадки в аппарат, которые, особенно при не очень крупной насадке (кольца размером 50 или 80 мм), весьма трудоемки. По своим качествам блочная насадка не уступает другим видам регулярных насадок. Хотя в настоящее
время блочные насадки не имеют широкого промышленного применения, их
следует считать перспективным видом насадок.
Рис. 3.19. Блочные насадки: а - щелевые блоки; б — решетчатые блоки; в — сотовые блоки.
Кусковая насадка.
Эта насадка применяется в виде кусков кокса или дробленого кварца размером 25 — 100 мм, засыпаемых беспорядочно. Достоинства кусковой насадки—дешевизна и стойкость к большинству агрессивных сред; недостатки—малые удельная поверхность и свободный объем и значительное
гидравлическое сопротивление. Кварц, кроме того, обладает большим объемным весом, а кокс легко крошится, что ведет к загрязнению орошающей жидкости и увеличению сопротивления. Эффективность кусковых насадок невелика. В настоящее время кусковые насадки используются редко.
26
Специальные насадки.
К ним можно отнести различные металлические (сетчатые и
проволочные) и пластмассовые насадки, а также стеклянное волокно. Спиральная металлическая насадка применяется на коксохимических заводах в США и в России. Она изготовляется из стальной ленты шириной 9,5 мм и
толщиной 0,25 мм, свертываемой в спираль. Диаметр спирали 19 мм, шаг 25
мм, число витков 15.
Насадка полиэтиленовыми розетками Теллера изображена на рис. 3.20,а. Объемные коэффициенты массопередачи для этой насадки оказались
на 23—72% выше, чем для колец и седел размером 25 мм при более низком
сопротивлении. Так как полиэтилен не смачивается водой и смоченная поверхность близка к нулю, то высокие коэффициенты массопередачи объясняют абсорбцией жидкостью, находящейся в точках соприкосновения насадочных тел между собой и стекающими струйками
Были предложены различные металлические сетчатые насадки, отличающиеся высокой эффективностью. Недостатками этих насадок являются
легкая забиваемость и малые допустимые скорости газа. Последний
недостаток устранен в насадке «Спрейпак», показанной на рис. 3.20,б. Насадка
изготовляется из металлической полосы толщиной 0,5—1 мм нанесением в шахматном порядке прорезей и последующим растягиванием полосы в
направлении, перпендикулярном прорезям; при этом прорези расширяются и полоса принимает вид решетки. Решетка может быть выполнена также путем
прессования на специальном прессе. Насадка собирается из изогнутых решетчатых элементов, соединяемых посредством вертикальных стержней.
Рис. 3.20. Специальные насадки: а - розетки Теллера, б — насадка «Спрейпак»
3.4 КОНСТРУКЦИИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОНН
В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным
полотном и разборной конструкции [1,4,12,31].
При сравнительно небольших диаметрах аппаратов применяют тарелки
неразборной конструкции со сплошным полотном. На таких тарелках для
ремонта предусматривают в полотне люки. Люк размещают с учетом схемы расположения контактных элементов. Крышку такого люка изготовляют с контактными элементами и размещают заподлицо с полотном тарелки на
опорном кольце.
27
Тарелки разборной конструкции собирают из отдельных полотен, ширина
которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках. Для соединения полотен используют прижимные планки, струбцины, клиновые соединения (рис. 3.21). Вертикальная полка уголка и
ребро, полученное отгибом одной из кромок полотна, увеличивают жесткость
полотна тарелок. Герметичность соединений обеспечивают установкой прокладок.
Рис. 3.21. Варианты крепления секций полотна тарелки: 1 — полотно, 2 — прокладка, 3
— планка, 4 — прижимный уголок, 5 — клин, 6 — скоба.
Существуют различные конструкции крепления полотна тарелки к
корпусу (рис. 3.22). Полотно приваривают сплошным сварным швом к опорному
уголку или применяют разборные соединения на прокладках или с набивкой в виде сальника.
Рис. 3.22. Варианты крепления полотна тарелки к корпусу:
а — сваркой; б — на прокладке с прижимной планкой сверху; в — на прокладке со струбциной; г — на сальнике с набивкой.
Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояния между ними обычно принимают не менее 450 мм, а в местах установки люков в корпусе
колонны — не менее 600 мм.
Если конструкция тарелки не обеспечивает сток флегмы при остановке колонны, то в полотне тарелки, а также в сливных карманах выполняют
специальные отверстия диаметром 8—10 мм. Отверстия в полотне тарелки следует располагать по возможности ближе к сливному устройству.
При использовании наклонных сливных перегородок сегментных и центральных сливов переливные устройства сужаются книзу. Это позволяет обеспечить достаточную площадь сечения для дегазации газожидкостной эмульсии в верхней части перелива и несколько увеличить площадь контактной части тарелки. Известны конструкции переливов со специальными
устройствами для интенсификации сепарации газа.
28
Переливные устройства
Переливное устройство должно обеспечить переток жидкости заданного
расхода при максимально допустимых нагрузках с одной тарелки на другую, не
нарушая нормальной работы тарелок.
На рис. 3.23 приведены различные конструкции переливных устройств. В
большинстве случаев применяют сегментные переливы с прямыми
переливными планками (см. рис. 3.23,а). Для очень больших расходов жидкости
с целью лучшей ее дегазации применяют сегментные переливы с наклонными
планками, площадь которых вверху делают в 2 раза больше, чем внизу (см. рис. 3.23,б). В колоннах большого диаметра применяют арочные переливы (см. рис. 3.23,в), так как они способствуют более эффективному использованию рабочей площади тарелки. Переливные устройства из труб (см. рис. 3.23,г)
следует применять как можно реже (лишь при очень малых нагрузках по жидкости и когда вся тарелка изготавливается съемной конструкции). Тарелка
со сливами в виде труб должна иметь сливную планку, расположенную по хорде; верхняя кромка сливных труб должна быть расположена в одной плоскости с основанием тарелки.
Большое влияние на работу перелива и тарелки оказывают конструкции
узлов ввода и вывода жидкости (рис. 3.24).
Узел ввода жидкости на тарелку должен во-первых работать, создав умеренное сопротивление перетоку жидкости и, во-вторых, обеспечивать равномерный, спокойный и безударный ввод жидкости.
Рис. 3.23. Конструкции переливных устройств: а — сегментные с прямыми переливными перегородками; б — сегментные с наклонными сливными перегородками и с заглубленным дном сливного
кармана; в — арочные; з — из труб.
Если необходимо уменьшить сопротивление перетоку жидкости, то по
возможности стараются не применять затворную перегородку; кромки
переливных и затворных перегородок делают скругленными (см. рис. 3.24,а); на
прямоточных тарелках узел ввода жидкости делают без начального
гидравлического затвора (см. рис. 3.24,б); применяют специальное, устройство (см. рис. 3.24,в). Для обеспечения равномерного и безударного ввода жидкости на тарелку применяют заглубленный сливной карман (см. рис. 3.23,б), специальную фигурную переливную планку (см. рис. 3.24,г) или первый ряд
барботажных устройств располагают на таком расстоянии, чтобы поступающая жидкость не ударялась о них.
29
Рис. 3.24. Конструкции узлов ввода и вывода жидкости:
а — со скругленными кромками переливных и затворных перегородок и с перегородкой (п) перед сливной планкой; б — без начального гидравлического затвора и с отражателем (о); в — с эжектирующим устройством; г — с фигурной переливной планкой (ф) и с отбойным устройством над переливом (у); д — с трубами, установленными над сливной планкой (т); е - с перфорированными пластинами в переливе (Пл).
Узел вывода жидкости с тарелки должен, во-первых, обеспечить
равномерный, по возможности безударный слив жидкости и, во-вторых, способствовать дегазации жидкости в переливе. Безударный слив особенно
необходим при больших расходах жидкости. В некоторых случаях достичь такого слива можно при помощи сегментных переливов с наклонными переливными перегородками (см. рис. 3.23,б). Для обеспечения равномерного слива жидкости верхняя кромка сливной планки не должна иметь большое отклонение от горизонтали; при малых расходах жидкости сливную планку делают зубчатой. На прямоточных тарелках равномерный слив жидкости обеспечивается установкой над переливом специальных отражателей (см. рис. 3.24,б) или более эффективных отбойных устройств (см. рис. 3.24,г). Кроме
обеспечения равномерного слива жидкости, указанные отбойные устройства
способствуют также повышению производительности прямоточных тарелок за счет более интенсивного поступления жидкости в перелив.
Для дегазации жидкости в переливе, когда вылет струи стекающей жидкости больше максимальной ширины сливного кармана, рекомендуются
устройства из труб (см. рис. 3.24,д) или перфорированные пластины (см. рис. 3.24,е).
На тарелках с перекрестным током газа и жидкости диаметром меньше 0,8м, особенно при средних и малых расходах жидкости, желательно делать
защищенный перелив, т. е. на некотором расстоянии от сливной планки устанавливать перегородку (см. рис. 3.24,а), которая предотвратит выбросы
паром всплески жидкости и возможное оголение части тарелки.
Не допускается конструкция переливного устройства с опорным кольцом над переливом. Подобное положение часто встречается в опытных колоннах или при замене старых тарелок новыми, когда опорное кольцо под тарелку
выполнено по всей окружности корпуса колонны.
Максимальное отклонение кромки сливной планки от горизонтали должно быть не более 3 мм на 1 м ее длины. В основании сливного устройства надо предусматривать дренажные отверстия диаметром 10—16 мм, площадь которых может быть равной 0,01% от площади сливного кармана [1].
30