Учебники и учебные пособия / Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
Рис. 3.37. Сетчатая однопоточная тарелка с отбойными элементами
3.4.7 УСТРОЙСТВО ТАРЕЛОК СИТЧАТЫХ С ОТБОЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Полотно тарелки выполняют из просечно-вытяжных листов [4,18,26].
Направление просечки совпадает с направлением движения жидкости. Над полотном тарелки (рис. 3.37) поперек потока жидкости с шагом 200 мм и углом наклона 60° к полотну устанавливают отбойные элементы из просечновытяжного листа высотой 150 мм. Отбойные элементы располагают на
расстоянии 40 мм от полотна тарелки. Направление просечки отбойных элементов ориентировано так, что газожидкостный поток, попадая на них,
отбрасывается вниз к полотну. Отбойные элементы организуют зону контакта фаз, способствуют сепарации жидкости и снижают ее унос.
41
Ситчатые тарелки с отбойными элементами типа ТСО применяются в
колонных аппаратах, работающих под давлением и под вакуумом при постоянных нагрузках по пару.
Имеется модификация тарелок из просечно-вытяжных листов, с
различным направлением просечки у отдельных секций полотна. Это
обеспечивает взаимодействие потоков в контактной зоне и благоприятно сказывается на работе тарелки. За рубежом такие тарелки получили название «Перформ».
Ситчатые тарелки с отбойными элементами имеют высокую производительность по пару, низкое гидравлическое сопротивление; их
применяют наряду с клапанными тарелками в вакуумных колоннах [4].
Рис. 3.38. Элемент ситчато-клапанной тарелки
3.4.8 УСТРОЙСТВО ТАРЕЛОК СИТЧАТО-КЛАПАННЫХ
Для уменьшения гидравлического сопротивления и расширения диапазона устойчивой работы ситчатых тарелок их комбинируют с клапанными устройствами (рис. 3.38); в результате повышается эффективность работы тарелки при малой и большой производительности по пару. При малых нагрузках тарелка работает как обычная ситчатая, с увеличением нагрузки открывается клапан 2 и между клапаном и тарелкой 1 образуется щель, откуда под некоторым углом к горизонтали выходит пар, обеспечивая перемещение
жидкости по тарелке в направлении слива и уменьшая разность уровней жидкости на тарелке.
Ситчато-клапанная тарелка обеспечивает большой диапазон устойчивой работы при небольшом гидравлическом сопротивлении, что делает
ее пригодной для процессов, протекающих под вакуумом [18].
3.4.9 УСТРОЙСТВО ТАРЕЛОК ЖАЛЮЗИЙНО-КЛАПАННЫХ
Устройство тарелок жалюзийно-клапанных рассмотрено в работах
[4,18,26]. На рис. 3.39 показан элемент жалюзийно-клапанной тарелки. На
полотне 1 тарелки в зависимости от ее диаметра (1000—4000 мм)
устанавливают от 10 до 350 таких элементов. Клапанами здесь служат пластины-жалюзи 2, шарнирно закрепленные в отверстиях боковых стенок рамки 3 элемента. Угол поворота пластин ограничивается перемычкой 4.
42
Рис. 3.39. Элемент жалюзийно-клапанной тарелки
Тарелки типа ТСЖК с жалюзийно-клапанными элементами применяют в
процессах, происходящих при избыточном и атмосферном давлениях с
нагрузками по жидкости до 120 м3/м-ч [4].
3.4.10 УСТРОЙСТВО ТАРЕЛОК РЕШЕТЧАТО-ПРОВАЛЬНЫХ
Решетчато-провальная тарелка представляет плоский лист, перекрывающий все сечение колонны, с выштампованными в нем прямоугольными щелями [1,4,15,24,26].
Изготавливаются решетчатые тарелки большей частью из отдельных
секций, количество которых зависит от диаметра колонны (рис. 3.40) [1]. Размеры секций принимаются такими, чтобы, с одной стороны, получить минимальное число опорных элементов и крепежных деталей и, с другой стороны, иметь возможность монтировать тарелку через люки колонны. Длина секций принимается примерно такой же, как и их ширина. Для придания
секциям большей жесткости к листам могут привариваться снизу продольные
ребра или в листах могут выштамповываться канавки.
Секции тарелки устанавливаются на каркас, уплотняются прокладками и крепятся резьбовыми или клиновыми соединениями. Щели выполняются, как
правило, штамповкой. Наиболее распространены тарелки с параллельным и
равномерным расположением щелей по всей плоскости тарелки. Щели не делаются в местах расположения опорных балок; их не рекомендуется доводить до края элементов опорной конструкции на 20—30 мм.
43
Рис. 3.40. Решетчатая тарелка типа ТР
Для расширения диапазона устойчивой работы можно делать щели разной ширины. Их делают либо равномерно по сечению колонны, либо щели
одной ширины делают преимущественно у края или центра тарелки. При
применении тарелок со щелями разной ширины при малых нагрузках по газу будут работать главным образом щели малой ширины и по мере увеличения нагрузки в работу будут включаться остальные щели. Вопрос расположения
щелей по тарелке является очень важным и требует самого тщательного
изучения, поскольку с увеличением диаметра колонны на тарелках провального типа, так же как и в насадочных колоннах, проявляется тенденция к
неравномерному распределению потоков. Располагая щели неравномерно по
тарелке, указанный недостаток в какой-то мере удастся устранить.
По отраслевым нормалям основные размеры тарелок изменяются в
следующих пределах: свободное сечение принимается от 10 до 30%, ширина щелей от 4 до 12 мм, шаг от 8 до 60 мм, длина щелей от 60 до 120 мм, толщина листов тарелки от 2 до 4 мм.
44
В целях унификации тарелок и уменьшения необходимого числа штампов принимают следующие размеры: ширина щели 4, 6, 8, 10, 12 мм;
длина щели 60 мм; шаг 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 мм. Толщина листа принимается 2, 3 и 4 мм.
Решетчатые тарелки типа ТР применяются в колонных аппаратах, работающих при повышенных нагрузках по жидкости.
3.4.11 УСТРОЙСТВО ТАРЕЛОК ВИХРЕВЫХ
Тарелка Киттеля (рис. 3.41) [15] изготовляется чаще всего из металлического листа и состоит из двух решеток (верхней 2 и нижней 1).
Каждая решетка разделена на шесть равных сегментов. В металлическом листе отверстия наклонены под углом к плоскости листа, что позволяет создать
на тарелке направленное движение жидкости (рис. 3.43). На верхней решетке создается центробежный, а на нижней - центростремительный поток жидкости, что приводит к хорошему распределению жидкости по сечению колонны.
Иногда над верхней решеткой располагают брызгоотбойную решетку с более крупными отверстиями, сообщающими пару центробежное движение в
противоположном направлении. Для тарелки Киттеля, как и для ситчатой,
существует определенная скорость пара, ниже которой нормальная работа тарелки нарушается из-за провала жидкости. Суммарное сечение отверстии этих тарелок составляет 20—25% и поэтому они имеют меньшее
сопротивление, чем ситчатые тарелки. Расстояние между тарелками Киттеля
составляет 400 мм, при вакуумной дистилляции — 305 мм.
Тарелка Киттеля обычно не имеет переливных патрубков и обладает следующими преимуществами: быстрое и непрерывное обновление
поверхности контакта в жидкости; повышенная производительность вследствие
относительно большого свободного сечения и действия центробежной силы, отбрасывающей жидкость к стенкам, а не вверх колонны; малый уровень жидкости на тарелке и большое свободное сечение обеспечивают сравнительно малое сопротивление тарелок, что открывает широкие
возможности использования их для вакуумной ректификации; отсутствие
застойных зон на тарелках.
45
Рис. 3.41. Схема тарелки Киттеля с брызгоотбойными решетками: 1 — верхняя решетка, 2—нижняя решетка, 3 — брызгоотбойная решетка 4 — опорная стойка.
Рис. 3.43. Схема работы тарелки Киттеля.
3.4.12 СЕКЦИОНИРОВАННЫЕ МАССООБМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА
Одно из направлений технического прогресса в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности — разработка и применение аппаратов большой единичной мощности. До недавнего времени повышение эффективности и производительности колонн обеспечивали увеличением их высоты и диаметра. Однако с увеличением диаметра колонны
возрастает неупорядоченность движения взаимодействующих фаз: на тарелке
появляются «байпасные» потоки, «мертвые» зоны, возникает поперечная неравномерность скорости газового потока и высоты жидкости на тарелке. Все это снижает эффективность массообмена в колонне. В связи с этим производительность аппарата следует повышать не увеличением размеров аппарата, а созданием контактных устройств, обладающих высокой производительностью по жидкости и пару, в частности, продольным и поперечным секционированием этих устройств [18].
Известно, что производительность тарелок повышается при контактировании фаз в прямотоке. Однако при прямоточном взаимодействии и
большой скорости пара (газа) жидкость смещается в направлении к сливному
карману, что затрудняет работу сливных устройств.
Для компенсации прямоточного движения фаз и исключения его
распространения на всю тарелку можно устанавливать на тарелке продольные и поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение
жидкости на тарелке от перелива к сливу, а также создающие условия для
движения потоков парожидкостной смеси по тарелке в противоположных или
пересекающихся направлениях.
46
Рис. 3.42. Продольносекционированная тарелка с просечными элементами.
Примером может служить, продольно-секционированная тарелка с
просечными элементами (рис. 3.42). На полотне тарелки 2 выштампованы просечки 1, отогнутые под углом α . Тарелка секционирована вдоль потока жидкости вертикальными перегородками 3, причем для создания постоянного
гидравлического сопротивления по всей тарелке перегородки перфорированы.
При скорости газа до 1,5 м/с тарелки работают аналогично ситчатой и
колпачковой: жидкость из переливного кармана а поступает на рабочую часть тарелки, газ вводится через просечки, барботирует через слой жидкости, аэрирует ее и на тарелке образуется газожидкостный слой. При скорости газа более 1,5 м/с газовые струи, выходящие из просечек, и создаваемые ими потоки жидкости движутся к вертикальным перегородкам или стенкам колонны, ударяются о них, сепарируются и газ покидает тарелку. При этом жидкость совершает сложное зигзагообразное движение от переливного а к сливному б
карману.
Вариантом массообменного устройства с продольным секционированием является клапанная тарелка с продольными перегородками 3 (рис. 3.43), которая отличается от тарелки с просечными элементами тем, что на полотне 1 тарелки вместо просечек смонтированы клапаны 2 с боковыми стенками,
обеспечивающие направленное движение жидкостного потока.
47
Рис. 3.43. Комбинированная клапанная тарелка
По производительности такие тарелки превосходят обычные клапанные тарелки без продольного секционирования в 1,4 раза, а по эффективности
массообмена в 1,25—1,3 раза.
При высокой плотности орошения [более 50 м3/м2 ч], когда работа тарелок лимитируется производительностью переливных устройств, целесообразно применение многосливной продольно-секционированной тарелки, или тарелки с двумя зонами контакта фаз (рис. 3.44). Последняя
представляет собой комбинацию барботажной тарелки (ситчатой, клапанной) с устройством, в котором реализуется зона контакта фаз, формирующаяся в
пространстве между тарелками при перетекании жидкости. Тарелка состоит из перфорированного основания 1 с установленными на нем сливными карманами 2 (могут быть одно-, двух- и трехщелевыми), направляющих планок 3 и отбойных дисков 4.
48
Рис. 3.44. Тарелка с двумя зонами контакта Рис. 3.45. Однощелевые (а) и двухщелевые (б), карманы
Однощелевой сливной карман, установленный на тарелке 1 (рис. 3.45,а), состоит из патрубка 2 и отбойного диска 3, укрепленного так, что между ними
образуется кольцевая щель шириной hщ = 4 ... 12 мм. Через эту щель
вытекает кольцевая струя жидкости, образуя дополнительную зону контакта.
При установке двухщелевого сливного кармана (рис. 3.45,б) жидкость переливается через сливную перегородку, протекает по внутренней стенке
наружного патрубка 2 и конусу 4 во внутренний патрубок 5 и вытекает из нижней щели кольцевой струёй, образуя дополнительную зону контакта.
С увеличением производительности по жидкости уровень ее в патрубке 5 повышается, жидкость заполняет пространство в патрубке 2 и начинается
истечение из верхней щели. В пространстве между тарелками образуется
вторая кольцевая струя. Таким образом, многощелевой слив позволяет значительно расширить диапазон нагрузок по жидкости.
4 КОНСТРУКЦИЯ АППАРАТОВ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ
Известно большое число конструкций механических распыливающих аппаратов [24]. Во многих из них достигается высокая эффективность при
небольших габаритах. Это обстоятельство, а также низкое гидравлическое сопротивление привлекают внимание исследователей к рассматриваемому типу аппаратов. Однако из-за сложности конструкции, наличия вращающихся
49
частей и значительного расхода энергии механические абсорберы нашли
ограниченное применение.
Аппаратоы с вертикальным валом
Центробежный полый абсорбер с многодисковым разбрызгивателем. Этот абсорбер представляет собой видоизмененную конструкцию циклонного скруббера, отличающуюся тем, что жидкость
распиливается не форсунками, а механическим вращающимся устройством. Конструкция такого абсорбера показана на рис. 4.1. Распыление жидкости
производится устройством 1, состоящим из ряда расположенных друг над
другом вращающихся дисков с уменьшающимся к низу диаметром. Капли жидкости, слетающие с дисков, движутся в горизонтальном направлении и,
ударяясь об отражательные кольца 2, разбиваются на мелкие брызги. В
колонне капли движутся по винтовой линии, причем вращательное движение
затухает по мере движения капель вниз (угол наклона винтовой линии
увеличивается).
Абсорбер с вращающимся погружным конусом. Типичным аппаратом
этого типа является абсорбер Фельда (рис. 4.2,а). Внутри цилиндрического
кожуха 1 расположены по высоте несколько тарелок 2, заполненных жидкостью.
На валу 5 закреплены вращающиеся вместе с ним конуса 4. Нижние края конусов погружены в находящуюся на тарелках жидкость. При вращении вала жидкость поднимается по конусам и под действием центробежной силы сбрасывается с их верхних обрезов, образуя факел распыла.
Разновидностью аппаратов с вращающимся погружным конусом является показанный на рис. 4.2,б ротационный аппарат Сафина. Ротор состоит из конуса-питателя 6 и концентрических колец 7. Нижний край конуса-
питателя погружен в жидкость, находящуюся в кольцевом желобе 8.
Разбрызгиваемая конусом-питателем жидкость собирается на внутренней поверхности первого от центра кольца 7 (коническая отбортовка колец препятствует стенанию жидкости вниз), разбрызгивается с его верхнего края на второе кольцо и т.д. Жидкость, разбрызгиваемая с наружного кольца,
собирается в периферийном желобе 9 и по перетокам 10 стекает в желоб 8. Перетекание жидкости со ступени на ступень происходит за счет переполнения
желоба 8.
Рис. 4.1. Центробежный полый аппарат с многодисковым разбрызгивателем: 1 — многодисковый разбрызгиватель; 2 — отражательные кольца; 3 — вход газа.
50