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

нее. При ректификации на тарелке конденсируется пар и одновременно

испаряется жидкость, что дополнительно турбулизует потоки.

Рис. 5.6. Принципиальная схема тарельчатой колпачковой колонны: 1 — стенка колонны, 2 — тарелки, 3 — паровой патрубок, 4 — колпачок, 5 — сливная перегородка, 6

— сливной патрубок Рис. 5.7. Режимы работы колпачковой колонны.

Отличительной особенностью тарельчатых колпачковых колонн является наличие перекрестного тока между жидкостью и газом (паром). Жидкость движется вдоль тарелки от питающего патрубка к сливному патрубку 6 и пронизывается газом, движущимся с нижней тарелки на вышележащую. Чтобы удержать необходимый уровень жидкости на тарелках, их снабжают сливными

перегородками 5.

Режимы барботажа

В зависимости от скорости газа на барботажных тарелках наблюдаются различные гидродинамические режимы [24]. Переход от одного режима к

другому обычно происходит постепенно, причем на тарелках различных типов режимы чередуются по-разному.

При малых приведенных скоростях (скорость газа, отнесенная к рабочей площади тарелки) газ барботирует в виде отдельных пузырьков, которые с повышением скорости газа сливаются в сплошную струю. Газовая струя на некотором расстоянии от места истечения из-за сопротивления жидкости разрушается и переходит в поток пузырьков, образующих газо-жидкостный

слой. Этот слой представляет собой пену ячеисто-пленочной структуры, в

которой отдельные ячейки (пузырьки газа) связаны друг с другом

разделяющими их пленками жидкости. Разрыв оболочек газовых пузырей при выходе газа на поверхность газо-жидкостного слоя происходит практически мгновенно. Поэтому образующийся пенный слой является динамическим: он

стабилен только при подаче газа и разрушается после прекращения последней через малый промежуток времени. При выходе пузырьков газа из газожидкостного слоя и разрушении их оболочек образуются брызги; они поднимаются над слоем на некоторую высоту в зависимости от их размеров и

скорости газа.

Таким образом, при рассматриваемом режиме образующаяся на тарелке

двухфазная система состоит по высоте из трех зон (считая снизу вверх) зоны

61

собственно барботажа (газ распределен в жидкости в виде пузырьков или газовых мешков—факелов), зоны неподвижной пены и зоны брызг. Хотя

большая часть жидкости находится в зоне собственно барботажа, поверхность контакта наиболее развита в зоне пены.

С возрастанием приведенной скорости газа увеличивается высота зоны пены и уменьшается высота зоны собственно барбо-тажа.

При приведенной скорости газа порядка 1 м/сек происходит изменение

структуры пены: длина газовых факелов увеличивается, и они выходят на поверхность слоя, что приводит к разрушению ячеистой пены и превращению

ее в систему, состоящую из относительно крупных брызг и выбрасываемых газом струй жидкости. При этом верхняя граница слоя становится размытой и над ним появляется значительное количество мелких брызг.

При больших приведенных скоростях газа (особенно при малых запасах жидкости на тарелке) наблюдается инжекционный режим: жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени

уносится с ним в виде брызг.

Нормальный режим работы тарельчатой колпачковой колонны ограничен

особенностями работы самих тарелок. Режимы работы тарелок представлены на рис. 5.7. Нормальная работа тарелки обеспечивается в том случае, если все колпачки находятся в режиме барботажа и каждый ряд колпачков пропускает почти равные количества пара.

Режим 1 (малая нагрузка по жидкости) — колпачки недостаточно погружены в жидкость или сливная перегородка имеет недостаточную высоту.

Режим 2 (малая нагрузка по пару) — пульсирующее проскакивание пара

через колпачки.

Режим 3 характеризуется неравномерным парораспределением по отдельным рядам колпачков, тарелка работает неравномерно.

Режим 4 (плохое парораспределение) характеризуется перетоком жидкости через паровые патрубки и нарушением направления движения потоков.

Режим 5 (большие нагрузки по пару и жидкости) — захлебывание колонны, характеризующееся переполнением сливных патрубков и

обращенным движением жидкости на тарелке. Режим захлебывания

тарельчатой колонны может рассматриваться как предельный режим по нагрузкам.

Режим 6 (большие нагрузки по пару) — интенсивный унос жидкости паром на вышележащую тарелку.

Режим 7 характеризуется перегрузкой прорезей колпачков паром.

Режим 8 наблюдается, когда время пребывания жидкости на тарелке недостаточно и происходит чрезмерно большой перелив жидкости через сливную перегородку.

Нормальный режим работы тарелки определяется правильной организацией потоков жидкости и пара [15]. Переход от одного режима к другому определяется гидродинамическими факторами (скоростями газа и

жидкости), а также свойствами фаз и геометрией тарелки.

62

6 ОПОРЫ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ СТРОПОВКИ

Установка технологических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Непосредственно на фундаменты устанавливаются лишь аппараты с плоским

днищем, предназначенные главным образом для работы под наливом.

В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для

вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов.

1…. Вертикальные аппараты обычно устанавливаются или на стойках, когда их

размещают внизу помещения, или на подвесных лапах, когда аппарат

размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальных

конструкциях.

2. Аппараты с соотношением высоты к диаметру H/D > 5, размещаемые на

открытой площадке, устанавливают на так называемых юбочных

(цилиндрических и конических) опорах.

Рис. 6.1. Конструкции стандартных опор (лап и строек) для стальных сварных вертикальных цилиндрических аппаратов: а — типы 1 и 2 (лапы); б — тип 3 (стойки); в — схема расположения опор на днище аппарата, г — накладной лист

3. Горизонтальные аппараты независимо от их размещения (в помещении или

на открытой площадке) устанавливают на седловых опорах.

63

Конструкции стандартных опор для вертикальных аппаратов

приведены на рис. 6.1. Тип 1 (лапы) служит для аппаратов без теплоизоляции,

тип 2 (лапы) — для аппаратов с теплоизоляцией, тип 3 (стойки) — для

аппаратов с эллиптическими и коническими (с углом при вершине конуса

2α ≤120°) днищами. В зависимости от толщины стенки корпуса аппарата

лапы привариваются или непосредственно к корпусу, или к накладному листу.

Материал деталей этих опор выбирается из условий эксплуатации.

Накладной лист приваривается к корпусу аппарата сплошным швом. Если опоры выполнены из углеродистой стали, а аппарат — из коррозионностойкой стали, накладные листы должны выполняться из стали той же марки, что и

корпус аппарата [17].

Конструкции стандартных опор для колонных аппаратов приведены на рис 6.2 и 6.3.

Высота цилиндрических опор Н1 должна быть не менее 600 мм и выбирается по условиям эксплуатации аппарата.

Число опор определяется расчетом и конструктивными соображениями. Лап должно быть не менее двух, стоек — не менее трех.

Рис. 6.3. Конструкция стандартной конической опоры (тип 4) с кольцевым опорным поясом для стальных сварных колонных аппаратов (элемент 1 указан для опор при Н » 1500 мм)

Предел текучести материала должен быть не менее 210 МПа при

температуре 20°С.

Необходимое количество отверстий, лазов (люков), их размеры, расположение и форма выбираются из условий эксплуатации и монтажа и должны отвечать требованиям ОСТ 26-291—79.

Для вентиляции внутренней полости опоры в верхней части должно быть

предусмотрено не менее двух отверстий диаметром не более 100 мм.

При приварке опор к днищам, сваренным из отдельных частей, в обечайках опор должны быть предусмотрены вырезы, позволяющие иметь

65

доступ к сварным радиальным швам на днищах. В этом случае отверстия для вентиляции не предусматриваются.

Опорная обечайка должна быть проверена на прочность в зоне вырезов.

Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношений высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке, когда отношение высоты опоры к

диаметру аппарата H/Д > 5 , рекомендуется применять опору, изображенную на рис.6.1,а. Для аппаратов с эллиптическими днищами, установленных на

фундамент внутри помещения, а также при H/Д > 5, рекомендуется применять опоры, изображенные на рис. 6.1,б. При подвеске аппаратов между перекрытиями или при установке их на специальные опорные конструкции

применяют лапы (рис.6.1,в). Опоры для горизонтальных аппаратов могут быть отъемными или жестко соединенными с аппаратами.

Конструкции стандартных опор для колонных аппаратов приведены на рис. 6.3 и 6.4.

Высота цилиндрических опор Н1 должна быть не менее 600 мм и выбирается по условиям эксплуатации аппарата.

Материал деталей опор должен выбираться исходя из условий эксплуатации и в соответствии с техническими требованиями ОСТ 26-291-79

Предел текучести материала должен быть не менее 210 МПа при

температуре 20оС.

Необходимое количество отверстий, лазов (люков), их размеры,

расположение и форма выбираются из условий эксплуатации и монтажа и должны отвечать требованиям ОСТ 26-291-79.

Для вентиляции внутренней полости опоры в верхней части должно быть

предусмотрено не менее двух отверстий диаметром не более 100 мм.

При приварке опор к днищам, сваренным из отдельных частей, в обечайках опор должны быть предусмотрены вырезы, позволяющие иметь

доступ к сварным радиальным швам на днищах. В этом случае отверстия для

вентиляции не предусматриваются [21].

Устройства для строповки аппаратов.

Подъем и перемещение химических аппаратов при монтаже и демонтаже, осуществляемые различными подъемно-транспортными средствами производятся с помощью строповки аппаратов канатами, цепями или траверсами.

Для обеспечения надежности и безопасности строповки вертикальных аппаратов на них предусматривается специальное устройство, за которое аппарат подвешивается к подъемно-транспортному устройству. Подвешивание

аппарата за штуцера и какие-либо выступающие части обычно не допускается.

Устройствами для строповки являются крюки, ушки, скобы и цапфы,

называемые еще монтажными штуцерами.

Крюки и цапфы размещаются на боковых стенках, а ушки – на верхних

днищах и крышках аппаратов. Крюки и цапфы устанавливаются по два на аппарате, количество ушек может достигать трех, а в отдельных случаях и четырех на одном аппарате.

66

Установку строповых устройств на вертикальном аппарате рекомендуется производить возможно выше центра тяжести аппарата.

Подъем и перемещение горизонтальных аппаратов осуществляется

обычно с помощью строповки их канатами или цепями, непосредственно охватывающих корпус. В отдельных случаях на горизонтальных аппаратах

могут быть предусмотрены ушки, крюки или цапфы. Ушки устанавливают сверху по краям цилиндрического корпуса, а цапфы – симметрично по две с каждой стороны в диаметральном сечении корпуса [17].

67

7 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОНН С КОЛПАЧКОВЫМИ, КЛАПАННЫМИ И СИТЧАТЫМИ ТАРЕЛКАМИ

Диаметры колонн с такими тарелками выбираются из табл. 7 - 9 по

величине рабочей площади тарелки, рассчитываемой как

ωр -скорость пара (газа) в рабочем сечении колонны, м/ с.

За рабочее сечение колонны принимают площадь основания тарелки, на которой установлены контактные элементы (без учета площади сливных

устройств).

Рис. 7.1. Значение коэффициента С в зависимости от расстояния между тарелками: 1

– 0,7 м; 2 – 0,6 м; 3 – 0,5 м; 4 – 0,4 м; 5 – 0,3 м;

Скорость пара в рабочем сечении колонны принято рассчитывать по

табл. 6); ρж и ρп -плотности жидкости и пара.

Значение коэффициента С определяется по графикам рис. 7.1.

устанавливается после проверки допустимого брызгоуноса и надежности

работы сливного устройства тарелки.

В промышленных колоннах допускается брызгоунос до 0.1 кг жидкости в 1 кг пара. Обычно величину относительного уноса следует учитывать при

отношении Gп Gж > 2.

68

При необходимости относительный унос жидкости можно рассчитать по

на границе с паром или газом, Н / м; hпн - высота пены (газожидкостной смеси), образующейся на тарелке, м.

Высота подпора жидкости над сливным порогом ( м)

69

Высота сливного порога на ситчатых и клапанных тарелках

hпор = hг.б − hсл .

Рис. 7.2. Расположение колпачка и сливного порога

Колпачки нормализованных тарелок (ГОСТ 9634-75) имеют прорези

различной высоты и формы (см. табл. 5). Наибольшая эффективность тарелки достигается тогда, когда пар проходит через все сечения прорези, т.е. прорезь полностью открыта (рис. 7.2).

Высоту открытия прорези можно рассчитать по уравнению

m −количество колпачков на тарелке (см. табл. 7); z −количество прорезей в одном колпачке; b −расчетная ширина прорези (см. табл. 5).

70