2.5 Тарелки, применяемые при перегонке нефти и нефтепродуктов

Перегонка с ректификацией – наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах-ректификационных колоннах – путем многократного противоточного контактирования паров и жидкости. Контактирование потоков пара и жидкости может производится либо непрерывно (в насадочных колоннах) или ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах). При взаимодействии встречных потоков пара и жидкости на каждой ступени контактирования (тарелке или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При достаточно длительном контакте и высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, могут достичь состояния равновесия, то есть температуры потоков станут одинаковыми, и при этом их составы будут связаны уравнениями равновесия. Такой контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, принято называть равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Подбирая число контактных ступеней и параметры процесса (температурный режим, давление, соотношение потоков, флегмовое число и др.), можно обеспечить любую требуемую четкость фракционирования нефтяных смесей.

По способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз колонны подразделяются:

- тарельчатые;

- насадочные;

- роторные.

Наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны.

В тарельчатых аппаратах контакт между фазами происходит при прохождение пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

При этом пар дробится на мелкие пузыри и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. В зависимости от характера диспергирования пара и жидкости различают следующие основные способы контактирования пара и жидкости на тарелках:

а) барботажный, когда пар диспергируется в жидкости; на полотне тарелки образуется слой пены, в которой осуществляется массообмен между фазами;

б) струйный, возникающий при больших скоростях пара, когда жидкость становится дисперсной фазой, а пар – сплошной; контакт между фазами осуществляется на поверхность капель и струй жидкости, движущихся в потоке пара в межтарельчатом пространстве с большой скорость.

В зависимости о величины нагрузок по пару и жидкости в пределах каждого из двух упомянутых способов их взаимодействия и различают следующие режимы:

• неравномерный, когда только часть жидкости на полотне тарелки пронизывая паром;

• равномерный, когда на всей площади тарелки происходит интенсивный барботаж;

• факельный, когда струи пара прорывается сквозь слой жидкости и выходят на её поверхность;

• уноса, когда значительная часть жидкости захватывается потоком пара и перебрасывается на вышележащую тарелку.

Организация интенсивного взаимодействия между фазами на тарельчатых устройствах позволяет создать аппараты большой единичной мощности при относительно небольших габаритах и массе.

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

По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переточными устройствами 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 или более потоками. При применении тарелок с большим числом потоков следует учитывать, что при этом уменьшается длина пути жидкости на тарелке и, как следствие, снижается эффективность массопередачи.

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 в каскадном. При низких значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы или специальные конструкции переливов с кольцевым движением жидкости на тарелке. В последнем случае корпус аппарата и полотно тарелки разделяется вертикальной перегородкой на две части, что позволяет вдвое уменьшить длину сливной перегородки и увеличить нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки.

У тарелок провального типа пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия (каналы), при этом места стока жидкости и прохода паров перемещаются по площади тарелки случайным образом.

Классификация тарельчатых контактных устройств по способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз:

а

б

в

г

Рисунок 2.1 – Классификация тарельчатых контактных устройств:

а – противоточные; б – прямоточные;

в – перекрестноточные; г – перекрестно-прямоточные

Противоточные тарелки характеризуются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Основной их недостаток- низкая эффективность и узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, предпочтительны для применения в процессах разделения под давлением.

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исключением ситчатых) наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами тарелок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестноточных тем, что в них энергия газа (пара) используется для организации направленного движения жидкости по тарелке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешивание жидкости на тарелке и в результате повышается производительность колонны. Однако эффективность контакта в них несколько меньше, чем в перекрестноточных тарелках.

В настоящее время на установках перегонки нефти применяют различные клапанные тарелки в блоках атмосферной перегонки и насадочные при вакуумной перегонке мазута.

Клапанные тарелки. Принцип действия состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан различной формы автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянной (в пределах высоты подъема) скорость газа и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).

Отличительной особенностью клапанных тарелок является увеличение их свободного сечения по мере увеличения скорости газа. Благодаря этому скорость газа при его входе в слой жидкости остается примерно постоянной вплоть до полного открытия клапана. Перекрытие отверстий тарелки саморегулирующимися клапанами позволяет расширить интервал рабочих нагрузок.

При сборке клапанных тарелок в зависимости от диаметра аппарата на полотне одной тарелки устанавливают от нескольких десятков до нескольких тысяч клапанов. В связи с этим для аппаратов больших диаметров необходимо упрощение сборки клапанных тарелок. Тарелки работают в перекрестно-точном режиме с большим временем контакта фаз, значительным захватом жидкости на тарелке и лучшей организацией барботажа.

Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром более 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. Размеры тарелок регламентированы ОСТ 26-02-1401 – 76 и ОСТ 26-02-1402 – 76. По сравнению с S-образным тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20-25%. Диапазон нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55-80 кг/м².

Рисунок 2.2 – Клапанная прямоточная тарелка:

1 – клапан прямоточный; 2 – полотно тарелки; 3 – длинная ограничительная ножка; 4 – короткая ограничительная ножка; 5 – выступ, обеспечивающий начальный зазор под клапаном

Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющим не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок.

Тарелки с дисковыми клапанами. В отверстиях полотна 1 тарелки установлены дисковые клапаны 2, которые центрируют тремя, расположенными под углом 120°, направляющими, имеющими нижние ограничители подъема 3. Начальный зазор между кромкой диска клапана и полотном тарелки получают при помощи ограничителей. Для уменьшения гидравлического сопротивления в центре клапана выполнено коническое углубление, направленное навстречу потоку пара, что обеспечивает плавное обтекание паровым потоком диска клапана.

Р

1

исунок 2.3 – Элемент тарелки с дисковым клапаном:

1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель.

Тарелки с пластинчатыми клапанами. Их основным элементом является L – образный клапан, 2 – пластина шириной около 25 мм, закрывающая щель прямоугольной формы размерами 12,5×120 мм. В нерабочем состоянии под действием собственного веса клапан закрывает отверстие. Вращаясь в месте перегиба пластины, клапан приподнимается проходящими парами. При 70% проектной нагрузки клапан полностью открывается. Полное открытие клапана фиксируется ограничителями 3 в форме скобы.

а
б
в

Рисунок 2.4 – Элемент тарелки с пластинчатым клапаном:

а – закрытым; б – полуоткрытым; в – открытым;

1 – диск тарелки; 2 – L-образный клапан; 3 – ограничитель

Клапаны могут быть различными по весу; более легкие располагают ближе к сливу жидкости с тарелки, они открываются при малых скоростях движения пара; более тяжелые клапаны открываются при скорости примерно 20% от проектной. Паровой поток на тарелке направлен горизонтально, что оттесняет от нее жидкость, которая наблюдается при вертикально направленном потоке паров. Удельная производительность тарелок с пластинчатыми клапанами примерно на 40% больше, чем колпачковых, они отличаются меньшим сопротивлением и уносом жидкости. Расстояние между тарелками 460-600 мм, их не рекомендуется применять для разделения загрязненных жидкостей.

Общим недостатком клапанных тарелок является застревание части клапанов в одном положении, либо их вылет из отверстий полотна тарелки при повышении паровой нагрузки. Это приводит к снижению эффективности колонны. В связи с этим представляют интерес конструкции тарелок с неподвижными клапанами, выгодно сочетающие повышенную производительность и высокую эффективность.

Фиксированные или неподвижные клапана представляют собой элементы, выштампованные в полотне тарелки и расположенные в шахматном порядке. Клапан имеет трапециевидную форму и ориентирован параллельно потоку жидкости. Такие клапана обладают следующими преимуществами:

- пониженный унос жидкости благодаря горизонтальному направлению истечения пара на полотно через боковые отверстия;

- организация направленного движения пара, поступающего через клапан, поможет организовать поток жидкости поперек тарелки, при этом уменьшается поперечное неравномерность распределения времени пребывания жидкой фазы на тарелке;

- более высокая производительность - до 30 %, чем у тарелки с подвижными круглыми клапанами;

- меньшее гидравлическое сопротивление в расчете на теоретическую ступень – до 20 %, чем у тарелки с подвижными круглыми клапанами;

- широкий диапазон нагрузок - немного меньше чем у тарелки с подвижными круглыми клапанами, но значительно большими, чем у ситчатых тарелок;

- стабильная эффективность в рабочем диапазоне нагрузок;

- отсутствие движущих частей исключает механический износ и обеспечивает более долгий срок службы;

- способность к переработке загрязненных сред.

Неподвижный клапан представлен на рисунке 2.5.

а

б

Рисунок 2.5 – Неподвижные клапаны:

а – клапан MVG; б – клапан MMVG

Насадочные колонны. Для таких контактных устройств характерно:

1) большая удельная поверхность;

2) хорошая смачиваемость их жидкостью;

3) малое гидравлическое сопротивление;

4) равномерность распределения жидких и газовых потоков;

5) высокая химическая стойкость и механическая прочность;

6) низкая стоимость.

Массообмен в таких колоннах происходит в основном в пленочном режиме на смоченной поверхности, чем больше удельная поверхность насадок, тем эффективнее массообмен. Но насадки с большой удельной поверхностью имеют повышенное гидравлическое сопротивление. Насадки изготавливают из керамики, фарфора, стали, пластмассы. Насадки делятся на нерегулярные и регулярные. Нерегулярные насадки – это насыпные насадки – кольца Рашига, Лессинна, Палля, седла Берля, Инталлокса. Это пустотелые шары с отверстиями в стенках, трехгранные и многогранные призмы и пирамиды, седлообразные тела, спиральные кольца из глазурованной глины высотой, равной диаметру, и др. Для увеличения поверхности контакта внутри колец иногда делают перегородки. Преимущества кольцевой насадки: малый вес, большая поверхность контакта, большая площадь свободного сечения, химическая инертность, дешевизна.

Насадку укладывают на тарелки, снабженные двумя отверстиями двух видов: малыми – для стока флегмы и большими – для прохода паров. Для правильной работы насадочной колонны очень важно равномерное распределение стекающей флегмы по всему поперечному сечению колонны. Этому благоприятствуют однородность тела насадки, максимально возможная скорость восходящего потока паров и строгая вертикальность колонны. Практика показала, что достигнутое в начале равномерное распределение флегмы нарушается по мере её стекания, т.к. пар стремится оттеснить жидкость к стенкам колонны и перемещаться через центр насадки. В связи с этим слой насадки разбивают на несколько маленьких слоев высотой 1-1,5 м, разделяя их свободным пространством.

Интенсивность ректификации достигается подбором насадки надлежащих размеров. Чем мельче насадочные кольца, тем лучше контакт между парами и флегмой, но тем выше гидравлическое сопротивление движение паров в колонне. При некотором предельном значении нагрузки насадочной колонны, т.е. при высокой скорости паров или жидкости, может наблюдаться «захлебывание» насадки, когда прекращается стекание жидкости и начинается ее выброс из колонны.

Основной недостаток нерегулярных насадок – это неравномерность распределения контактных потоков по сечению колонны.

Регулярные насадки изготавливают из металлических сеток, перфорированных металлических листов, многослойных сеток и обеспечивает более однородное распределение жидкости и пара в колоннах. Они имеют низкое гидравлическое сопротивление до 1-2 мм. рт. столба (130-260 Па) на 1 теоретическую тарелку. Отсюда – более глубокий вакуум, большой отбор масляных фракций с температурой кипения до 600°С, либо при заданной глубине отбора существенно повышается четкость разделения (возрастает относительная летучесть).

Вакуумные колонны с регулярными насадками по способу организации относительного движения контактирующих фаз делятся на:

1. противоточные;

2. перекрестноточные.

При противотоке насадки занимают все поперечное сечение колонны, а пар и жидкость двигаются навстречу друг другу. В колонне устанавливают блоки (модули) из регулярной насадки, и число таких блоков равно числу отбираемых фракций. Давление на верху колонны – 5 мм. рт. ст., в секции питания – 27 мм. рт. ст.

В перекрестноточных колоннах насадки занимают только часть поперечного сечения колонны в виде различных геометрических фигур – кольцо, треугольники, многоугольники. Такие насадки изготавливают из плетеной или вязаной металлической сетки (рукавные насадки), просечно-вытяжных листов, пластин. Такие насадки проницаемы для пара в горизонтальном направлении, а для жидкости - в вертикальном направлении [1]. По высоте такая колонна разделена распределительной плитой на несколько секций (модулей), представляющих собой единую совокупность элемента регулярной насадки с распределением жидкостного орошения. В пределах каждого модуля пар движется в горизонтальном направлении, жидкость по насадке сверху вниз. Жидкость и пар проходят различные независимые сечения, площадь которых можно регулировать, в то время как при противотоке площадь сечения одна и та же. Поэтому перекрестноточные колонны позволяют регулировать в оптимальных пределах плотность жидкого и парового орошения изменением толщины и плотности поперечного сечения насадочного слоя и тем самым почти на порядок превышающую скорость паров (в расчете на горизонтальное сечение) без повышения гидравлического сопротивления и значительно широкий диапазон устойчивой работы колонн. Здесь нет захлёбывания, образования байбасных потоков, брызгоунос и др., характерное для противоточных насадочных или тарельчатых колонн.

Слой сетчато-вязаного рукава высотой 0,5 м эквивалентен одной тарельчатой тарелки при гидравлическом сопротивлении 1 мм. рт. ст. (133,3 Па), что в 3-5 раз ниже, чем клапанной тарелки. Средний КПД таких тарелок в укрепляющей секции составляет 0,66.

Если в колонне 10-15 модулей, то остаточное давление в секции питания 20-30 мм. рт. ст. Поэтому выше отбор углеводородов от мазута или можно повысить четкость погоноразделения.

Малое гидравлическое сопротивление регулярных насадок позволяет «вместить» в вакуумную колонну стандартных размеров в 3-5 раз больше число теоретических тарелок, а также позволяет снизить температуру нагрева мазута в печи, или проводить «сухую» перегонку его без подачи водяного пара.

Таким образом, вакуумная колонна с регулярными насадками имеет ряд преимуществ:

1. Повышается производительность работы колонны;

2. Четкость разделения дистиллятов;

3. Стабильность и надежность работы колонны на различных режимах;

4. Легкость управления колонной при изменении режима и качества сырья.

В таблице 2.1 приведены сравнительные характеристики некоторых типов насадок. По основным параметром регулярные насадки существенно превосходят нерегулярные.

Насадка Зульцера состоит из перемежающихся слоев гофрической сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону. Насадка Гудлоу (Панченкова) представляет собой свернутую спираль из сетчатого чулка, в колонну укладывается послойно и пар проходит в щелях между сетчатыми слоями. Наклонно-пакетная насадка представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).

Любая насадка эффективно работает только при равномерном распределении жидкости по её поверхности. Поэтому применяют различные конструкции распределительных устройств жидкости в колоннах (перфорированные плиты, плиты с патрубками, плиты с наклонными отражателями, напорный маточник-распылитель). Выбор типа распределителя зависит от диаметра колонны, типа насадки, расхода орошения и других факторов. Варианты колонн с различными насадками показаны в [1].

Таблица 2.1 – Характеристика насадок различных типов

Тип насадки	Производительность	Эффективность	Высота слоя насадки эквивалентная одной теоретической тарелки (ВЭТТ)
Кольца Рашига (25 мм)	1	1	1
Кольца Палля (25 мм)	1,4-1,5	1,0-1,3	0,7-0,8
Седла Берля	1,1 -1,3	1,1	0,6-0,7
Седла Инталлокс	1,2-1,4	1,3	0,45-0,5
Насадки Гудлоу	1,1-1,2	3,2	0,13
Насадки Зульцера	1,8-2,0	2,5	0,25-0,45