Виды тарельчатых колонн
Наиболее распространенными ректификационными аппаратами являются тарельчатые колонны. По своему устройству они имеют много разновидностей [3, 4].
Колонны с колпачковыми тарелками.
На рисунке 2.1 показано устройство тарельчатой колонны с колпачковыми тарелками.
Колонна состоит из нескольких царг, каждая из них имеет одну тарелку. На ней установлен патрубок для прохода паров, а над патрубком – колпачок круглого сечения, нижние края которого имеют прорези. Тарелка снабжена переливной трубкой для жидкости; трубка установлена таким образом, чтобы сохранялся определенный уровень жидкости на тарелке. Нижний конец трубки погружается в жидкость на нижележащей тарелке, и таким образом создается гидравлический затвор, устраняющий возможность прохождения паров по переливным трубкам.
Рисунок 2.1 - Схема тарельчатой колпачковой колонны: 1 – тарелка, 2 – колпачок, 3 – паровой патрубок, 4 – переливная труба.
Края колпачка также находятся в жидкости, благодаря чему на тарелке создается гидравлический затвор, и пары, выходящие из патрубка, в прорезях колпачка дробятся на мелкие брызги. Пары в виде пузырьков проходят через слой жидкости на тарелке.
Недостатком таких тарелок является сложность устройства и большая металлоемкость. Колпачковые тарелки в настоящее время эксплуатируются только на старых колоннах, так как в настоящее время появилось много других более эффективных тарелок.
Колонны с тарелками из S-образных элементов
На рисунке 2.2. показано устройство тарелки из S-образных элементов [4].
Рисунок 2.2 - Устройство тарелки из S-образных элементов
На тарелках такого типа колпачки и желоба образуются при компановке колонны s-образными элементами, у которых одинаковое поперечное сечение. При сборке тарелки необходимо, чтобы колпачковая часть заходила на желобчатую часть. В этом случае образуется гидравлический затвор при работе тарелки.
Преимущества тарелок из S-образных элементов:
сравнительно небольшой расход металла;
конструкция имеет жесткую форму, поэтому при изготовлении S-образных элементов можно использовать сталь небольшой толщины (2-3 мм);
S-образные элементы просты в изготовлении, трудоемкость очень низкая;
нет необходимости установления промежуточных опор в аппарате, так как вес S-образных элементов сравнительно невысок;
S-образные элементы могут переносить значительные перегрузки в технологическом режиме.
К недостаткам тарелок с S-образными элементами относят:
малое сечение контакта в колонне (11-12 % от сечения);
высокое гидравлическое сопротивление;
высокая чувствительность к содержанию примесей, осдков, загрязнений.
Колонны с клапанными тарелками
Клапанные тарелки представляют собой конструкцию, имеющую продолговатые щели или круглые отверстия. Щели прикрываются пластинчатыми клапанами, а отверстия – круглыми. Схематично виды клапанных тарелок представлены на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Конструкции клапанных тарелок: а) типа «Глитч», б) типа «Флексирей».
В отличие от колпачковых тарелок, работающих при неизменном расстоянии между элементами, клапанные тарелки могут работать в динамическом режиме. То есть при увеличении расхода клапан приподнимается и появляется возможность открытия большего сечения прохода для пара. Схема работы клапана указана на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Схема работы клапана тарелки при нагрузках: а) малых, б) средних, в) больших.
Преимущества клапанных тарелок:
равномерное распределение пара по тарелке;
небольшая масса;
простая конструкция тарелки.
Все эти преимущества делает применение клапанных тарелок перспективным.
Колонны с ситчатыми тарелками
Колонны с колпачковыми тарелками работают стабильно, но имеют существенный недостаток: при проведении ремонта такой колонны или при переходе на режим с другой жидкостью очень трудно освободить тарелки от слоя жидкости на них.
В колоннах с ситчатыми тарелками ремонт и смена режима гораздо проще.
Колонны этого типа состоят из вертикального цилиндрического корпуса с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки. Нижние концы трубок погружены в стаканы, находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравлические затворы.
Схема работы ситчатой тарелки приведена на рисунке 2.5.
Газ (пар) проходит в отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.
В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большей эффективностью, чем колпачковые. Однако, допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости газа (0,1 м/сек) жидкость просачивается через отверстия и в связи с этим резко уменьшается к.п.д. тарелки.
Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. В случае внезапного прекращения поступления газа (пара) или значительного снижения его давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости и для достижения заданного режима процесса требуется вновь запустить колонну.
Рисунок 2.5 - Схема устройства колонны с ситчатыми тарелками. 1 – корпус, 2 – ситчатая тарелка, 3- переливная трубка, 4 – стакан.
Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн. Их применяют главным образом для ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).
Колонны с провальными тарелками
За последние годы в химической технологии для осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью находят применение колонны с ситчатыми провальными (дырчатыми) тарелками без специальных переливных устройств. По сравнению с другими конструкциями эти колонны отличаются высокой производительностью, более низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим сопротивлением и др.
Отличительной особенностью тарелок в этих колоннах является то, что газ (пар) и жидкость проходят в них противотоком через одни и те же отверстия и щели, в результате чего на тарелке образуется дисперсная система, состояние которой зависит от ряда факторов: линейной скорости газа (пара, геометрических размеров тарелки, физических свойств фаз и др.
Исследования работы колонн с провальными тарелками показали, что при некотором определенном гидродинамическом режиме они имеют максимальную эффективность. Такой гидродинамический режим мы называем оптимальным.
К провальным тарелкам, кроме вышеперечисленных, относят решетчатые, колосниковые, трубчатые виды тарелок.
Решетчатые тарелки отличаются простотой конструкции и высокой эффективностью. Для увеличения эффективности в тарелке делают щели разной ширины. Расположены они неравномерно по сечению колонны. На тарелках при небольших расходах сырья будут работать в основном узкие щели. При увеличении нагрузки в работу будут вовлекаться и остальные щели.
Наибольшую эффективность показали тарелки, составленные комбинированием различных видов тарелок, в результате которых появились простые в эксплуатации и высокоэффективные виды тарелок, например, решетчато-ситчатые.
Колонны с ситчатыми тарелками с отбойными элементами
Полотно тарелки выполняется из просечно-вытяжных листов. Направление просечки совпадает с направлением жидкости в колонне. Над тарелкой из просечно-вытяжного листа установлены отбойные элементы. На рисунке 2.6 приведен элемент тарелки из просечно-вытяжного листа.
Рисунок 2.6 - Элемент тарелки из просечно-вытяжных листов: 1 – полотно тарелки, 2 – отбойный элемент.
Преимущества ситчатых тарелок с отбойными элементами:
низкое гидравлическое сопротивление;
высокая производительность по пару;
хорошо зарекомендовали в вакуумных колоннах.
Колонны со струйными тарелками
Рисунок 2.7 - Струйная тарелка с секционными перегородками
Тарелки представляют собой полотно с просечками. Металл просечек отогнут в виде лепестков или язычков. Для эффективности процессов ректификации на тарелке устанавливают поперечные перегородки. На рисунке 2.7 приведена струйная тарелка с секционными перегородками.
Тарелки такой конструкции должны быть установлены строго горизонтально, так как при перекосе часть элементов может быть совсем не залита жидкостью, или уровень ее будет недостаточен для эффективной работы тарелки. Все это ухудшает работу колонны.