книги из ГПНТБ / Разделение смесей кремнийорганических соединений

Г л а в а X

ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ

КОНСТРУКЦИИ ТАРЕЛОК

Для разделения смесей кремнийорганических мономеров ос­ новных классов (метил-, этил- и фенилхлорсиланов) применяют главным образом тарельчатые ректификационные колонны с капсульными колпачковыми тарелками, соответствующими нор­ малям НИИХИММАШа и УкрНИИХИММАШа [254, 276].

Несмотря на целый ряд положительных характеристик, про­ изводительность колпачковых тарелок сравнительно невелика. Поэтому в последние годы были разработаны тарелки новых конст­ рукций: струйные с вертикальными перегородками [287] и из мелких S-образных элементов с отбойниками [293]; не уступая колпачковым тарелкам в эффективности разделения, они обла­ дают существенно большей производительностью и имеют меньшую металлоемкость.

Нормализованные тарелки провального типа [254], хотя и обладают высокой производительностью, получили ограничен­ ное применение вследствие более низкой эффективности разделе­ ния и меньшего диапазона рабочих нагрузок, чем у колпачковых тарелок.

Вариант решетчатых тарелок провального типа с отогнутыми кромками щелей ПбЗ] позволяет несколько улучшить эксплуата­ ционные характеристики.

В колоннах имеется большое число тарелок, расстояние между которыми составляет 240—300 мм, поэтому, чтобы обеспе­ чить возможность монтажа, ревизии и ремонта, колонны изго­ тавливают из отдельных царг высотой 1000—1200 мм, в каждой из которых устанавливают 4—5 тарелок.

Стандартные конструкции

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками неразбор­ ной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из абестового шнура.

В горизонтальном положении тарелки диаметром до 1000 мм устанавливают с помощью трех регулировочных винтов, тарелки диаметром 1200—1800 мм — с помощью опорного разъемного кольца, предусматриваемого в корпусе колонны (сверху к нему

199

крепится основание тарелки). Для комплектации тарелок при­ меняют стандартные круглые колпачки диаметром 60, 80 и 100 мм ГОСТ 9634—68 (взамен ГОСТ 9634—64).

Металлоемкость стандартных колпачковых тарелок состав­ ляет в среднем ПО—130 кг/м2, облегченных колпачковых таре­ лок из легированных сталей — 60—80 кг/м2.

В нефтяной промышленности нормализованы тарелки сле­ дующих типов: 1) колпачковые, 2) из крупных S -образных эле­ ментов («Юнифлакс», соответствуют нормали Н967-63) и 3) кла­ панные прямоточные (соответствуют нормали ОН 26-02-29-66), применяемые для колонн диаметром 1000 мм и более.

Тарелки из S-образных элементов имеют несколько более узкий диапазон рабочих нагрузок, чем колпачковые.

Клапанные прямоточные тарелки позволяют повысить про­ изводительность на 20—25% и несколько снизить сопротивление колонн.

Нормализованные решетчатые тарелки провального типа мо­ гут применяться в колоннах диаметром 400 мм и более. Тарелки провального типа обладают значительно большей производитель­ ностью (примерно в 1,8—2 раза) и малой металлоемкостью (40— 50 кг/м2), имеют существенно меньшие эффективность и диапа­ зон рабочих нагрузок, чем колпачковые; их рекомендуется при­ менять в ректификационных колоннах, где требуется относитель­ но малое число тарелок и ожидается сравнительно небольшое колебание рабочих нагрузок (например, при отгонке хлорметила и хлорэтила).

Новые конструкции

Струйные тарелки с вертикальными перегородками. Повыше­ ние производительности тарелок может быть достигнуто за счет применения струйно-прямоточного принципа взаимодействия фаз, а повышение эффективности — за счет более тесного межфазового контакта при минимальном перемешивании жидкости на тарелке.

В результате реализации этих принципов была создана струй­ ная тарелка, снабженная вертикальными поперечными перего­ родками [287], общий вид которой приведен на рис. Х-1. Основа­ нием тарелки служит стальной лист; на нем в шахматном порядке

Перпендикулярно направлению потока жидкости через каж­ дые два ряда лепестков установлены вертикальные перегородки, у нижнего основания которых имеются прямоугольные прорези общей длиной 0,75—0,85 длины перегородок. Обычно высота перегородок hw равна 35—60 мм. Перегородки разделяют тарел-

200

Рис. Х-1. Общий вид струйной тарелки с вертикальными перегородками:

перегородка; 8 — переливной карман; 9 — набивка сальника; 10 — нажимное кольцо.

Рис. Х-2. Общий вид тарелки из мелких S-образных элементов с отбойнк* ками:

ку на ряд секций и обеспечивают интенсивное взаимодействие потоков пара и жидкости в пределах каждой такой секции и на тарелке в целом. •

Переливные устройства имеют переливной карман перемен­ ного сечения .по высоте: в верхней части оно составляет 11%, а в цижней 7% общей площади сечения колонны, что позволяет улучшить работу переливного устройства и более рационально использовать площадь тарелки в зоне контакта фаз. Длина !слив - ной перегородки обычно составляет 0,7—0,8 диаметра колонны.

По сравнению с колпачковыми тарелки этого типа позво -

Рис. Х-3. Схема элемента решетчатой тарелки провального типа с отогнуты­ ми кромками щелей:

1— основание тарелки; 2 — щель с отогнутыми кромками; 3 — щель без отогнутых кромок; а — ширина щели; в — длина щели; 6 —*толщина листа основания тарелки.

ляют повысить производительность колонн в 1,8—2 раза при сохранении высокой эффективности разделения; рабочий диапа­ зон струйно-направленных тарелок с перегородками равен 3—4, а их металлоемкость существенно меньше, чем у колпачковых та­ релок (см. табл. Х.2).

Тарелки из мелких S-образных элементов с отбойниками. Применение более мелких S-образных элементов дало возмож­ ность расширить диапазон рабочих нагрузок примерно на 10% и настолько же увеличить максимальную эффективность по срав­ нению с тарелками из стандартных S-образных элементов [99, 164]. Чтобы увеличить производительность, эффективность и диа­ пазон рабочих нагрузок тарелок из мелких S-образных элемен­ тов, на них были установлены наклонные отбойные устройства

[293].

Общий вид тарелки дан на рис. Х-2. Диапазон рабочих нагру­ зок этих тарелок приблизительно равен 3, а по производитель­ ности и эффективности они практически идентичны струйным тарелкам с перегородками, для которых а = 40° и hw = 50 мм [99]. Металлоемкость данных тарелок 50—60 кг/м2.

Решетчатые тарелки провального типа с отогнутыми кромками щелей. Рабочие характеристики решетчатых тарелок провального

203

типа могут быть улучшены, если часть щелей (около 50%) снаб­ дить кромками, отогнутыми вниз (навстречу потоку пара) [163J. При прочих равных условиях такие тарелки имеют на 10—15% более широкий диапазон рабочих нагрузок и на 15% большую производительность, чем нормализованные. Одновременно вслед­ ствие большей жесткости конструкции примерно в 1,5 раза уменьшается металлоемкость тарелок, что позволяет применять металл меньшей толщины (1,5—2,0 мм вместо 3—4 мм). Ширину щелей рекомендуется принимать равной 5—6 мм, длину 100 мм. Схема элемента тарелки дана на рис. Х-3. Тарелки этого типа можно устанавливать в колоннах малых диаметров (менее

400 мм).

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛКИ

Гидравлические расчеты позволяют выбрать основные конст­ руктивные размеры тарелки, обеспечивающие заданную произ­ водительность по пару и жидкости, а также необходимую эффек­ тивность тарелки.

На практике нередко работают при низких показателях про­ изводительности и эффективности вследствие того, что тарелки эксплуатируются вне области их нормальных рабочих нагрузок.

Диаметр тарельчатых колонн

Тарелки с переливными устройствами. Максимальную и ра­ бочую скорости пара (газа) определяют по уравнению [417, 539]

где W — скорость пара (газа) в колонне, м/с; уп, уж — удельные веса пара и жидкости соответственно, кгс/м3; С — коэффициент скорости, учитывающий влияние поверхностного натяжения и расстояния между тарелками.

Величину коэффициента С рассчитывают по уравнению

(Х,2>

где о — поверхностное натяжение жидкости на границе с паром, кгс/м; С20 — коэффициент, определяемый в зависимости от конст­

204

Для струйных тарелок с перегородками при расстоянии между

Верхний индекс «к» относится к колпачковым тарелкам. Диа­ метр колонны DK находят по уравнению

С учетом жидкостной нагрузки диаметр колонны определяют из выражения [156]

где G, L — нагрузки колонны по пару и жидкости соответствен­ но, кг/ч; Ко — коэффициент, зависящий от конструкции тарелки и равный:

Тарелки провального типа. Для стандартных тарелок про­ вального типа (без отгиба кромок щелей) расчет минимальной рабочей скорости пара может быть выполнен [84, 425] по уравне­ нию:

Здесь W — скорость пара в колонне, м/с; L, G — массовые ско­ рости жидкости и пара, кг/ч или кг/(м2-ч); — эквивалентный диаметр щели, м; фс — свободное сечение тарелки, м2/м2; g — ускорение силы тяжести, м/с2; цж, рв — вязкости соответственно жидкости при рабочих условиях и воды при 20 °С, сПз.

Для провальных тарелок с отгибом кромок щелей минималь­ ную рабочую скорость пара определяют по уравнению, анало­ гичному приведенному

205

Верхний предел рабочих нагрузок определяется так называе­ мой «скоростью захлебывания», которую с учетом результатов

Для ориентировочных расчетов можно принимать у* ^ 0,20— 0,25; ^ 1,4—1,6 — коэффициент сопротивления сухой тарелки.

206

Долю свободного сечения тарелки, занятого стекающей жид­ костью т, определяют по уравнениям, приведенным в работах [57, 155]; там же приведены уравнения для расчета сопротивле­ ния тарелки Ар.

Высоту сепарационного пространства определяют [3] из вы­ ражения

где е — унос жидкости потоком пара, кг/кг; тъ mw — попра­ вочные коэффициенты, учитывающие влияние физических свойств жидкости и пара на унос [166]

В уравнениях (X, 15)—(X, 16) величины со штрихом относят­ ся к системе воздух — вода при 20 °С и 760 мм рт. ст., а без штри­ ха — к данной парожидкостной системе.

Расчет переливных устройств

При расчете переливных устройств исходят из допущения, что через переливы течет не насыщенная паром жидкость, а спо­ собность жидкости к вспениванию учитывают последующим вве­ дением соответствующих поправочных коэффициентов.

Основные схемы переливных устройств, нашедшие применение в практике, представлены на рис. Х-5.

Длина сливной перегородки В обычно составляет (0,6—0,8) DK. Подпор жидкости над сливной перегородкой. Глубина слоя жидкости на тарелке обусловлена высотой сливной перегородки hw к величиной подпора жидкости над сливной перегородкой

перегородки при меньшем подпоре жидкости над сливом приме­ няют сливные перегородки с прорезями (трапециевидными, тре­ угольными, прямоугольными). Расчет таких сливных перегоро­ док изложен в работе [237].

Обычно максимальная нагрузка по жидкости на сливную пе­ регородку не должна превышать 70—80 м3/(м-ч). При более

207