1.4 Виды ректификационных колонн
В зависимости от применяемых контактных устройств, колонны делятся на тарельчатые и насадочные.
Тарельчатые ректификационные колонны. В основном распространены в нефтеперерабатывающей отрасли и на крупных производствах. Тарельчатые колонны представляют собой вертикальную трубу, в которой через определенное расстояние устанавливаются тарелки разной конфигурации, где идет контакт между паровой и жидкой фазами.
Недостаток колонн: дороговизна и большие габариты.
Преимущества: тарельчатая ректификационная колонна тоньше разделяет фракции.
К тарелкам ректификационных и абсорбционных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малую массу.
Тарелки классифицируют по числу потоков, типам и конструкции контактных элементов, характеру взаимодействия фаз в зоне контакта, организации перелива жидкости.
По числу потоков тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными (рис. 4) и тарелки с каскадным расположением полотна.
По типу контактных элементов тарелки разделяются на тарелки колпачковые, из S-образных элементов, клапанные, ситчатые, решетчатые, чешуйчатые, язычковые и др.
В зависимости от направления движения паровой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки с перекрестным током, прямоточные и противоточные. По организации перелива жидкости тарелки разделяют на переливные и беспереливные (провального типа).
В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным полотном и разборной конструкции. Тарелки разборной конструкции собирают из отдельных полотен, ширина которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках.
Рисунок 4 - Схемы тарелок: а- однопоточной; б- двухпоточной; в- трехпоточной; г- четырехпоточной; д- каскадной.
Ситчатые тарелки имеют отверстия 2 диаметром 3-12 мм, расстояние между которыми в 3,5-4 раза больше их диаметра. Слой жидкости 1 высотой 25-30 мм удерживается на тарелках восходящим потоком паров, которые проходят через отверстия 2 и барботируют через слой жидкости. Избыток флегмы перетекает вниз по сливным стаканам 3. Если сливные стаканы отсутствуют, то жидкость перетекает на нижележащую тарелку через те же отверстия, через которые проходят пары. Площадь сечения всех отверстий (степень перфорации) иногда достигает 40% от площади тарелки)
Рисунок 5 - Устройство ситчатой тарелки: 1 - уровень жидкости на тарелке; 2 - отверстия тарелки; 3 - сливной стакан; 4 - стенка колонны.
Отверстия ситчатой тарелки отличаются по форме (рис.6):
Рисунок 6 - а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные.
Решетчатые тарелки провального типа являются разновидностью ситчатых, в них нет сливных устройств. Секция тарелки представляет собой стальной лист 1 со щелями 2 прямоугольной или иной формы. Барботаж паровой фазы через жидкость осуществляется по всему сечению колонны. Пары и жидкость, как правило, в противотоке проходят через одни и те же щели в тарелках. На тарелках удерживается слой жидкости, высота которого определяется величиной подпора потока паров. Избыток жидкости проваливается через щели на нижележащую тарелку. С увеличением расхода паров на тарелке растёт перепад давления и удерживается слой жидкости большей высоты. Прорези работают периодически: места стока жидкости и прохода пара произвольно перемещаются по полотну тарелки.
Рисунок 7 - Устройство решетчатой тарелки провального типа: 1 – стальной лист, 2 – прямоугольные щели или щели иной формы
Ситчатая тарелка с S-образной перегородкой – перфорированный лист, к которому припаяна S-образная перегородка 3, делящая тарелку на две части. Стекающая с верхней тарелки жидкость через прорези в сливном стакане 2 и далее через переливную перегородку 5 поступает на тарелку и движется в направлении, указанном стрелками, контактируя с паром, поднимающимся через отверстия в листе 1. Подойдя к перегородке 3 с другой стороны, жидкость стекает на следующую тарелку через сливную перегородку 4 и сливной стакан.
Рисунок 8 - Ситчатая тарелка с S-образной перегородкой: 1 – лист, 2 – сливой стакан, 3 - образная перегородка, 4 – сливная перегородка, 5 – переливная перегородка.
Колпачковая тарелка представляет собой перфорированную пластину 1 с патрубками 4 и прикрывающими их колпачками 3 со щелями 5 (прорезями). По патрубкам, кольцевому пространству 6 и через щели пары вводятся под слой жидкости на тарелке. Постоянство уровня жидкости обеспечивается подпорными перегородками 7. Избыток флегмы по сливным стаканам 2 перетекает на нижележащую тарелку.
Рисунок 9 - Устройство колпачковой тарелки: 1 - пластина; 2 - сливной стакан; 3 - колпачок; 4 - паровой патрубок; 5 - прорези колпачка; 6 - кольцевое пространство; 7 - подпорная перегородка; 8 - стенка колонны.
Тарелки с S-образными элементами
Рисунок 10 - Тарелка из S-образных элементов: 1—S-образный элемент; 2—плоский сегмент; 3—карман; 4—сливная перегородка; 5—опорная полоса; б—струбцина-скоба; 7—первый элемент; 8—колпачок.
S-образные колпачки штампуют из листовой стали с прорезями по одной из продольных кромок. При сборке образуется ряд продольно расположенных и чередующихся желобов и колпачков. На тарелке поддерживается определенный слой флегмы, а ее избыток перетекает вниз через сливные стаканы. Прорези колпачков погружены в слой жидкости на тарелках, образуя гидравлический затвор. Пары, двигаясь снизу-вверх, распределяются прорезями на струйки, барботирующие через слой жидкости на тарелке.
Основным элементом тарелок с пластинчатыми клапанами является L-образный клапан 1 – пластина, закрывающая щель прямоугольной формы. 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 ограничителем в форме скобы [6].
Рисунок 11 - Клапанные колпачки – прямоугольный (а) и круглый (б): 1 – клапан; 2 – удерживающая скоба.
Насадочные ректификационные колонны. На сегодняшний день широкое распространение получили насадочные колонны. Это те же вертикальные трубы, только в них устанавливается другое контактное устройство — насадка. Насадки разделяются на два типа:
Нерегулярная — неупорядоченный слой насыпного или заполняемого инертного материала (например, спирально призматическая насадка СПН).
Преимущества: малый вес, большая площадь контакта.
Недостатки: высокое сопротивление, сложность правильного распределения паров и флегмы.
Регулярная — представляет собой скомпонованные в кассеты перфорированные сетки и листы (к ним относится регулярная проволочная насадка Панченкова (РПН).
Преимущества: высокая эффективность, малый перепад давления.
Недостатки: насадочная ректификационная колонна явных недостатков не показала.