Diplom Linar / Бирдегулов Диплому / 1359417_FD6CA_dahin_o_h_massoobmennye_kolonnye_apparaty_konstrukciya_princ

О.Х. Дахин Машины и аппараты химических и пищевых производств: Курс лек-

ций (ВолгГТУ, Волгоград)

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы сту-

дентов очной и очно-заочной формы обучения по специальности 240801

при изучении курса «Машины и аппараты химических производств».

В основу положен курс лекций, читающийся в течение ряда лет на кафедре «Процессы и аппараты химических производств» на химико-

технологическом факультете Волгоградского государственного техниче-

ского университета. При изучении курса значительное внимание в пособии уделяется привитию студентам навыков конструктивного оформления ма-

шин и аппаратов с учетом специфики протекающего процесса или способа обработки вещества, методике комплексного расчета типовых (стандарт-

ных) машин и аппаратов (фильтров, центрифуг, смесителей, теплообмен-

ной и массообменной аппаратуры), на которую в первую очередь должен ориентироваться инженер в своей повседневной практике.

Достаточно широк ассортимент представляемых в пособии инже-

нерных методик расчета машин и аппаратов, необходимый справочный материал дает возможность широко использовать его при курсовом и ди-

пломном проектировании, как будущим инженерам-механикам, так и хи-

микам-технологам.

2

ВВЕДЕНИЕ

Колонные массообменные аппараты предназначены для проведения процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции десорбции. Эти процессы связаны с разделением жидких и газообразных смесей на индивидуальные компоненты. Они нашли широкое применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и родствен-

ных с ними областях промышленности. Особенно важно выделение ком-

понентов в чистом виде в производстве полимеров и эластомеров с повы-

шенными физико-химическими свойствами, полупроводников, изотопов и т.д. Для разделения смесей на индивидуальные компоненты среди других методов наиболее широкое применение нашел метод ректификации, по-

этому в дальнейшем ему уделяется несколько большое внимание, чем дру-

гим.

Любая ректификационная установка состоит из собственно ректифи-

кационной колонны и двух теплообменных аппаратов: кипятильника,

предназначенного для генерации парового потока, поднимающегося в ко-

лонне снизу вверх, и конденсатора, в котором происходит конденсация па-

ра, поступающего из верхней части колонны. Часть конденсата направля-

ется на орошение колонны и образует поток флегмы.

Существуют различные схемы ректификационных установок, отли-

чающихся друг от друга распределением материальных и тепловых пото-

ков. Многообразие схем массообменных установок определяется рядом факторов, среди которых наиболее существенны следующие: характер и свойства исходной смеси, качество целевого продукта, производитель-

ность, оптимальные условия поддержания технологического режима и максимальная эффективность процесса.

Колонные массообменные аппараты конструктивно выполняются в виде цилиндрического корпуса, состоящего из отдельных царг или цельно-

3

сварного. Для создания поверхности контакта между стекающими сверху жидкой фазой и поднимающимися навстречу парами, в корпусе аппарата устанавливаются контактные устройства виде тарелок или насадки, яв-

ляющиеся основными функциональными элементами. В зависимости от типа контактного устройства все массообменные колонные аппараты де-

лятся на тарельчатые и насадочные.

При конструировании колонн обычно руководствуются требования-

ми, предъявляемыми к конструкции любого химического аппарата (деше-

визна, простота в обслуживании, высокая производительность, прочность,

коррозионная устойчивость, надежность и т.д.).

Помимо этого, необходимо учитывать следующие специфические требования к конструкции колонной аппаратуры:

-колонна должна обладать максимальной пропускной способностью по паровой и жидкой фазе;

-контактные устройства должны обеспечивать максимальную по-

верхность контакта между фазами при максимальной эффективности пере-

дачи массы; - колонна должна работать устойчиво и равномерно по всему сече-

нию в широком диапазоне нагрузок; - гидравлическое сопротивление распределительных устройств

должно быть минимальным.

Стремление к максимальному удовлетворению этих требований, а

также специфика свойств смесей, подлежащих разделению (теплообразо-

вание, агрессивность, закоксование, образование отложение и т.д.), приво-

дит к большому многообразию типоразмеров массообменных колонных аппаратов.

Ниже в пособии достаточно подробно рассмотрены конструкции,

наиболее часто встречающиеся в промышленности. Классификация колон-

4

ных аппаратов проведена в зависимости от конструкции контактного уст-

ройства и относительно движения фаз.

Взависимости от относительного движения фаз колонны делятся на четыре группы:

- колонны перекрестного тока; - колонны полного смешения; - противоточные колонны; - прямоточные колонны.

Взависимости от конструкции контактного устройства колонны де-

лятся на тарельчатые, насадочные и пленочные. В тарельчатых аппаратах реализуется перекрестный ток на колпачковых, клапанных и ситчатых та-

релках, а полное смешение на провальных тарелках.

Особенностью этих аппаратов является то, что взаимодействие фаз осуществляется посредством барботажа паровой(газообразной) фазы через слой жидкости.

В противоточных и прямоточных колоннах паровой(газообразный)

поток взаимодействует с жидкостью, текущей в виде тонкой пленки по по-

верхности специальной насадки в виде труб, пластин, пакетов, керамики и т.д. Поэтому эти две группы колонн обычно объединяют под общим на-

званием пленочных или насадочных. Наибольшее распространение полу-

чили тарельчатые колонны, рабочее пространство которых разделено на секции, образуемые тарелками. Поэтому рассмотрению этих аппаратов ниже уделено особое внимание.

Особенностью работы всех тарельчатых колонн является ступенча-

тое изменение концентраций от тарелки к тарелке. В отличие от тарельча-

тых колонн в насадочных колоннах концентрация по высоте изменяется непрерывно.

Содержание учебного пособия представлено в виде разделов, каж-

дый из которых последовательно отражает механизм процесса массопере-

5

дачи в колонных аппаратах, их конструктивное оформление, методики гидродинамического расчета колонны и контактных устройств и других внутренних устройств, обеспечивающих оптимальные параметры нор-

мальной работы колонны. На основании этих факторов даны рекоменда-

ции по выбору рациональной конструкции установки, особенностей техно-

логии монтажа, пуска, испытаний, условий нормальной и безопасной эксплуатации, ремонту основных узлов и деталей.

В данном пособии, в отличие от других изданий, посвященных рас-

сматриваемой проблеме, в которых основное внимание уделяется теории тепло- и массопереноса, кинетике и динамике процессов массопередачи для различных перерабатываемых материалов или конструктивному оформлению колонн в методологическом аспекте сделана попытка по воз-

можности достаточно равномерно осветить вопросы в соответствие с тре-

бованиями стандарта курса «Машины и аппараты химических произ-

водств».

При составлении учебного пособия использован многолетний опыт преподавания и научной работы на кафедре «Процессы и аппараты хими-

ческих производств» на химико-технологическом факультете Волгоград-

ского государственного технического университета.

6

1МАССООБМЕННЫЕ КОЛОННЫЕ АППАРАТЫ

1.1Назначение и классификация массообменных аппаратов

Массообменными называются процессы, при которых вещество из одной фазы переходит в другую путем диффузии при определенных рабо-

чих условиях. К таким процессам относится ректификация, абсорбция, де-

сорбция, адсорбция, экстракция и сушка. В общем случае аппараты, в ко-

торых протекают указанные процессы, называются массообменными. Для проведения того или иного процесса получили распространение опреде-

ленные аппараты. Например, для проведения абсорбции наиболее часто применяются насадочные колонные аппараты, а для проведения ректифи-

кации - тарельчатые колонные аппараты.

Общим для всех этих аппаратов является наличие основного конст-

руктивного элемента - контактного устройства. Остальные узлы являются вспомогательными: дефлегматоры, холодильники, теплообменники, рас-

пределительные и питательные устройства и другие.

Назначение любого контактного устройства: привести о взаимодей-

ствие жидкие и газовые (паровые) фазы и создать максимально удельную поверхность контакта фаз.

В зависимости от движения фаз относительно друг друга колонные аппараты можно подразделить на четыре группы:

-прямоточные;

-противоточные;

-перекрестного типа;

-полного смешения.

Дальнейшая классификация зависит от конструкции контактных уст-

ройств. Они делятся на:

-колпачковые, ситчатые, клапанные, каскадные;

-решетчатые, волнистые;

7

-пленочные и каскадные;

-трубчатые и с трубой Вентури.

По принципу образования межфазовой поверхности диффузионные аппараты, к которым относятся абсорбционные и ректификационные аппа-

раты, делятся на три основные группы:

- аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движе-

ния потоков - тарельчатые колонные аппараты, насадочные, ин-

жекционные (струйные); - аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта -к ним

относятся все пленочные аппараты. В них контакт фаз создается на по-

верхности стенок труб или пластин, покрытых пленкой стекающей жидко-

сти;

- аппараты с внешним подводом энергии - роторно-пленочные, пуль-

сационные и вибрационные колонны.

В зависимости от рабочего давления аппараты делятся на рабо-

тающие под давлением, атмосферные и в вакууме. Около 60 % изготов-

ляемых аппаратов для абсорбции и ректификации представляют собой та-

рельчатые колонны, остальные - насадочные. Из-за сложности изго-

товления и высокой стоимости пленочные аппараты в промышленности используются относительно мало.

1.2Общая характеристика колонных аппаратов

Кколонным и башенным аппаратам в химической технологии от-

носят в основном оборудование для процессов взаимодействия между жидкостью и газом (ректификация, абсорбция и мокрая очистка газов),

жидкостью и жидкость (экстракция) и газом и твердым телом (адсорбция).

Особое положение занимают реакторы колонного типа.

Классический тип колонных аппаратов - тарельчатые и насадочные.

В тарельчатых - контакт между жидкостью и газовой фазой осуще-

8

ствляется за счет многократного барботажа газа (или пара) через слой жидкости, а в насадочных - за счет стекания жидкости по элементам на-

садки. В обоих случаях жидкость стекает вниз под действием силы тя-

жести, а газовая фаза движется навстречу снизу вверх.

Один из способов ускорения процесса массообмена - увеличение скорости взаимодействующих фаз, за счет чего увеличивается турбу-

лентность двухфазного потока, однако с увеличением скорости резко воз-

растает пено- и брызгоунос, устранить который очень трудно, поэтому в барботажных колоннах скорость пара, рассчитанная на полное сечение ко-

лонны, не превышает 1-1,5 м/с.

В настоящее время ведутся усиленные работы по интенсификации процессов массообмена между жидкостью и газом за счет приложения к системе дополнительной энергии. Был разработан и освоен в промыш-

ленности ряд аппаратов с вращающимися элементами, в которых для ин-

тенсификации процесса применяется центробежная сила и ряд скоростных аппаратов, использующих энергию потока газа или жидкости.

1.3 Классификация массообменных аппаратов

Современные ректификационные аппараты можно классифициро-

вать в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт пара и жидкости.

По технологическому назначению ректификационные аппараты под-

разделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, рек-

тификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций и т.п.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением.

9

10