Проектирование энерго– и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

Список используемых сокращений
ИПС – изопропиловый спирт;
ВКК – высококипящий компонент;
НКК – низкокипящий компонент;

 
ВВЕДЕНИЕ


Ректификация – это массообменный процесс, проводящийся
в спциализированных аппаратах. Для проведения процесса реактификации используются колонные аппараты тарельчатого или насадочного типа. Назначение такого аппарата – обеспечить процесс достидения равновесия
в системе жидкость–пар путем многократного противоточного контактирования жидкой и паровой фаз.
Проведение процесса реактификации требует обеспечить существование двух встречных потоков: поток паровой фазы, непрерывно поднимающийся от нижней части колонны вверх и поток жидкости, непрерывно стекаюей сверху вниз.
Назначение тарелок в этом случае – обеспечение контакта между встречными потоками паровой и жидкостой фаз. В результате контпроисходят процессы тепло- и массообмена между ними. При этом паровая фаза, по мере продвижения снизу вверх, обогащается компонентами, обладающими более высокой фугитивностью, а жидкая фаза, по мере перемещения сверху вниз накапливает наименее летучие компоненты.
В результате, изменяя температуры фаз, давление и меняя количество тарелок можно обеспечить разделение исходного сырья на фракции
с заданными температурами кипения.
В случае идеальной тарелки, после контакта паровой и жидкой фаз достигается состояние равновесия, происходит выравнивание температур обоих фаз. Такая тарелка называется теоретической и обладает коэффициентом полезного действия. Однако ввиду того, что достижение сосотяния равновесия требует длительного контакта, реальные тарелки не обеспечивают полного достижения равновесия в объеме фаз. Коэффициент полезного действия реальных таерлок находится в диапазоне от 40 до 70%.
Это говорит о том, что в настоящее время не разработаны инженерно технические решения, которые позволили бы обеспечить полное достижение полного состояния равновесия между паровой и жидкой фазами.
Аппапрты, внутреннее устройство которых в рабочей зоне содержит последовательность тарелок называют тарельчатыми
Тарелкой называют барботажное устройство, которое, в процессе своей работы, позволяет обеспечить процесс массопередачи, иначе говоря, переход компонента из одной фазы в другую через границу их раздела, при непосредственном контакте фаз.
В химической и нефтеперерабатывающей промышленности размер тарельчатых колонн зависит от их назначения и требуемой произвольности и меняется от сравнительно небольших колонн диаметром 300 ÷ 400 мм до колконных аппаратов высокой производительности диаметром 5 ÷ 12 м. Высота колонны определяется числом тарелок и расстоянием между ними. Средее расстояние между тарелками принимают 250 ÷ 300 мм для колонных аппаратов небольшого диаметра. В ректификационных колоннах большого диаметра, изходя из особенностей конструкции и необходимости проведения технического обслуживания,ремонта и очистки тарелок это расстояние увеличивают до 500 ÷ 600 мм.
Существует несколько типовых конструкций тарелок, применяемых при проектировании и эксплуатации ректификационных колонн.
Колпачковые тарелки (рисунок 1) обладают более сложной конструкцикй и значительно более металлоемки нежели тарелки других типов. Однако при этом она обладает более высоким КПД и способна обеспечиать протекание процессов массопереноса.

Рисунок 1 – Схема колпачковой тарелке

Основной частью колпачковой тарелки является основание 2, представляющее собой стальной диск толщиной 4 мм с вертикальным бортом и отверстиями, которые предназначены для установки паровых патрубков 3 и сегментной сливной трубы 1. Над паровыми патрубками установлены стандартные колпачки 4. Необходимый уровень жидкости на тарелкеобеспечивается наличием перелива, иначе называемого сливной перегородкой 10, на которой закреплена регулировочная планка 9. Перегородка 5 образует так называемый входной карман, который соединяется со сливной трубой следующей по высоте тарелки. Нижняя тарелка установливается на опорном кольце 15, фиксируемом к царге путем сварного шва. Для обеспечения строго горизонтальной установки тарелка снабжена регулировочными винтами 14.
Стойки 1 предназначены для установки следующей тарелки и снабжены опорными плитками 8. Установленные полседовательно тарелки заполняют всю царгу. Сальниковая набивка 13 предназначена для устранения зазора между бортом основания тарелки и царгой. После установки набивки она зажимается прижимным кольцом 6 при помощи шпилек 11
либо скоб 12.
Жидкость стекает вниз через сегментную сливную трубу и обесечивает заполнение тарелки на высоту, определяемую регулировочной планкой 9. При правильном уровне жидкости на тарелке, прорези на колпачках должны быть погружены в жидкость. Пар, проходящий снизу через паровые патрубки, распределяется через щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. После пребываения на тарелке, жидкость стекает на ниже расположенную тарелку, а пар движется вверх.
Для фиксации колпачков 1 к паровым патрубкам 2 применяются специальные болты 5, шайбы 3 и гайкаи 4. Прорези, расположенные по краю колпачка имеют высоту 15; 20 или 30 мм ширину 4 мм.
Расположение колпачков на тарелке производят в шахматном порядке либо по вершинами правильных треугольников. При этом, для наормального протекания жидкости по тарелке, между краями колпачков оставляется расстояние 40 ÷ 60 мм.
Ситчатая тарелка представляет собой стальной лист, в котором пробиты отверстия. Форма отверстий может быть круглой (рисунок 2а), щелевидной (рисунок 2б) или представлять собой просеченные треугольники (рисунок 2в). Размер отверстий ситчатых тарелок находится в пределах 2 ÷ 15 мм. Проходя через отверстия, паровая фаза барботирует через слой жидкости, которая движется по тарелке в горизонтальном направлении и стекает через переливы. В отверстиях скорость пара может достигать 10 ÷ 12 м/с.


Рисунок 2 – Схемы ситчатых тарелок

Ситчатые тарелки (рисунок 3) наиболее просты в конструктивном плане и обладают достаточно высокой эффективностью. Основной недостаток данного вида тарелок – необходимость точного регулирования заданного режима работы ректификационной колонны (особенно по расходу газа, что приводит к «подвиснию» колонны в процессе эксплуатации) и высокая чувствительность к образованию отложений на тарелках, способных перекрывать отверстия.
Ситчатые тарелки применяют в основном для колонн небольшого диаметра,ввиду того, что при диаметре тарелке более 2,5 м возникают проблемы с равномерным распределением жидкости на тарелке.

Рисунок 3 - Волнистая ситчатая тарелка

Клапанная тарелка (рисунок 4) отличается наличием специальных распределительных клапанов. Подъемные клапана изготавливаются прямоугольной либо круглой формы и закрывают отверстия тарелки. Конструкция клпана предусматривет ограничение угла, на которое клапан может быть открыт. Это означает, что при некоторой скорости пара достигается равновесие, обеспечивающее открытие клапана в определенном положении. При уваличении скорости потока паровой фазы оганичения на открытие клапана приводят к установлению относительно постоянной скорости потока пара между клапаном и полотном тарелки, приводя к более равномерному распределению пара по тарелке. Дополнительно это позволяет уменьшить унос жидкости и снизить гидравлическое сопротивление тарелки.