ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Конструкции контактных массообменных устройств

Тарельчатые контактные устройства классифицируют по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку и по характеру взаимодействия газового и жидкост­ного потоков. По способу передачи жидкости различают тарелки с переливными устройствами и без переливных устройств (провальные). Тарелки с переливными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных тарел­ках нет переливных устройств, жидкость и газ проходят через одни и те же отвер­стия или прорези в полотне тарелки. Одна и та же прорезь в определенный момент времени может пропускать пар, а в следующий момент - жидкость.

По характеру взаимодействия газа и жидкости различают тарелки барботажно - го и струйного типов. На барботажных тарелках сплошной фазой является жид­кость, а дисперсной - газ или пар. На струйных наоборот: дисперсной фазой являет­ся жидкость, сплошной - газ (фазы взаимодействуют на поверхности капель и струй жидкости, взвешенных в потоке газа). В химической и нефтехимической промыш­ленности наиболее распространены барботажные тарелки с переливами.

В зависимости от конструкции устройств ввода пара (газа) в жидкость разли­чают тарелки клапанные, колпачковые, ситчатые, решетчатые, с прямоточно­скоростными контактными элементами и др. Некоторые тарелки могут работать только в барботажном режиме (колпачковые), другие - только в струйном (ситчатые с просечно-вытяжными отверстиями), третьи - в том и другом режимах (клапан­ные).

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками до недавнего времени счи­тались лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбцион­ных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности. Основной ча­стью колпачковой тарелки (рисунок 4.6) является стальной диск (полотно тарелки) с

отверстиями для паровых патрубков, которые привариваются к диску. Над патруб­ками установлены колпачки диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези вы­сотой 15, 20 или 30 мм.

Необходимый уровень жидкости на тарелке поддерживается сливной перего­родкой. Переливная перегородка образует карман, в который погружается сливная планка тарелки, расположенной выше. Применяют два варианта крепления колпач­ка к тарелке. В исполнении 2 положение колпачка можно регулировать по высоте, а в исполнении 1 регулировка невозможна и нижние кромки прорезей упираются в

полотно тарелки.

Тарелка работает следующим образом: поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, оп­ределяемую сливной перегород­кой, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жид­кость; пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и бар - ботирует сквозь слой жидкости. Пар и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость дви­жется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже та­релку, а газ - вверх по оси колон­ны.

Колпачковые тарелки изго­тавливают из чугуна, меди, кера­мики, углеграфита, пластмасс и др. Тарелки с капсульными колпачка­ми имеют относительно высокий КПД (0.75-0.8) и работают в широ­ком диапазоне производительно­стей по газу. Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и

пару. Оптимальная нагрузка по пару F = тп • л/рЛ > 1. Их гидравлическое сопротив­ление зависит от глубины погружения колпачка и обычно не превышает 1 КПа.

Недостатки колпачковых тарелок: значительная металлоемкость и тру­доемкость изготовления.

В нефтеперерабатывающих ко­лоннах нередко используют и та­релки с S-образными элементами (рисунок 4.7), установленными пер­пендикулярно направлению движе-

66

ния жидкости на тарелке. Для того, чтобы закрыть каналы с торцов и увеличить же­сткость тарелки, между S'-образными элементами устанавливают распорные пласти­ны. Характерная особенность этих тарелок: пар выходит из контактных элементов в направлении движения жидкости. Это увеличивает продолжительность контакта фаз и, как следствие, увеличивает интенсивность массоотдачи.

Металлоемкость тарелок с S-образными элементами почти вдвое меньше, а производительность на 20-30 % больше, чем у тарелок с капсульными колпачками при практически одинаковом КПД (0.6-0.8). Оптимальная нагрузка по газу для этих тарелок на 10-25 % меньше, чем для колпачковых.

Клапанные тарелки широко применяют в нефтехимической промышленно­сти. Основные преиму­щества - способность обеспечить эффективный массообмен в широком интервале рабочих нагру­зок, простота конструк­ции, низкая металлоем­кость и невысокая стои­мость.

Клапанные тарелки работают в режиме пря­моточного или перекре­стного движения фаз. В отечественной промыш­ленности наиболее рас­пространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами (рисунок 4.8). На такой тарелке в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6-8 мм. Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными под углом 120°, две из этих направляющих длиннее третьей. На диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор между диском и тарелкой, что исключает возможность "прилипания" клапана к тарелке (рисунок 4.8, положе­ние I). При небольшой производительности по пару поднимается легкая часть кла­пана (рисунок 4.8, положение II) и пар выходит через щель между клапаном и по­лотном тарелки в направлении, противоположном направлению движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над тарел­кой (рисунок 4.8, положение III) - теперь пар барботирует в жидкость через кольце­вую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении производительности по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости (рисунок 4.8, положение IV). При этом короткая направляющая фиксиру-

ется в специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его подъеме.

КПД клапанных прямоточных тарелок 0.7- 0.85, оптимальная нагрузка по газу F < 2.5. При соответствующих скоростях газа тарелки обладают относительно не­большим гидравлическим сопротивлением.

В жалюзийно-клапанной тарелке щель для входа газа на тарелку образуется при повороте плоских клапанов-жалюзей вокруг их оси, укрепленной в рамке. Угол поворота определяется производительностью по пару и не может превышать 90

Ситчатые тарелки со сливным устройством применяют в колонных аппара­тах диаметром 400-4000 мм при расстоянии между тарелками от 200 мм и более. Основной элемент таких тарелок - металлический диск с отверстиями диаметром 2-6 мм, расположен­ными по вершинам равносторонних треуголь­ников (рисунок 4.9). Крепление тарелок к кор­пусу и устройство переливов аналогичны аппа­ратам с колпачковыми и клапанными тарелка­ми. Преимущество ситчатой тарелки - большая световая поверхность, а следовательно высокая производительность по пару (на 30-40 % боль­ше, чем у колпачковых), простота изготовле­ния, малая металлоемкость. Недостаток - высо­кая чувствительность к точности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомен­дуется использовать для работы на загрязнен­ных средах, т. к. отверстия могут забиваться.

Для расширения диапазона устойчивой работы ситчатых тарелок их комбини­руют с клапанными. В результате повышается эффективность работы тарелки при малой и большой производительности по пару. При малых нагрузках тарелка рабо­тает как обычная ситчатая, с увеличением нагрузки открываются щели клапанов, обеспечивая перемещение жидкости по тарелке в направлении слива.

На полотне ситчато-клапанной тарелки отверстия чередуются с жалюзийными клапанами. Такая конструкция обеспечивает большой диапазон устойчивой работы при небольшом гидравлическом сопротивлении, что делает ее пригодной для про­цессов, протекающих под вакуумом.

Ситчатые тарелки с просечно­вытяжными отверстиями (рисунок 4.10) используют в колонных аппаратах диа­метром 1200-4000 мм. Эти тарелки соби­рают из отдельных секций, которые пред­ставляют собой металлический лист тол­щиной 2-3 мм с просечно-вытяжными отверстиями. Тарелка работает как струй­ная прямоточная. Для уменьшения уноса

68

жидкости с потоком газа над этими тарелками устанавливают отбойные элементы.

Световая поверхность тарелки выбирается из условия отсутствия "провала" жидкости (не менее 30 % сечения колонны). Благодаря невысокому гидравлическо­му сопротивлению такие тарелки используют в вакуумных колоннах. Минимальное расстояние между тарелками в колонне 400 мм.

Решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции и ма­лой металлоемкостью. Они имеют большую пропускную способность по жидкости и, при достаточной ширине щелей, могут быть использованы для обработки загряз­ненных жидкостей, оставляющих осадок на тарелке. По эффективности решетчатые провальные тарелки не уступают тарелкам с переливом. Их недостатки: узкий диа­пазон устойчивой работы и сложность равномерного распределения орошения по поверхности тарелок в начале процесса.

Конструктивно тарелка представляет собой плоский, перекрывающий все се­чение колонны диск с выштампованными в нем прямоугольными щелями, уложен­ный на опорную конструкцию. Обычно площадь прорезей составляет 10-30 % всей

площади тарелки. Прорези (как правило, размерами 4x60 мм) располагаются на поверхности тарелки с шагом 10-36 мм.

При работе колонны под давлением поступающих паров на полотне тарелки создается слой жидкости, через которую барбо - тирует пар. При этом часть жид­кости протекает через прорези на расположенную ниже тарелку, причем места стока жидкости и прохода пара произвольно пере­мещаются по полотну тарелки.

Основным способом повы­шения эффективности и произво­дительности колонн до недавнего времени было увеличение их вы­соты и диаметра. Однако, с уве­личением диаметра колонны воз­растает неупорядоченность дви­жения взаимодействующих фаз: на тарелке появляются "байпас­ные" потоки, "мертвые" зоны, возникает поперечная неравно­мерность скорости газового пото­ка и высоты жидкости на тарелке. Все это снижает эффективность массообмена в колонне, поэтому

69

в настоящее время приоритетной задачей стало создание контактных устройств, обладающих высокой производительностью по жидкости и пару, в частности, та­релок с продольным и поперечным секционированием.

Производительность тарелок повышается при контактировании фаз в прямото­ке. Однако при прямоточном взаимодействии и большой скорости пара (газа) жид­кость смещается в направлении к сливному карману, что затрудняет работу сливных устройств. Для компенсации прямоточного движения фаз и исключения его распро­странения на всю тарелку можно устанавливать на тарелке продольные и попереч­ные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение жидкости на тарелке от перелива к сливу, а также создающие условия для движения потоков парожидко­стной смеси по тарелке в пересекающихся направлениях.

Примером может служить ситчато-клапанная тарелка с продольными перего­родками (рисунок 4.11), на полотне которой, кроме клапанов, смонтированы пере­городки, обеспечивающие направленное движение потока жидкости. Продольное секционирование увеличивает производительность тарелок в 1.4 раза, а эффектив­ность массообмена - в 1.25-1.3 раза.

При высокой плотности орошения (более 50 м3/м2/ч), когда работа тарелок лимитируется производительностью переливных устройств, целесообразно применение многосливной продольно­секционированной тарелки, или тарел­ки с двумя зонами контакта фаз (рису­нок 4.12). Она представляет собой ком­бинацию барботажной тарелки (ситча - той, клапанной) с устройством, которое реализует контакт фаз в пространстве между тарелками при перетекании жидкости. Тарелка состоит из перфо­рированного основания с установлен­ными на нем сливными карманами, которые могут быть одно-, двух - и трехщелевьми, направляющих планок и отбойных дисков.

Однощелевой сливной карман (ри­сунок 4.13а), состоит из патрубка и от­бойного диска, укрепленного так, что между ними образуется кольцевая щель шириной 4-12 мм. Через эту щель выте­кает кольцевая струя жидкости, образуя дополнительную зону контакта.

При установке двухщелевого сливного кармана (рисунок 4.13 б) жидкость переливается через слив­ную перегородку, протекает по внут­ренней стенке наружного патрубка и конусу во внутренний патрубок и вытекает из нижней щели кольцевой струей, образуя дополнительную зону контакта. С увеличением произ­водительности по жидкости ее уро­вень во внутреннем патрубке повы­шается, жидкость заполняет про­странство внешнего патрубка и на­чинается истечение из верхней щели. В пространстве между тарелками образуется вторая кольцевая струя. Таким образом, многощелевой слив позволяет значительно расширить диапазон нагрузок по жидкости.