Основные типы ректификационных колонн. Конструкции ректификационных колонн Почему поднимает тарелки в ректификационной колонне
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
1. Физико-химические основы процесса
2. Физические свойства веществ, участвующие в процессе
3. Технологический расчёт
4. Материальный баланс
4.1 Условные обозначения
4.2 Расчётная часть
5. Тепловой баланс
5.1 Условные обозначения
5.2 Расчётная часть
6. Конструктивный расчёт
6.1 Условные обозначения
6.2 Расчётная часть
7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Перегонка и ректификация относятся к числу ведущих процессов химической технологии и составляют основу многих технологических процессов нефтегазопереработки. При этом нельзя не отметить, что из всех процессов ректификации, применяемых в химической технологии, более 80% приходится на нефтегазопереработку.
Перегонка и ректификация основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.
Простая перегонка - это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация - это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.
Принципиальная схема ректификационной колонны выглядит следующим образом:
Рисунок 1 - ректификационная колонна.
Ректификационная колонна? противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте осуществляется процесс тепломассообмена между стекающей вниз жидкостью (флегмой) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высоко кипящим компонентом, а паровая фаза - более низко кипящим.
Рассмотрим схему ректификационной установки непрерывного действия на рисунке 1. Внутри ректификационной колонны 1 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба-испарителя 2 (куб-испаритель может располагаться непосредственно под колонной). На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счёт конденсации - частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.
Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.
Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.
Этот процесс имеет большое значение в химической технике. Достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путём предварительного ожижения и последующей ректификации жилкой смеси.
Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.
Суть процесса ректификации заключается в многократном повторяющемся по высоте колонны цикле испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний).
Для проведения процесса ректификации в основном используют два типа колонн:
· тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелок, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;
· насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.
Для разделения простых бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с небольшим числом тарелок устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число тарелок в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.
Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.
В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.
Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется.
Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.
Для успешного взаимодействия флегмы, стекающей вниз по колонне, и пара, движущегося вверх, можно использовать любые другие контактные элементы, увеличивающие площадь и эффективность этого взаимодействия.
Для ректификационных колонн сверхмалого диаметра (10-70мм) более эффективным, по сравнению с тарелкой, контактным элементом является насадка. Насадка заполняет собой весь внутренний объем ректификационной части колонны. Существует множество различных типов насадок, например, регулярные насадки -- Спрейпак, Зульцер, Стедман; хаотичные (насыпные) -- керамические кольца Лессинга, Паля, Берля, наиболее распространенная - проволочная спирально-призматическая насадка.
Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадок, например, спирально- призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.
Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).
В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью.
1. Фи зико-химические основы процесса
В рассмотренных процессах разделения бинарных жидких смесей обогащение достигается ректификацией восходящего потока паровой смеси, а накопление высококипящего компонента (исчерпывание низкокипящего) в кубовой жидкости - простой дистилляцией. Процесс разделения можно осуществить непрерывно, если производить обе операции ректификацией, использовав для этой цели две последовательно соединённые колонны: укрепляющую и исчерпывающую. В первом из этих колонн будет происходить обогащение паров, образующихся при частичном испарении жидкости смеси, низкокипящим компонентом (ректификация паров), а во второй - извлечение (отгонка, исчерпывание) этого компонента из стекающей вниз жидкой фазы (ректификация жидкости). Обе колонны располагаются чаще всего друг над другом, имея общий корпус, но могут также устанавливаться отдельно.
В ректификационной установке непрерывного действия исходная жидкая смесь состава X1 подаётся на нижнюю тарелку укрепляющей колонны, являющуюся одновременно верхней тарелкой исчерпывающей колонны; эта тарелка называется тарелкой питания. Укрепляющая колонна снабжена конденсатором и орошается потоком флегмы, обеспечивающим получение дистиллята требуемого постоянного состава.
С тарелки питания, где флегмы объединяются с исходной смесью, поток жидкости стекает в исчерпывающую колонну навстречу паровому потоку, образующемуся в дистилляционном кубе. Благодаря контакту с паром, обогащённым высококипящим компонентом, жидкость обедняется низкокипящим компонентом и стекает в дистилляционный куб, где часть её испаряется, а остальное количество непрерывно отводится в качестве кубового остатка. При подаче исходной смеси с температурой кипения и отсутствии потерь тепла в окружающую среду поток пара по высоте обеих колонн остаётся практически постоянным (D=const). Потоки жидкости в обеих колоннах различны: в укрепляющей колонне он равен количеству поступающей флегмы (W=const), а исчерпывающей он слагается из W и количества притекающей исходной смеси W1, поэтому W=W+W1.
Мы предполагали до сих пор, что разделяемая смесь поступает на тарелку питания ректификационной колонны при температуре кипения. В практике, однако, встречаются отклонения от этого режима; разделяемая смесь может иметь начальную температуру ниже точки кипения или находиться в парожидкостном и даже в парообразном состояниях. ,
2. Физические свойства веществ, участвующих в процессе
Исходные данные к расчёту.
Рассчитать ректификационную установку непрерывного действия для разделения F (кг/с) бинарной смеси с содержанием легко летучего компонента XF (% мольных), содержание низкокипящего компонента в дистилляте XP (% мольных), в кубовом остатке XW (% мольных). Продолжительность операции ф часов, давление в аппарате атмосферное, температурами охлаждающей воды в дефлегматоре и греющего пара обосновано задаться.
Выпишем необходимые справочные данные для веществ, участвующих в процессе:
Таблица 1 - Задание на курсовой проект.
Таблица 2 - Физические свойства веществ, участвующих в процессе.
3. Технологический расчёт
Таблица 3 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных %, температуры кипения (t) в ° С двойных смесей при 760 мм. рт.ст.
По данным о равновесных составах двойных смесей составим графики:
t - x - y диаграмму и x - y диаграмму.
Построение рабочей линии процесса.
XF=40 XP=90 XW=5
R - рабочее флегмовое число. Для вычисления рабочего флегмового числа, минимальное флегмовое число умножают на коэффициент избытка флегмы, который находится в пределах 1.2ч 2.5.
R=Rmin(1.2ч2.5).
Rmin - минимальное флегмовое число соответствует режиму работы колонны, когда весь получаемый конденсат идёт на орошение.
1.2ч2.5 - коэффициент избытка флегмы.
Основными параметрами, определяющими заданное разделение в процессе ректификации, являются флегмовое число (кратность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего орошения, вводимого в колонну, к количеству вещества. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить количество тарелок и наоборот. При минимальном флегмовом числе Rmin необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соответствуют оптимальному флегмовому числу и оптимальному числу тарелок.
Rmin =XP -YF/ YF -XF
max t - min t/10 = 56.2-39.3/10=2
Из графиков находим:
YF=57% tF=40 ° С
YP=78% tP=39.7 ° С
YW=19% tW=85 ° С
4. Материальный баланс
4.1 Условные обозначения
F - выход сходной смеси;
P - продукционный выход дистиллята;
W - выход кубовой жидкости;
aF, aP, aW - массовые доли низкокипящего компонента в потоке;
XF, XP, XW - мольные доли низкокипящего компонента в потоке;
YF, YP, YW - содержание низкокипящего компонента в парах над жидкостью;
Ф - расход флегмы.
4.2 Расчётная часть
1. колонна ректификации, точка водоисходной смеси условно делится на две части: нижняя - исчерпывающая колонна, верхняя - укрепляющая колонна;
Переведём мольные доли низкокипящего компонента в жидкой фазе в массовые.
1) aF=Мн.к.* XF / Мн.к.* XF+Мв.к.(1- XF)
aF=80*0.4/80*0.4+58(1-0.4)=0.48
2) aP= Мн.к.* XP / Мн.к.* XP+Мв.к.(1- XP)
aP=80*0.9/80*0.9+58(1-0.9)=0.93
3) aW= Мн.к.* XW / Мн.к.* XW+Мв.к.(1- XW)
aW=80*0.05/80*0.05+58(1-0.05)=0.068
Переведём массовый расход исходной флегмы в кг/с:
F` = =1.45 кг/с
Выход продукта вычисляем по формуле:
P=F`(aF-aW)/ aP - aW (4.2)
P=1.45(0.48-0.068)/0.93-0.068=0.7 кг/с
Выход кубовой жидкости вычисляем по формуле:
W=1.45-0.7=0.75 кг/с
Выход флегмы вычисляем по формуле:
Ф=0.7*4=2.8 кг/с
Расход паров в верхней части колонны вычисляем по формуле:
G=0.7+2.8=3.5 кг/с
5. Тепловой баланс
5.1 Условные обозначения
Q - количество тепла, отданное греющим паром;
D` - расход пара, поступающего в рубашку колонны;
r - теплота конденсации паров (определяется по температуре греющего пара, который на 15-20 ° С выше температуры tW).
D`` - расход тепла в подогревателе;
rP - теплота конденсации паров;
g - расход охлаждающей воды;
G - выход паров в верхней части колонны;
C - теплоёмкость пара низкокипящего компонента;
tr - температура пара;
t1 - температура флегмы;
CВ - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг*К;
CF - теплоёмкость исходной смеси;
5.2 Расчётная часть
Тепло, пришедшее с исходной смесью:
Q1=F`*CF*tF (5.1)
CF=Cн.к.*aF/ Cн.к.*aF+Cв.к.(1- aF)
CF=946.625*0.48+2300(1-0.48)=1650.38 Дж/кг*К
Q1=1.45*1650.38*40=95722.04 Вт
Количество тепла, поступившее с флегмы:
Q2=Ф*Cф*tф (5.2)
Cф=Cн.к.* aP+ Cв.к.(1- aP)
Cф=946.625*0.93+2300(1-0.93)=1041.36 Дж/кг
tф=tp-15=39.7-15=24.7 К
Q2=2.8*1041.36*24.7=72020.46 Вт
Количество тепла, ушедшее с парами в верхней части колонны:
JP= rp+CP*tP (5.4)
rp=rн.к.*aP+ rв.к.(1-aP)
rp=334750*0.93+516000(1-0.93)=67257.5 Дж/кг
JP=67257.5+1041.36*39.7=108599.5 Дж/кг
Q3=3.5*108599.5=380098.5 Вт
Количество тепла, ушедшее с кубовой жидкости:
Q4=W*CW*tW (5.5)
CW=Cн.к.*aW+Cв.к.(1- aW)
CW=946.625*0.068+2300(1-0.068)=67257.5 Дж/кг
Q4=0.75*2208*51.3=84952.8 Вт
Потеря тепла составляет 3% от тепла, отданного греющим паром.
Qпотерь=0.03*D`*r (5.6)
Qпотерь=0.03*0.13*2321000=9052 Вт
D`==0.13 кг/с
Тепловой баланс дефлегматора.
Q 1 =G*r P =3.5*67257.5=235401.25 Вт (5.8)
Q 2 =G*C P (t P -t Ф)= 3.5*1041.36*(39.7-24.7)=54671.4 Вт (5.9)
Q= Q 1 + Q 2 =235401.25+54671.4=290072.65 Вт
Q=g*C воды (t 2 -t 1), температурами охлаждающей воды обоснованно задаться: t2=32 ° С и t 1 =22 ° С
g=Q/C воды* 10 ° С =290072.65 /4200*10=7 кг/с (5.10)
Q= 7*4200*10=294000 Вт
Определение общего расхода греющего пара на ректификацию.
Так как исходная смесь поступает нагретой до температуры кипения, определим расход пара на подогрев исходной смеси:
Qподогрева=F`*C F (t F -t), где t- температура хранения исходной смеси.
Qподогрева=1.45*1650.38(40-20)=47861.02 Вт
Q подогрева =D``*r пара, отсюда D``= Q под / r пара (5.11)
D``=47861.02 /2273*10 3 =0.021 кг/c
Общий расход пара на реакцию определяется:
D=0.13+0.021=0.151 кг/c
6. Конструктивный расчёт
6 .1 Условные обозначени я
ректификационный тарельчатый пар дистиллят
Д - диаметр колонны;
w - оптимально допустимая скорость паров в колонне;
с - коэффициент, учитывающий конструкцию тарелки;
с P - плотность дистиллята в жидком состоянии;
V - объёмный расход паров;
R - постоянная Больцмана;
Р - давление;
Т - температура дистиллята;
М ср. - средняя молекулярная масса.
6.2 Расчётная часть
Определение диаметра колонны:
1. Находим объёмный расход пара в верхней части колонны.
V=G*R*T/М ср. *Р, где R=8314 Дж/моль*К, P=10 5 Па (6.1)
T=t P +273 ° С (6.2)
М ср =М н.к. *X P +М в.к. (1- X P) (6.3)
T=39.7+273=312.7 К
М ср =80*0.9+58(1-0.9)=80 моль
V=3.5*8314*312.7/80*10 5 =1.14 м 3 /c
2. Определим оптимальную допустимую скорость пара в колонне
w=cv с P -с пара / с P (6.4)
По графику находим значение коофициента c, Выбираем колпачковые тарелки. Принимаем расстояние между тарелками HТ=300 мм, c=0.052 [Павлов, с. 323]
w=0.052v829.68-2.2/2.2=1.0088 м/с
3. Определим внутренний диаметр колонны
Принимаем стандартный диаметр колонны 1200 мм
Гидравлический напор.
Предварительно принимаем расстояние между тарелками HТ=0.3 м и коофициент вспениваемости ц=0.8
Скорость пара в рабочем сечении колонны равна:
w P =ц*w о (6.6)
w P =0.8*1.0088=0.81 м/с
Объёмный расход пара в колонне равен:
VП=G/ с P (6.7)
VП=3.5/2.7=1.3 м 3 /c
Рабочая площадь тарелки составит:
FP= VП/ w P (6.8)
FP=1.3/0.81=1.6 м 2
По данным таблицы выбираем тарелку типа ТСК-Р для колонны диаметром:
Д=1200мм; периметр слива П=0.818 м; площадь слива F сл =0.099 м 2 ; площадь прохода пара F о =0.129 м 2 ; длину пути жидкости по тарелке l ж =0.856 м; зазор под сливным стаканом а=0.06 м; количество колпачков т=43; диаметр колпачка d к =100 мм
В задачу дальнейших гидравлических расчётов основных параметров тарелки входит определение высоты сливного порога h пор. , подпора жидкости над сливным порогом h сл. , высоты прорезей колпачка h пр. и, если это необходимо сопротивление тарелки ДP.
Из исходных данных имеем отношение ==1.25‹2. Следовательно, при определении величины h сл. Можно было бы не учитывать относительный унос жидкости паром. Однако для большей наглядности рассмотрим расчёт h сл. с учётом уноса жидкости.
Для того, чтобы найти величину У по уравнению (6.16), необходимо знать высоту пены на тарелке h пн. , которая рассчитывается по формуле (6.15), включающему, в свою очередь, величину h сл. и высоту h пор. .
Величину h сл рассчитываем предварительно без учёта уноса жидкости, тогда
h сл. =0.68(V ж. /П) 0.67 (6.9)
V ж =Ф/ с P (6.10)
с P =сН.К.* aP+сВ.К.(1-aP) (6.11)
с P =1263*0.93+792(1-0.93)=1230.04 кг/ м 3
V ж =2.8/1230.04=0.0023 м 3 /c
h сл. =0.68 () 0.67 =0.014 м
Для определения высоты сливного порога рассчитаем по уравнению (6.12) высоту прорезей в колпачках.
Примем колпачок с прямоугольными прорезями шириной b=4 мм. Количество прорезей в одном колпачке zКН=26. Общее количество колпачков на тарелке m=43.
h пр =0.46* (V П /mzb) 2 *с П /с ж -с П (6.12)
h пр =0.46* =0.03 м
Принимаем по таблице высоту прорези h пр =30 мм
В этом случае пар будет проходить через полностью открытые прорези и частично через нижнюю кромку колпачка. Для обеспечения этого примем высоту установки колпачка h у =10мм. Глубина барботажа при абсолютном давлении Р=98100Па, согласно уравнению (6.13) составит:
h г.б. =(0.7/с ж)р 0.35
h г.б. =()*(98100) 0.35 =0.028 м (6.13)
Найдём по уравнению (6.14) высоту сливного порога:
h пор. = h г.б -h сл. +h пр. +h у (6.14)
h пор. =0.028-0.014+0.03+0.01=0.054 м
Высота пены, образующейся на тарелке, в соответствии с формулой (6.15), составит:
h пн =К 2 /у 0.33 (К 3 *w р 2 *с П +К 4 *h сл +h пор) (6.15)
К 1 =23.0*10 -5
h пн =0.23/0.02 0.33 (4.4*10 -2 *(0.81) 2 *2.7+4.6*0.014+0.054)=0.2 м
Величина относительного уноса жидкости согласно уравнению (6.16) составит:
У=К 1 /у(w P /H Т -h пн.) n 1 (6.16)
У=23*10 -5 /0.02(0.81/0.3-0.2) 1.16 =0.010.1
Следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно.
Действительную нагрузку сливного устройства по жидкости рассчитываем по уравнению (6.17):
V ж.д. =V ж +G*У/с ж (6.17)
V ж.д. =0.0023+=0.00233 м 3 /c
Действительная величина подпора жидкости над сливным порогом
h сл. =0.68() 0.67 =0.013 м
мало отличается от ранее рассчитанной h сл. =0.014 м
Проверим работоспособность сливного устройства тарелки. Для этого рассчитаем скорость жидкости в сливном устройстве по формуле (6.18):
w ж.сл. =V ж.д. /F сл. <К 5 Н Т n 2 (6.18)
В соответствии с формулой (6.18) и данным таблицы комплекс:
F сл =0.099м 2
w ж.сл. ==0.024 м/с
К 5 Н Т n 2 =0.250(0.3) 0.65 =0.115
Следовательно, условие формулы (6.18) соблюдается и захлёбывания сливного устройства не произойдёт.
Скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана рассчитываем по формуле (6.19):
w ж.з. =V ж.д. /(Па)<0.45 (6.19)
w ж.з ==0.0466 м/с <0.45
Из приведённых расчётов следует, что выбранная однопоточная тарелка обеспечит нормальную работу сливных устройств.
Сопротивление сухой тарелки определяем по формуле (6.20):
ДP c =ж c *с П *w о 2 /2 (6.20)
где скорость пара в паровых патрубках равна
w о =V П /F о (6.21)
w о ==6.6 м/с
Коэффициент сопротивления для колпачка диаметром D кл =100мм составит:
ж=1.73* D кл -0.25 (6.22)
ж=1.73*0.1 -0.25 =3.1
ДP c =3.1*2.7*(6.6) 2 /2=182.3 Па
Величина перепада уровня жидкости на тарелке в соответствии с формулой (6.23) составит:
Дh=0.1*лЭ*(lж*V ж 2 /П 2 (h пор + h сл.) 3 g (6.23)
Дh=0.1*16*(0.856*(0.0023) 2 /(0.818) 2 *(0.054+0.014) 3 *9.81=0.0023 м
Сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитываем по формуле (6.24):
ДPж=(h г.б + h пр + Дh/2) с ж *g (6.24)
ДPж=(0.028+)1230.04*9.81=532.8 Па
Общее сопротивление тарелки равно:
ДP= ДP c +ДPж (6.25)
ДP=182.3+532.8=715.1 Па
Найдём общую высоту колонны:
H=(n-1)h+Hверх.+Hнижн. (6.26)
H=(9-1)0.3+1+2=5.4 м
7. Подбор стандартных конструктивных элементов. Расчёт штуцеров
Диаметры штуцеров рассчитываются по формуле (7.1)
1. Штуцер для ввода исходной смеси.
сF=сн.к.* aF+св.к.*(1- aF)
сF=1263*0.48+792*(1-0.48)=1018.08 кг/м 3
VF==0.0014 м 3 /c
Примем стандартный диаметр DY1=100 мм
2. Штуцер для выхода паров.
сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)
сP=2.7*0.93+2.2*(1-0.93)=2.665 кг/м 3
Vпар==1.3 м 3 /c
Примем стандартный диаметр DY1=400 мм
3. Штуцер для входа флегмы.
VФ=Ф/ сP (7.5)
сP= сн.к.* aP+св.к.*(1- aP)
сP=1263*0.93+792*(1-0.93)=1230.04 кг/м 3
VФ==0.0023 м 3 /c
Примем стандартный диаметр DY3=100 мм
4. Штуцер для выхода кубовой жидкости.
сw= сн.к.* aw+св.к.*(1- aw)
сw=1263*0/068+792(1-0.068)=824.028 кг/м 3
Vw==0.001 м 3 /c
Примем стандартный диаметр DY4=100 мм
5. Штуцер для подачи греющего пара в рубашку аппарата.
V=D`/ сгр.п. (7.8)
сгр.п. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С выше, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 71.2 ° С.
сгр.п.=0.198 кг/м 3
Примем стандартный диаметр DY5=200 мм
6. Штуцер для выхода конденсата греющего пара
V=D`/ сконд. (7.9)
сконд.. берём в табличных данных при температуре на 20 ° С ниже, чем температура кубовой жидкости(tW=51.2 ° С); то есть при температуре 31.2 ° С.
сконд.=998 кг/м 3
V==0.0001 м 3 /c
Примем стандартный диаметр DY6=50 мм
Общая масса аппарата:
M=mобеч.+mдн. +mкр. (7.10)
mобеч.=*Дк*S* сст*H (7.11)
Подбираем днище и крышку аппарата:
V=421*10 -3 м 3
mдн.=mкр.=137 кг
Находим массу обечайки:
mобеч.=3.14*1.2*0.01*7850*5.4=1597.3 кг
По формуле (7.10) находим массу аппарата:
M=1597.3+137+137=1871.3 кг
Находим массу загрузки:
mзагр.=(Vкр.+Vдн.+Vк.) сср. (7.12)
сср.= сн.к+ св.к./2 (7.13)
сср.==1027.5 кг/м 3
Vк=*Дк 2 /4*H (7.14)
Vк=*5.4=6.1 м 3
По формуле (7.12) находим массу загрузки:
mзагр.=(0.421+0.421+6.1)1027.5=7133 кг
Масса нагрузки на опору с учётом запаса нагрузки 20 % :
P=(Mап.+ mзагр.)1.2*g/1000000 (7.15)
Заключение
Целью расчёта является расчёт ректификационной колонны тарельчатого типа. В ходе расчёта определили выход продукционного дистиллята и кубовой жидкости, расход флегмы, расход греющего пара, расход охлаждающей воды в дефлегматоре, габариты проектируемого аппарата, диаметр штуцеров, массу аппарата, а также максимальную загрузку на опору.
Список использованной литературы
1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию, М., Химия, 1991 год.
2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефте-химической технологии, М., Химия, 1987 год.
3. Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств, Л., 1970 год.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Описание технологической схемы, эксплуатация и конструкция аппарата ректификационной колонны. Материальный и тепловой баланс установки. Определение высоты и массы аппарата, подбор тарелок и опоры. Гидравлическое сопротивление насадки и диаметр штуцеров.
курсовая работа , добавлен 30.10.2011
Общее описание процесса ректификации. Разработка ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол. Технологический, гидравлический и тепловой расчет аппарата. Определение числа тарелок и высоты колонны, скорости пара и диаметра колонны.
курсовая работа , добавлен 30.10.2011
Схема ректификационной установки. Определение массовых и объемных расходов пара и жидкости вверху и внизу тарельчатой колонны. Гидравлическое сопротивление тарелок. Расчет теплообменных аппаратов: диаметра, изоляционного слоя и стенки корпуса колонны.
курсовая работа , добавлен 04.06.2015
Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.
курсовая работа , добавлен 24.10.2011
Средняя плотность пара в ректификационной колонне. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, получаемой в кубе-испарителе, в водяном холодильнике кубового остатка, в водяном холодильнике дистиллята. Расчет удельных диаметров фланцев.
курсовая работа , добавлен 13.10.2011
Способы определения расхода поглотительного масла, концентрации бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера. Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера. Определение требуемой поверхности нагрева в кубе колонны и расхода греющего пара.
контрольная работа , добавлен 07.06.2011
Технологическая схема процесса ректификации. Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок. Равновесные составы жидкости и пара. Материальный баланс процесса ректификации. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара.
курсовая работа , добавлен 19.09.2014
Теоретические основы процесса выпаривания. Устройство, принцип работы выпарного аппарата с выносной греющей камерой. Определение расхода охлаждающей воды, диаметра и высоты барометрического конденсатора. Расчет вакуумнасоса, теплообменного аппарата.
курсовая работа , добавлен 19.06.2015
Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Определение средних физических величин пара и жидкости. Высота газожидкостного слоя. Скорость пара в свободном сечении тарелки. Расчет гидравлического сопротивления колонны.
курсовая работа , добавлен 24.10.2011
Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.
Многоколпачковая тарелка с круглыми колпаками - наиболее распространенная (рис. 7.68). Она имеет металлическое полотно с отверстиями для паровых патрубков, которые прикреплены к полотну.
Над патрубками устанавливаются колпачки, чаще всего диаметром 60 и 80мм. Колпачки имеют прорези высотой 15, 20 или 30мм Для создания необходимого уровня жидкости используют переливные трубки, которые располагаются по диаметру, или сегментные переливные перегородки. Прорези колпачков должны быть погружены в жидкость, потому переливные трубки и перегородки выступают над тарелкой на определенную высоту. Пар поступает через паровой патрубок, проходит через прорези и барботирует сквозь слой жидкости. При взаимодействии пара и жидкости образуется мелкопористая пена и проходит обмен компонентами между фазами. На тарелке имеет место перекрестное течение жидкости и пара. Эти тарелки принадлежат к группе барботажных контактных устройств. Жидкость перетекает вниз из тарелки на тарелку через переливные устройства (стаканы). Навстречу снизу вверх проходит пар.
Колпачковые контактные устройства имеют широкий интервал устойчивой работы, относительно высокий коэффициент полезного действия (0,5-0,7), но имеют большое гидравлическое сопротивление и могут использоваться для переработки чистой жидкости. Недостатком также является значительная металлоемкость и сложность изготовления.
Одноколпачковая тарелка работает аналогично многоколпачковой. Одноколпачковые тарелки хорошо работают в колоннах малого диаметра. С увеличением диаметра эффективность их работы уменьшается.
Многоколпачковые тарелки используются в колоннах брагоректификационных установок: эпюрационных, спиртовых, сивушных, конечной очистки. Используют их также в концентрационной части брагоперегонных установок для получения спирта-сырца. В современных установках эпюрационные колонны имеют 39-40 многоколпачковых тарелок, а спиртовые 71 - 74.
Бражные колонны брагоректификационной установки и истощающая часть колонны брагоперегонной установки оснащены одноколпачковыми тарелками. Они могут использоваться для перегонки бражки и других жидкостей, которые содержат суспендированные твердые частицы.
Сетчатая тарелка является одним из самых простых тарельчатых контактных устройств (рис. 7.69.). Это перфорированный металлический диск с отверстиями диаметром 2-12 мм, которые размещаются на плоскости тарелки по вершинам равносторонних треугольников. Тарелка укрепляется горизонтально в колонне. Для поддержания определенного уровня жидкости в колоннах малого диаметра применяются переливные трубки, нижние концы которых погружены в сплошные стаканы. В колоннах большего диаметра используют сегментные переливные перегородки. Пар, который поднимается в колонне, проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в слое жидкости в виде пузырьков и струек. При этом происходит массообмен между фазами. Сетчатые тарелки имеют большее свободное сечение (плоскость отверстий), чем колпачковые, потому производительность их по пару на 30-40 % превышает колпачковые. Уровень жидкости на тарелке поддерживается определенным давлением в колонне. При уменьшении давления жидкость может протечь через отверстия по всей плоскости тарелки или отдельных ее частях, что ухудшает массообмен. Это может произойти также при неточном установлении (перекосе) тарелок.
Сетчатые тарелки эффективны, просты в изготовлении, имеют малую металлоемкость, но нуждаются в точном горизонтальном монтаже.
Сетчатые тарелки применяются в бражных колоннах большого диаметра (> 1400 мм).
Провальные контактные тарелки .В этих тарелках пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия, потому они имеют больше, чем сетчатые, свободное сечение (12-20 %). Эти конструкции не нуждаются в переливных устройствах и имеют большую рабочую площадь.
Решетчатые провальные тарелки изготовляются из стальных или медных листов толщиной 3-5 мм. Щели штампуются или фрезеруются шириной 2-6 мм и длиной 60-200 мм. На соседних тарелках щели располагаются взаимно перпендикулярно. Такие тарелки просты по конструкции, их пропускная способность по жидкости больше чем в сетчатых, но они имеют узкий диапазон стабильной работы. Решетчатые провальные тарелки рекомендуется использовать в бражных колоннах.
Чешуеобразная тарелка (рис. 7.70) изготавливается из металлического листа, в котором в шахматном порядке штампуется арочная чешуя. Угол наклона составляет 15-20°. Изменение свободного сечения тарелки (рекомендуется 8-15 %) достигается изменением количества чешуек. Тарелка имеет утопленные приемные и сливные сегменты. К сливному сегменту прикреплена переливная труба. Поток пара, который перемещается в колонне, изменяет направление движения при прохождении через чешую, прорези которой направлены в сторону движения жидкости. Направленный паровой поток увеличивает скорость жидкости, которая перемещается с подъемом в сторону слива. В рабочем струйном режиме пар интенсивно турбулизирует жидкостной поток, значительная часть парожидкостной смеси поднимается над тарелкой и двигается в межтарельчатом пространстве. Чешуеобразные тарелки работают при высоких скоростях пара и незначительном брызговыносе, имеют высокую эффективность (КПД 0.5-0.7) .
Этот тип тарелок рекомендуется применять в бражных колоннах диаметром больше 1,4 м при перегонке бражки из измельченного зерно-картофельного сырья. Бражная колонна с чешуеобразными тарелками характеризуется широким диапазоном стабильной работы, большей на 20-40 % производительностью сравнительно с типичными бражными колоннами, способствует улучшению качества спирта.
Клапанные тарелки . Металлическое плоское полотно тарелки имеет круглые или квадратные отверстия, которые закрыты клапанами. Соответственно изготовляют дисковые и прямоугольные клапаны (рис. 7.71). При перемещении в колонне пара снизу вверх клапаны немного поднимаются, пар проходит сквозь прорез, который образовался, и контактирует с жидкостью, которая находится на тарелке. С увеличением количества пара клапан поднимается выше. Проходное сечение увеличивается, а скорость движения пара не меняется. Высота подъема клапана составляет 6-8 мм и ограничивается кронштейном-ограничителем. Клапанные тарелки оснащены также переливными устройствами и могут работать в режимах с перекрестным и прямоточным взаимодействием фаз. В последнем случае клапаны имеют ограничители разной длины.
На современном этапе клапанными тарелками оснащают бражные и эпюрационные колонны. В ректификационных установках для переработки вторичного сырья виноделия и дистилляции масляных мисцел используют вихревые контактные устройства.
Модульная тарельчатая колонна. Практика на автоматике БКУ - 011М.
Медные конусные крышки. Колонна медного вкуса. Теория и практика.
Самогонный аппарат. Колпачковая колонна ХД/3-500 ККС-Н. Часть 1. Новинка 2016 года.
Самогонный аппарат. Колпачковая колонна ХД/3-500 ККС-Н. Часть 2. Новинка 2016 года.
Самогонный аппарат. Тарельчатая колонна.
Что такое тарельчатая колонна и зачем она вообще нужна... Отличие существенное от царги заглючается в том что в тарельчатой колонне мы используем вместо насадки СПН (спирально призматической насадки) собственно тарелки. При помощи тарельчатой колонны мы не получим чистый спирт. Однако мы можем получить на ней так называемый недоректификат крепостью 90-95 об. Тоесть это еще и не спирт, но уже и не дистиллят. Очень сильно очищенный дистиллят, в котором еще остались нотки исходного сырья. Данной технологии уже более сотни лет, и пользуются ей активно винокуры по всему миру. Наша страна в этом смысле последние годы не исключение. Данные колонны набирают огромную популярность.
Разберем основные отличия колонн для правильного понимания выбора конкретной колонны.
- Как и все наше оборудование, тарельчатые колонны отличают по сериям: ХД/4 или ХД/3. Тут все просто. Если у Вас уже есть оборудование ХД, выбор делается по соответствующей серии оборудования. В случае если Вы только собираетесь приобретать оборудование, то нужно понимать отличие серий ХД/4 и ХД/3. Серия ХД/4 более бюджетная, у нее оптимальное соотношение цена качество. Серия ХД/3 имеет более высокую цену, но и более высокую производительность.
- Используемы материалы при изготовлении колонн. Это либо пищевая нержавеющая сталь, либо кварцевое стекло. В последнем случае Вы имеете возможность наблюдать за процессом визуально, что доставляет истинное удовольствие. Не стоит забывать, что в первую очередь мы занимаемся этим хобби ради удовольствия.
- Колонны отличаются так же по высоте и по количеству находящихся в них тарелок. По высоте колонны бывают двух размеров: 375 и 750мм соответственно. На укороченной колонне можно получить "недоректификат" крепостью 91-92С, на колонне 750мм можно получить "недоректификат" около 95С. Поскольку тарельчатые колонны разборны, то количество тарелок в колонне может регулируваться винокуром самостоятельно.
- Тип исполнения тарелок. Тарелки изготавливаются двух типов: провальные и колпачковые. Сказать однозначно какие из тарелок лучше и на каких тарелках напиток получется вкуснее сложно. Дело в том что тарелки провальные хороши если мы используем стабильную мощность нагрева, без скачков в сети. Если сеть нестабильна, то можно использовать стабилизатор мощности нагрева например. Тарелки же колпачкового типа более неприхотливы и нагрев может использоваться любой. Однако в силу сложности изготовления таких колонн они более дорогие. Но и более эстетичные в процессе работы.
- Материалы изготовления тарелок. Провальные тарелки изготавливаются из инертного фторопласта. Колпачковые же тарелки изготавливаются либо из нержавейки, либо из меди. Нержавейка как известно инертна. И поэтому напиток получаемой на ее поверности не имеет никаких характерных дополнительных вкусов, кроме исходного сырья. Медь же как считается абсорбирует вредную серу, выделяемую в процессе перегонки, тем самым избавляя напиток от неприятных запахов и вкуса. У сторонников меди и нержавейки много поклонников. У каждого свои доводы в пользу используемого материала тарелок.
Подробней узнать о работе с тарельчатыми колоннами можно тут.
Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.
Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.
С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.
Принципиальная схема Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.
Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).
Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:
- Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
- Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.
Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.
Разница между дистилляцией и ректификацией
Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.
Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.
С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.
| Отличие | Дистилляция | Ректификация |
| Органолептика напитка | Сохраняет аромат и вкус исходного сырья. | Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение). |
| Крепость на выходе | Зависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%). | До 96%. |
| Степень разделения на фракции | Низкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно. | Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения). |
| Способность убрать вредные вещества | Низкая или средняя. Для повышения качества требуется минимум две перегонки с разделением на фракции хотя бы при одной из них. | Высокая, при правильном подходе отсекаются все вредные вещества. |
| Потери спирта | Высокие. Даже при правильном подходе можно извлечь до 80% от всего количества, сохранив приемлемое качество. | Низкие. Теоретически, реально извлечь весь этиловый спирт без потери качества. На практике минимум 1-3% потерь. |
| Сложность технологии для реализации в домашних условиях | Низкая и средняя. Подходит даже самый примитивный аппарат со змеевиком. Возможны улучшения оборудования. Технология перегонки проста и понятна. Самогонный аппарат обычно не занимает много места в рабочем состоянии. | Высокая. Требуется специальное оборудование, изготовить которое без знаний и опыта невозможно. Процесс сложнее для понимания, нужна предварительная хотя бы теоретическая подготовка. Колонна занимает больше места (особенно по высоте). |
| Опасность (в сравнении друг с другом), оба процесса пожаро- и взрывоопасны. | Благодаря простоте самогонного аппарата дистилляция несколько безопаснее (субъективное мнение автора статьи). | Из-за сложного оборудования, при работе с которым существует риск допустить больше ошибок, ректификация опаснее. |
Работа ректификационной колонны
Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.
Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.
Одна из самых распространенных домашних конструкции Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.
Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.
Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.
Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.
Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)
Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.
Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.
Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.
Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.
Насадки из мочалок самые практичные Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.
Свойства ректификационной колонны
Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.
Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.
Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).
Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.
Термометр позволяет точно контролировать процесс отбора фракций Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).
Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).
Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.
Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.
О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.
Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.
В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.
Принцип работы ректификационной колонны
Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.
Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.
Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.
Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.
Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!
На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.
Размер имеет значение. Возможности спиртзаводов в плане очистки куба больше, чем при домашней ректификации После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.
После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.
В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.
Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.
Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.
Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.
Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.
Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.
Захлебывание ректификационной колонны
Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.
Причины захлебывания ректификационной колонны:
- превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
- засорение нижней части устройства и переполнение куба;
- очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
- напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
- конструктивные ошибки и неисправности.
Поскольку в процессе ректификации должны участвовать два потока паров и жидкости, состоящие из одних и тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обеспечения условий ректификации в верхней части колонны отводят тепло, а в нижней части подводят тепло. При конденсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (орошения, флегмы), перетекающей с тарелки на тарелку. Подвод тепла в нижнюю часть колонны обеспечивает испарение части жидкости и образование парового потока.
Рис. 6.3.1 Схема работы ректификационной колонны
2) Парциальный конденсатор
3) Холодное испаряющееся орошение
4) Циркуляционное неиспаряющееся
орошение
1) Схема ректификационной колонны
5) Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством6) Подвод тепла с горячей струёй
(парциальный кипятильник)
Та часть колонны, куда вводится сырье, называется питательной секцией . Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей , а ниже ввода сырья - отгонной или исчерпывающей .
Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, в сложной колонне число отбираемых продуктов больше двух. Они могут выводиться в виде дополнительных боковых погонов.
6.4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ и ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСы РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной (двухкомпонентной) смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту (НКК). Основные потоки представлены на рис. 6.3.1 (1). При установившемся режиме работы колонны массы потоков остаются неизменными и можно составить следующие уравнения материального баланса для всей колонны:
где F, D и W - соответственно количества сырья, дистиллята и остатка (кг).
Потоки колонны и соответствующие концентрации НКК в продуктах колонны взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.
Работа ректификационной колонны связана с обменом энергией (теплом) между контактирующими фазами. При этом все подведенное в колонну тепло (с сырьем Q F и в нижнюю часть колонны Q В ) должно быть отведено (без учета теплопотерь в окружающую среду) из колонны парами ректификата Q D , жидким остатком Q W и потоком хладоагента на верху колонны Q d .
Тепловой баланс колонны запишется следующим образом:
При прочих постоянных тепловых потоках, изменение количества тепла, вносимого сырьём, требует соответствующего изменения количества тепла вводимого в нижнюю часть колонны Q В : при увеличении Q F необходимо уменьшить Q В , и наоборот.
Тепловые потоки колонны должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.
6.5. ФЛЕГМОВОЕ (ПАРОВОЕ) ЧИСЛО
Для анализа ректификационных процессов принято использовать приведённые фазовые потоки (рис. 6.3.1). Обозначим
где g и D – количество жидкости в любом произвольном сечении колонны и количество дистиллята.
Это отношение является флегмовым числом; оно представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчёте на один кмоль отводимого дистиллята.
Число теоретических тарелок зависит от флегмового числа. В колонне заданные составы продуктов могут быть получены при варьировании флегмового числа в определённых пределах и, как следствие, изменении числа тарелок в колонне.
При бесконечном орошении число тарелок будет минимальным N min . При уменьшении флегмового числа число тарелок в колонне увеличивается и при некотором минимальном флегмовом числе R min число тарелок, обеспечивающих заданное разделение смеси, возрастает до бесконечно большого.
Если рассмотреть данный вопрос в практической плоскости, то при снижении количества жидкости по колонне (орошения) наблюдается увеличение количества дистиллята (пара) и, как следствие:
Т.е. стремится к снижению R min
При этом будет наблюдаться насыщение потока пара высококипящими компонентами, что подтверждает теорию о снижении числа теоретических тарелок.
Обычно выбирают такое флегмовое число, которое обеспечивает оптимальные эксплуатационные показатели. В общем случае флегмовое число определяют экономическими расчётами, т.к. с ростом R увеличиваются потоки (затраты) теплоты в кубе колонны и конденсаторе колонны: рост R при постоянном потоке дистиллята D означает увеличение потока флегмы. Поэтому с повышением R возрастают расходы теплоносителя (нагрузка на теплообменники, трубчатые печи и т.д.)
6.6. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ОРОШЕНИЯ В КОЛОННЕ
Для образования потока флегмы в верхней части колонны необходимо отводить тепло, обеспечивая конденсацию соответствующего количества паров. В нефте- газоперерабатывающей промышленности получили применение следующие три основных способа отвода тепла: парциальным конденсатором, холодным испаряющимся орошением и циркуляционным неиспаряющимся орошением, схемы которых даны на рис. 6.3.1 (2,3,4).
Отвод тепла в парциальном конденсаторе (рис. 6.3.1-2). При данном способе отвода тепла пары D , уходящие с верхней тарелки колонны, поступают в конденсатор, где часть этих паров g конденсируется и возвращается на верхнюю тарелку, образуя орошение, а пары дистиллята отводятся из конденсатора. При парциальной конденсации принимают, что пары дистиллята D и флегмы g стекающей из парциального конденсатора, находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.
Отвод тепла холодным испаряющимся орошением (рис. 6.3.3-3). Этот способ отвода тепла получил наибольшее распространение. В отличие от парциальной конденсации, поток паров с верхней тарелки направляется в конденсатор, где полностью конденсируется охлажденем. Образовавшаяся холодная жидкость делится на два потока, один из которых подаётся в качестве холодного (или острого) орошения на верхнюю тарелку колонны. Эта холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. Пары охлаждаются и, частично конденсируясь, образуют поток жидкости (флегмы) с верхней части колонны,а холодное орошение большей частью испаряется, присоединяясь к парам ректификата. Таким образом, в конденсатор поступают пары ректификата D и холодного орошения g .
Изменяя массу холодного орошения g, можно регулировать количество отводимого в конденсаторе тепла G d ,и тем самым изменять массу потока жидкости (флегмы) в верхней части колонны, который в свою очередь влияет на весь процесс ректификации. Количество холодного испаряющегося орошения требуется тем меньше, чем ниже его температура.
Отвод тепла циркуляционным неиспаряющимся орошением (рис. 6.3.1-4). Этот вид орошения применяют в нефтепереработке в случае коррозионного сырья, содержащего пары воды, что в условиях конденсации приводит к интенсивной коррозии оборудования. Из сопоставления схем орошениялегко установить аналогию с парциальной конденсацией.
Часть флегмы с верхней тарелки охлаждается в холодильнике и возвращается на верхнюю тарелку. Здесь холодная жидкость контактирует с парами D , поднимающимися с нижележащей тарелки. При этом часть паров охлаждается и конденсируется, образуя поток флегмы,а пары ректификата D покидают колонну. Таким образом, верхняя тарелка колонны работает, как парциальный конденсатор, а пары ректификата находятся в равновесии с циркулирующей жидкостью, т.е. масса циркуляционного неиспаряющегося орошения тем меньше, чем ниже его температура.
Выбор той или иной схемы орошения определяется особенностями эксплуатации, свойствами перерабатываемой смеси и экономическими соображениями.
6.7. СПОСОБЫ ПОДВОДА ТЕПЛА В НИЖНЮЮ ЧАСТЬ КОЛОННЫ
Чтобы создать поток паров, в нижнюю часть колонны необходимо подводить тепло. При этом часть флегмы испаряется и создается необходимый для ректификации поток паров. Наиболее часто реализуются следующие способы подвода тепла: в подогревателе с паровым пространством (парциальном кипятильнике), в теплообменном аппарате с последующим ОИ нагретого потока в низу колонны (горячая струя). Схемы основных способов подвода тепла в колонну даны на рис. 6.3.1 (5,6).
Вследствие недостаточного объема нижней части ректификационных колонн тепло обычно подводят в специальные выносные аппараты: подогреватели с паровым пространством, теплообменники, трубчатые печи.
Подвод тепла в подогреватель с паровым пространством (рис. 6.3.1-5). В этом случае жидкость, поступающая в подогреватель, нагревается до температуры кипения остатка. Образовавшиеся пары D 0 находятся в равновесии с отходящим из кипятильника остатком W. Таким образом, данный способ подвода тепла эквивалентен по разделительному действию одной теоретической тарелке (парциальный кипятильник).
Масса горячей струи уменьшается с повышением ее температуры.
Подвод тепла горячей струей (рис. 6.3.1-6). Этот способ подвода тепла применяют в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями не представляется возможным или целесообразным.
Нагретая циркулирующая жидкость (горячая струя) поступает в колонну. При поступлении в колонну циркулирующий поток подвергается процессу ОИ, разделяясь на паровой и жидкостной потоки. Флегма с нижней тарелки и жидкость циркулирующего потока смешиваются и стекают в нижнюю часть колонны. Отсюда часть потока выводится в качестве остатка W, а другая часть направляется в подогреватель. Под нижнюю тарелку поступает пар D 0 .
6.8. ВЫБОР ДАВЛЕНИЯ В ректификационной КОЛОННЕ
Давление в ректификационной колонне определяется прежде всего термостойкостью разделяемых продуктов и возможностью использования доступных и дешевых охлаждающих агентов (воды, воздуха) и теплоносителей (водяного пара). Поэтому давление в колонне должно быть выше атмосферного, если разделяемые вещества имеют низкие температуры кипения при атмосферном давлении (например, углеводородные газы), иначе для их конденсации потребовались бы специальные хладоагенты (аммиак, пропан, фреоны и т. п.). Повышение давления приводит к увеличению температур в колонне, что позволяет осуществлять конденсацию паров с использованием обычных теплоносителей. При ректификации углеводородных газов применяют давление до 4 МПа.
В случае разделения высококипящих продуктов (мазут, масляные фракции и др.) приходится понижать давление ниже атмосферного. Это позволяет разделять углеводороды, имеющие температуры кипения при атмосферном давлении свыше 500°С, при температурах ниже 400°С без заметного их разложения. Обычно при разделении высококипящих смесей углеводородов применяют остаточное давление - 6,7 кПа и менее.
Следует иметь в виду, что при повышении давления в колонне, как правило, уменьшаются относительные летучести компонентов, что приводит к необходимости увеличивать число тарелок в колонне или расход орошения.
В общем случае при выборе давления в колонне необходимо учитывать как эксплуатационные, так и экономические показатели процесса ректификации. Однако, если нет специальных требований к процессу, следует предпочесть работу ректификационной колонны под атмосферным давлением.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН
Для проведения процесса ректификации применяют аппараты различных конструкций в основном колонного типа. По типу контактных устройств различают насадочные, тарельчатые и пленочные аппараты. Область применения тех или иных аппаратов определяется свойствами разделяемых смесей, производительностью и т.д.
На рис. 6.9.1 приведены схемы аппаратов основных типов.
Рис. 6.9.1. Колонные аппараты основных типов:
а - насадочный; б - тарельчатый; в - пленочный; 1 - корпус аппарата; 2 - распределитель; 3 - ограничительная решетка; 4 - насадка; 5 - опорная решетка; 6 - тарелка; 7 - переточное устройство; 8 - поверхность контакта.
Рис. 6.9.2. Основные схемы движения потоков пара и жидкости в контактной зоне:
а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток.
По способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара различают контактные устройства с противоточным, прямоточным и перекрестноточным движением фаз (рис. 6.9.2). Независимо от схемы движения потоков в пределах отдельного контактного устройства (контактной ступени) в целом по аппарату, как правило, осуществляется противоток пара и жидкости.
Насадочные колонны нашли применение в тех случаях, когда необходимо обеспечить малую величину задержки жидкости в колонне, небольшой перепад давления, а также для малотоннажных производств. Были созданы типы насадок (кольца Палля, из просечного металла, сеток и др.), которые оказались достаточно эффективными в колоннах большого диаметра.
Основные типы насадок . Насадки представляют собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок обусловливает значительную поверхность контакта пара и жидкости. Известны многие конструктивные модификации насадочных тел, основные типы которых приведены на рис. 6.9.3.
Для заполнения насадочных колонн широко применяют кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, что обеспечивает универсальность их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничивает их применение для вакуумных процессов. Созданные различные модификации колец Рашига- кольца Палля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем при кольцах Рашига.
Рис. 6.9.3. Элементы нерегулярных насадок:
1-4 – кольца Рашига, Лессинга, Палля и кольца с крестообразными перегородками; 5, 6 – круглые и трехгранные пружины; 7, 9 – керамические и штампованные металлические насадки Инталлокс; 8 – насадка Берля
В связи с необходимостью создания насадок с низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки из сеток различных конструкций.
К регулярным относятся насадки, расположение элементов которых в объёме колонны подчинено определённому геометрическому порядку создающему упорядоченные каналы для прохода элементов. Примеры таких насадок показаны на рис.6.9.4.
Элементы плоскопараллельной насадки 1 могут быть выполнены из досок, стекол, металлических пластин или сетки.
Насадка Зульцера 2 состоит из перемежающихся слоев гофрированной сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону.
Насадка Гудлоу 3 (иногда ее называют насадкой Панченкова) представляет собой свернутую спираль из сетчатого чулка. В колонну такие свитые пакеты укладываются послойно. Поток пара через них проходит в щелях между сетчатыми слоями.
Наклонно-пакетная насадка 4 представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них слоев чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).
Рис. 6.9.4. Регулярные насадки:
1 – плоскопараллельная; 2 – Зульцера; 3 – Гудлоу; 4 – пакетная с наклонными секциями
Основными размерными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью насадки f понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 2 /м 3 . Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше ее эффективность, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность.
Под свободным объемом насадки ε понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 3 /м 3 . Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность, меньше сопротивление и эффективность. С увеличением размеров насадочных тел возрастает производительность, но одновременно снижается эффективность разделения.
Рис. 6.9.5. Распределители жидкости:
7 – перфорированная плита; 2 – плита с патрубками; 3 – плита с наклонными отражателями струй; 4 – напорный маточник-распылитель
Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам колонны, насадку загружают в колонну отдельными слоями высотой от 1,5 до 3 м. Между слоями насадки устанавливают распределители различных конструкций (рис. 6.9.5).
Насадку укладывают на опорные распределительные решетки и плиты. Свободное сечение таких устройств должно быть по возможности больше и приближаться к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка работала эффективно, поверхность элемента насадки должна хорошо смачиваться жидкостью.
Гидравлика насадочных колонн . В зависимости от нагрузок колонны по пару и жидкости изменяется характер взаимодействия между ними, этим и определяется предельная скорость пара в насадочной колонне. При некоторых величинах паровой и жидкостной нагрузок резко увеличиваются количество удерживаемой в насадке жидкости и гидравлическое сопротивление слоя насадки. Такой режим называется захлебыванием колонны и считается верхним пределом устойчивой ее работы.
Тарельчатые колонны . В тарельчатых колоннах пар (или газ) проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. При этом пар дробится на мелкие пузыри и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. Принципиальная схема работы тарельчатой колонны показана на рис. 6.9.6.
Рис. 6.9.7. Основные типы ректификационных тарелок:
I – решетчатая провальная; II – сетчатая провальная; III – ситчатая перекрестноточная; IV – колпачковая (а, б, в - капсюльный, туннельный и желобчатый колпачки); V – из S-образных элементов; VI - клапанная (а, б, в, г); VII – струйная (а, б); VIII - вихревая (а -устройство вихревого элемента); 1 – корпус колонны; 2 – полотно (основание) тарелки; 3 – отверстия для прохода паров; 4 – переливные трубы; 5 – сливные сегментные карманы; 6 – сливные пластины (перегородки); 7 – паровые патрубки; 8 – колпачки; 9 – клапаны; 10 – ограничители подъема клапана; 11, 12 – фасонные отгибы полотна тарелки; 13 – просечки вихревого элемента; 14 – отражатели (п и ж – направления движения пара и жидкости)
Основные конструкции ректификационных тарелок показаны схематично на рис. 6.9.7.
Простейшая из них – решетчатая провальная тарелка (рис. 6.9.7, I ), полотно которой имеет геометрически упорядоченные ряды щелей (размерами примерно 10 x 150 мм), через которые вверх проходит пар, барботируя через слой жидкости на тарелке, и через которые часть избыточной жидкости стекает (проваливается) струями на нижележащую тарелку.
Такая тарелка очень чувствительна к изменению нагрузки по жидкости, при изменениях которой от расчетной на 20-30% тарелка может либо захлебнуться, либо не удерживать на полотне слой жидкости. Такой же эффект будет иметь место и при колебаниях нагрузки по парам.
Дырчатая волнообразная тарелка (рис. 6.9.7, II )является усовершенствованной решетчатой. Полотно ее имеет не щели, а отверстия диаметром 10-15 мм. Профиль полотна в разрезе – синусоидальный. Это позволяет разделить зоны преимущественного прохода пара (верхние изгибы тарелки) и стока жидкости (нижние изгибы полотна тарелки). Слой жидкости на тарелке удерживается выше верхних изгибов, и потому пар барботирует через этот слой. Тарелка рассчитана на колонны малого диаметра и применяется в колоннах стабилизации бензина и разделения углеводородных газов.
Обе тарелки (I и II на рис. 6.9.7.) являются провальными, и колонна с такими тарелками работает в режиме противотока пара и жидкости. Остальные из показанных на рис. 6.9.7 тарелок являются перекрестноточными, т.е. жидкость на них движется не навстречу потоку пара, а перпендикулярно или под углом, близким к прямому.
В зависимости от величины жидкостной нагрузки переток ее с тарелки на тарелку осуществляется одним, двумя и более потоками (рис. 6.9.8).
Рис. 6.9.8. Схемы потоков жидкости на тарелках с переливными устройствами:
а – однопоточная; б – двухпоточная; в – трехпоточная; г – четырехпоточная; д – с кольцевым движением жидкости; е – с однонаправленным движением жидкости на смежных тарелках; ж, з – каскадного типа; и – с серповидной сливной перегородкой.
Простейшей из тарелок такого типа является ситчатая (дырчатая) перекрестно-точная тарелка . Полотно ее имеет отверстия диаметром 4 – 12 мм по всей площади, кроме двух противоположных сегментов, где находятся сливные трубы. Эти трубы приподняты над полотном тарелки на высоту 20–40 мм (высоту слива – высоту барботажного слоя жидкости на тарелке), а другим (нижним) своим концом не доходят до полотна тарелки также на 30–50 мм. Для того чтобы поток пара не попадал в сливную трубу, нижний ее конец погружен в слой жидкости высотой не более 50 мм, создаваемый подпорной планкой перед перфорированной частью тарелки. Образующийся при этом гидрозатвор не позволяет парам попадать в сливную трубу. Переливное устройство может быть не только в виде сливных труб, но и в виде сегментной перегородки (IV, рис. 6.9.7), отсекающей от парового пространства сегментный объем, через который жидкость переливается с одной тарелки на другую.
В сливных трубах (или сегменте) уровень жидкости обычно выше уровня на нижележащей тарелке на величину, уравновешивающую гидравлическое сопротивление тарелки. Поэтому расстояние между тарелками не может быть меньше, чем этот столб жидкости в сливном устройстве.
С другой стороны, расстояние между тарелками (шаг тарелок) реально устанавливают с учетом следующих факторов:
· сепарации брызг жидкости из парового потока, выходящего из барботажного слоя, и сокращения за счет этого уноса жидкости на вышележащую тарелку;
· возможности доступа человека в межтарельчатое пространство при ремонте и осмотре тарелок.
Исходя из этих условий нормативными документами установлен шаг тарелок в зависимости от диаметра колонны от 300 до 900 мм.
Ситчатые тарелки (см. рис. 6.9.7, III) используют в колоннах небольшого диаметра (до 2,0-2,5 м). В настоящее время часто используются варианты ситчатых тарелок, полотно которых выполнено из просечно-вытяжного листа. Поток паров, проходя через такое полотно, отклоняется от вертикали и на выходе из барботажного слоя направлен под углом 40-60° к горизонтали. Чтобы интенсифицировать работу тарелки на пути выходящего из барботажного слоя пара, наклонно устанавливают отбойные элементы, изготовленные из того же просечного листа. Ударяясь об эти элементы, парожидкостная смесь сепарируется: жидкость пленкой стекает по элементу вниз, в зону барботажа, а пары через щели проходят в межтарельчатое пространство. Такие тарелки имеют очень малое гидравлическое сопротивление (0,1-0,2 кПа) и обеспечивают достаточно высокую эффективность массообменных процессов.
Рис. 6.9.9 Схема работы полотна тарелки из просечного листа:
1 – корпус колонны; 2 – стенки сливного кармана; 3 – полотно тарелки; 4 – отбойные элементы из просечного листа
Недостаток таких тарелок (как и других вариантов ситчатой тарелки) состоит в том, что при малейшей негоризонтальности или местных выпуклостях или вмятинах полотна тарелки она работает неравномерно по всей площади – в нижележащих точках проваливается жидкость, а в вышележащих – проскакивает пар без барботажа. В результате снижается эффективность тарелки.
Одним из старейших по длительности использования и массовых до сих пор типов тарелок является колпачковая тарелка (см. рис. 6.9.7, IV) с круглыми (капсюльными) колпачками. Ее отличие от предыдущих – наличие у каждого отверстия для прохода паров патрубка 7 определенной высоты, над которыми укреплен колпачок 8 с прорезями для прохода паров по всему нижнему его краю. Такое устройство позволяет ввести поток пара в слой жидкости на тарелке параллельно ее плоскости и раздробленным на множество мелких струй. Кроме того, встречные струи от соседних колпачков, соударяясь, создают завихрения в межколпачковой зоне, в результате чего повышается эффективность тарелки. Действительно, в подавляющем большинстве случаев средний к.п.д. такой тарелки на практике оказывается наибольшим – 0,6-0,8.
Существует большое число модификаций колпачковой тарелки, различающихся устройством или формой колпачков. Три из таких модификаций показаны на рис. 6.9.7 (IV, а; IV, б и IV, в).
Первая из них – это описанная выше тарелка с круглыми колпачками. Такая тарелка универсальна, она нашла применение в различных колоннах – от колонн газоразделения до атмосферных и вакуумных. В последних она используется редко из-за большой металлоемкости тарелки, сложности изготовления и монтажа.
Вторая модификация (IV, б) – это тарелка с литыми или штампованными прямоугольными (туннельными) колпачками, использовавшаяся в 1930-40-е годы в колоннах фирмы "Фостер-Уиллер" (США) для разделения мазута на масляные фракции.
Третья модификация (IV, в) – это желобчатая тарелка, особенностью которой является отсутствие полотна тарелки. Вместо него установлены стальные желоба 2, между которыми образуются щели для прохода паров. Щели накрыты колпачками 8, имеющими по своим краям прорези, длина каждого колпачка соответствует длине щели между желобами. Жидкость движется вдоль желобов к сливу; а пары барботируют через щели колпачков. В 1940-60-е годы такая тарелка получила очень широкое применение в колоннах АВТ диаметром от 1 м до 7 м, главным образом из-за большей простоты монтажа и демонтажа по сравнению с тарелкой IV, а; однако по металлоемкости желобчатая тарелка имеет мало преимуществ, а по среднему к.п.д. даже заметно ей уступает (0,3 – 0,5). В настоящее время желобчатая тарелка применяется редко и сохранилась лишь в старых ректификационных колоннах, не подвергшихся реконструкции.
На замену колпачковых и желобчатых тарелок в нефтепереработке в 1960-70-е годы пришли два новых типа тарелок – из S-образных элементов (V) иклапанная (VI).
Оригинальность тарелки из S-образных элементов состоит в том, что у нее полотно и колпачки образуют одинаковые элементы (в разрезе – S-образного профиля), но каждый колпачок при этом имеет прорези для прохода паров только с одной стороны, т.е. на единицу площади барботажа тарелки паровой поток вводится в жидкость меньшим (по сравнению сжелобчатой тарелкой) "фронтом" дробленых струй. В отличие от желобчатой тарелки жидкость на этой тарелке движется поперек туннельных колпачков, затапливая их.
Тарелки из S-образных элементов нашли очень большое распространение во всех колоннах, кроме вакуумных (из-за повышенного гидравлического сопротивления), благодаря малой металлоемкости, простоте изготовления (штамповка) и монтажа в сочетании с высокой эффективностью (средний к.п.д. 0,4–0,7).
Невысокая эффективность тарелок из S-образных элементов отчасти связана, как упоминалось выше, с меньшей долей дробленых струй паров на единицу площади барботажа. Поэтому появилась комбинированная тарелка такого типа, у которой по верхней плоскости колпачков с шагом 100-120 мм расположены отверстия прямоугольного сечения, перекрытые клапанами, открывающимися по ходу движения жидкости. Это увеличивает барботажный эффект, снижает гидравлическое сопротивление тарелки и в результате повышает ее к.п.д.
Клапанные тарелки (рис. 6.9.7, VI) по принципу устройства ближе к дырчатым, но в отличие от них позволяют регулировать проходное сечение отверстий для паров. Для этого над каждым отверстием (диаметром от 30 до 50 мм) имеется устройство (клапан), который в зависимости от количества паров под их напором приподнимается (или поворачивается) над отверстием, изменяя таким образом проходное сечение для паров.
Однако существует множество разных конструкций клапанных тарелок, различающихся устройством клапанов.
На рис. 6.9.7, VI показано 4 наиболее типичных устройства клапанов: а, б – клапаны с верхними ограничителями подъема (а – поворотный, б – тарельчатый клапан, поднимающийся вертикально); в, г – клапаны с нижними ограничителями подъема – "ножками" (в – с тремя одинаковыми по высоте ножками; г – с тремя разными по высоте ножками: одной – короткой и двумя – длинными). Клапан типа Glitch (в) поднимается вертикально под напором паров, пока отгибы его ножек не упрутся в полотно тарелки. При этом сечение для прохода паров будет максимальным, а движение паров и жидкости – строго перекрестноточным.
Рис. 6.9.10. Фрагмент секции и схема работы клапанной перекрестно-прямоточной тарелки:
а, б, в – вид секции сбоку при малой (противоток), средней (перекрестный ток) и повышенной (прямоток) нагрузке тарелки по парам соответственно; г – вид клапанов сверху; д – вид клапана со стороны короткой ножки; 7 – полотно тарелки; 2 – отверстий для клапанов; 3 – клапаны; 4 – короткие ножки; 5 – длинные ножки (стрелками показаны направления движения жидкости и паров)
Клапан с разными ножками (рис. 6.9.10) вначале под действием потока пара поднимается со стороны короткой ножки (так как центр тяжести такого клапана смещен в сторону длинных ножек) до тех пор, пока она упрется в полотно. В этом положении (рис. 6.9.10, а) поток паров вводится под углом к плоскости тарелки навстречу движущемуся потоку жидкости, т.е. тарелка работает в противоточном режиме. При последующем увеличении количества паров клапан поднимается со стороны длинных ножек (точнее, поворачивается вокруг точки упора – короткой ножки), и когда плоскости клапана и полотна тарелки становятся параллельными (положение "б" на рис. 6.9.10), тарелка, как и в случае с клапаном Glitch, работает в режиме перекрестного тока жидкости и паров. Если количество паров продолжает расти, то клапан поворачивается вокруг точки упора дальше и, в конце концов, упирается в полотно всеми тремя ножками ("в " на рис. 6.9.10), принимая наклонное положение, при котором большее проходное сечение для паров расположено по ходу жидкости, т.е. тарелка работает в этом случае как прямоточная.
Клапанные тарелки сочетают в себе ряд преимуществ (малая металлоемкость, простота сборки, равномерный барботаж в широком интервале нагрузок по пару и жидкости и др.), которые позволили им стать самым распространенным типом тарелки, начиная с 1970-х годов и до настоящего времени. Эти тарелки применяют практически во всех типах колонн нефтепереработки – от газоразделительных до вакуумных.
Струйные тарелки (рис. 6.9.7, VII) представляют собой полотно толщиной 3-5 мм, в котором выштампованы отверстия различной конфигурации с отгибом лепестков под определенным углом. Наиболее типичные варианты таких тарелок показаны на рисунке: а – с отогнутыми лепестками в виде прямоугольников с округленными углами, б – в виде конусных выпуклостей (типа "суфлерской будки") с отверстиями в одну сторону. Барботаж на таких тарелках происходит в режиме перекрестно-прямоточного тока, при котором динамическая энергия потока пара используется для интенсификации движения жидкости по тарелке.
Струйные тарелки рассчитаны на применение в тех случаях, когда нагрузка колонны по потоку паров достаточно высока, поэтому они нашли большее применение в колоннах газоразделения. За счет ввода паров в слой жидкости под углом к плоскости тарелки унос капель жидкости на вышележащую тарелку значительно ниже, чем у перекрестноточных тарелок.
Вихревая тарелка (рис. 6.9.7, VIII) – пример тарелки с интенсивным смешением пара и жидкости на тарелке при пониженном уносе капель с нее. На полотне такой тарелки в окружностях диаметром 100-120 мм выштампованы в радиальных направлениях отверстия с отогнутыми лепестками (VIII, а), а по центру этих окружностей на шпильках установлены отбойные чашечки такого же диаметра (100-120 мм), в дне которых расположено 6–8 отверстий диаметром 5–6 мм. Такие вихревые элементы на полотне располагаются в шахматном порядке с шагом 140-180 мм.
Поток пара, проходя через просечки под углом 40-60° к плоскости тарелки, завихряется в смеси с жидкостью, текущей по полотну тарелки, и эта парожидкостная смесь, ударяясь об отбойные чашечки, сепарируется над ними. Поток паров идет далее в межтарельчатое пространство, а основная часть жидкости выпадает в чашечки и через отверстия в них стекает вновь в зону завихренного барботажного слоя.
Такая тарелка в опытных масштабах показала малое гидравлическое сопротивление, сочетающееся с высокой массообменной эффективностью, что отвечает основным требованиям для тарелок вакуумных колонн.
Для всех рассмотренных типов тарелок факторами, определяющими область их применения и эффективность работы, являются:
· гидравлическое сопротивление;
· равномерность и интенсивность барботажа по площади тарелки;
· диапазон нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает нормально (без провала жидкости и интенсивного уноса капель).
6.10. Эксплуатация колонных аппаратов, методы воздействия на эффективность работы колонны.
Ректификационные колонны – это главные аппараты технологические установок, и их эксплуатация (пуск, нормальный режим и остановка) тесно взаимосвязана со всеми другими аппаратами и оборудованием.
В подготовительный к пуску период выполняются обычно следующие работы:
· герметизация колонны – закрытие всех люков, затяжка фланцев, к которым крепятся подсоединенные к колонне трубопроводы;
· проверка работоспособности контрольно-измерительных приборов и автоматики, связанных с работой колонны;
· опрессовка колонн с целью выявления мест пропусков и механической прочности. Эту операцию осуществляют, создавая в колонне сжатым инертным воздухом или углеводородным газом давление выше рабочего. Если в течение определённого времени оно остается постоянным, то аппарат считается выдержавшим испытание. Если давление заметно падает, то стыки всех соединений колонны с помощью мыльной пены проверяют на пропуски, при обнаружении которых соединения герметизируют;
· заполнение колонны жидкой фазой для вывода аппарата на предпусковой период.
Пусковой период включает три этапа – холодную и горячую циркуляцию и переход к нормальному режиму работы.
Холодная циркуляция нефти в течение определённого количества времени предназначена для выявления неисправностей насосов и средств измерения расхода, а также для дренажа воды, которая оставалась в аппаратах и трубопроводах. Она заключается в отладки потока нефтепродукта по циркуляционной (закольцованной) схеме, предполагающей возможность подъёма температуры (через теплообменник).
Приступая к горячей циркуляции, организовывается розжиг печи (если нет другого источника тепла) согласно нормативной документации (инструкций по эксплуатации). Далее, приступают к подъёму температуры циркулирующей жидкости с заданной скоростью (о С в час), в процессе которого из исходного углеводородного сырья начинают испаряться низкокипящие компоненты (НКК), что в свою очередь приводит к уменьшению массы жидкости и снижению уровня раздела газовой и жидкой фаз. Т.к. при эксплуатации аппаратов необходимо не допускать снижения уровня жидкости ниже минимального значения, колонну подпитывают сырьём по линиям загрузки.
Пусковой период завершается выводом всех параметров работы колонн на значения, установленные технологическим регламентом, и получением конечных нефтепродуктов с заданными качествами.
В период нормального режима эксплуатации колонн задача сводится к поддержанию регламентных значений параметров – температур, давлений, расходов, уровней – как системами автоматического регулирования, так и вручную. Кроме того, по установленному графику ведется лабораторный контроль качества сырья и получаемых дистиллятов и остатков.
Важнейшая задача при реализации процессов ректификации – воздействие на технологические параметры процесса с целью его стабилизации и получения конечных нефтепродуктов заданной чистоты.
В зависимости от величины нагрузок по пару и жидкости различают следующие режимы ректификации:
· неравномерный – только часть жидкости на полотне тарелки пронизывается паром (нет прохода в отверстиях, погнуты полотна тарелок, заклинили клапаны и др.);
· равномерный – на всей площади тарелки происходит интенсивный барботаж (желаемый);
· факельный – струи пара прорываются сквозь недостаточный слой жидкости и выходят на поверхность с большой скоростью (недостаточный слой жидкости, сопровождающийся перегревом колонны);
· унос – значительная часть жидкости захватывается потоком пара и перебрасывается на вышележащую тарелку (перегрев колонны, недостаточное охлаждение верха колонны и т.д.).
В ходе эксплуатации ректификационной колонны ставится задача – изменить чистоту конечных нефтепродуктовв. Данная задача решается изменением флегмового число R (отношение флегмы, возвращаемой обратно в колонну в виде орошения, к дистилляту (пару)):
· увеличение потока флегмы (орошения) при сохранении отборов дистиллятаи кубового остатка, если кипятильник и конденсатор рассчитаны с некоторым запасом и позволяют повысить тепловую нагрузку (увеличиваются количество орошения и количество тепла от теплообменника);
· уменьшением производительности колонны по исходной смеси, а значит, и по продуктам; при этом, сохраняя поток флегмы и понижая поток дистиллята, получают более высокое флегмовое число R (снижают загрузку колонны, при этом сохраняется количество орошения и количество тепла от теплообменника).
Повысить флегмовое число можно также путем захолаживания флегмы , т.е. возвращения ее в колонну при более низкой температуре: холодная флегма будет нагреваться в верхних зонах колонны до температуры кипения за счет конденсации части парового потока, и поток флегмы по колонне возрастет.
Увеличивая число тарелок п (высоту слоя насадки Н н), а также флегмовое число R, можно в принципе получить сколь угодно чистые дистиллят и кубовый остаток.
Еще одна возможность воздействия на чистоту продуктов - смещение точки подачи исходной смеси по высоте колонны. Так, если подать исходную смесь в колонну пониже, то увеличится протяженность укрепляющей части, и дистиллят станет чище; при этом уменьшится протяженность отгонной части колонны, так что кубовый остаток будет больше загрязнен низкокипящим компонентом. Изменение точки питания ректификационной колонны может оказаться полезным в двух основных случаях:
1) только один из продуктов должен быть весьма чистым (во втором допускается заметное содержание примеси); тогда следует увеличивать протяженность той части колонны, на выходе из которой нужно получать чистый продукт;
2) по какой-то причине изменился состав исходной бинарной смеси. Например: содержание НКК в исходной смеси понизилось; для сохранения прежней чистоты дистиллята теперь в укрепляющей части колонны потребуется большее число тарелок (или большая высота слоя насадки), чем раньше, а для сохранения чистоты кубового остатка - меньшее число тарелок в отгонной части колонны. Поэтому исходную смесь нового состава следует подавать в колонну на более низкую тарелку. Конкретно: ее надо подавать в то сечение колонны, в котором этот состав равен составу исходной смеси.
Дата публикования: 2015-01-24 ; Прочитано: 6469 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы
сайт - Студопедия.Орг - 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.028 с) ...Отключите adBlock!
очень нужно
