Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I

Голосов: 3

В учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины "Машины и аппараты химических производств": теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для сушки материалов. Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии Томского политехнического университета и предназначено для студентов специальности 170500 - "Машины и аппараты химических производств" Института дистанционного образования ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          Недостатки туннельных тарелок: сравнительно невысокая эффектив-
ность, малая производительность и большая металлоемкость. В настоящее
время эти тарелки изготовляют только для ремонта действующих колонн.

                2.1.2. Тарелки с S-образными элементами

     В настоящее время в нефтеперерабатывающих колоннах используют
тарелки с S-образными элементами 1, установленными перпендикулярно на-
правлению движения жидкости на тарелке (рис. 2.6). Для того чтобы закрыть
каналы с торцов и увеличить жесткость тарелки, между S-образными элемен-
тами устанавливают пластины 2.




                    Рис. 2.6. Тарелка с S-образными элементами:
                             а - общий вид; б - схема
      Особенностью этой тарелки является течение жидкости не вдоль кол-
пачков, как у туннельных тарелок, а поперек. Слой жидкости движется еди-
ным потоком по тарелке в направлении к сливу, проходя над S-образными
элементами и переливаясь через них. Пары проходят через прорези
S-образного элемента, барботируют через жидкость и при этом способствуют
ее движению по тарелке.
      У тарелки из S-образных элементов более полно используется сечение
колонны, чем у туннельных, и она обладает более высокой производительно-
стью. Простота конструкции позволяет быстро собрать и разобрать ее. Ме-
таллоемкость тарелок с S-образными элементами почти вдвое меньше, а про-
изводительность на 20–30 % больше по сравнению с капсульными. Эффек-
тивность или КПД составляет 0,6–0,8. Оптимальная нагрузка по газу для этой
тарелки на 10–25 % меньше, чем для колпачковой.
      Стандартом (ОСТ 2602-536-78) предусмотрены тарелки:
      – однопоточные диаметром 1000–4000 мм;
      – двухпоточные диаметром 1600–8000 мм;
      – четырехпоточные диаметром 4000–5000 мм.




    71


           2.1.3. Ситчатые тарелки с отбойными элементами

     Тарелки состоят из 1–15 секций (в зависимости от диаметра) из перфо-
рированного стального листа толщиной 2 мм с просечно-вытяжными щеле-
видными отверстиями (рис. 2.7). Направление просечки совпадает с направ-
лением движения жидкости. Над полотном тарелки поперек потока жидкости
с шагом 200 мм и углом наклона 600 к полотну устанавливают отбойные эле-
менты из просечно-вытяжного листа высотой 150 мм.




          Рис. 2.7. Тарелка с просечно-вытяжными отверстиями

      Отбойные элементы располагают на расстоянии 40 мм от полотна та-
релки. Направление просечки отбойных элементов ориентировано так, что
газожидкостной поток, попадая на них, отбрасывается вниз к полотну. От-
бойные элементы организуют зону контакта фаз, способствуют сепарации
жидкости и снижают ее унос.
      Ситчатые тарелки с отбойными элементами изготовляют диаметром
1000–4000 мм (однопоточные) и 1400–9000 мм (двухпоточные). Расстояние
между тарелками 450–900 мм. Такие тарелки имеют высокую производи-
тельность по пару и низкое гидравлическое сопротивление.
      Ситчатые тарелки представляют собой плоский перфорированный
лист со сливными устройствами. Перфорацию выполняют в виде круглых от-


    72


верстий диаметром d =2-6 мм, с шагом равным (3÷5) d . Площадь отверстий,
в зависимости от производительности тарелки по пару, составляет от 8 до
30 % от площади сечения колонны.
      Известны конструкции многосливных тарелок с двумя зонами контакта
фаз с ситчатым полотном или контактными элементами другого типа. В этом
случае переливное устройство в нижней части имеет щель, из которой жид-
кость вытекает в виде пленки, перекрывающей сечение колонны под полот-
ном тарелки. Таким образом, образуется вторая зона контакта фаз в про-
странстве между тарелками.
                                  Преимущество ситчатой тарелки: боль-
                            шое свободное сечение тарелки; высокая про-
                            изводительность по пару; простота изготовле-
                            ния; малая металлоемкость. По производитель-
                            ности по пару (газу) ситчатые тарелки на 30-40
                            % превосходят колпачковые.
                                  Недостатки ситчатых тарелок: высокая
                            чувствительность к точности установки; не ре-
                            комендуется использовать для работы с загряз-
                            ненными средами, это вызывает забивание от-
                            верстий.
                                  Для уменьшения гидравлического сопро-
                            тивления и расширения диапазона устойчивой
                            работы ситчатых тарелок, их комбинируют с
 Рис. 2.8. Элемент ситчато-
                            клапанными устройствами (рис. 2.8). При ма-
          клапанной тарелки
                            лых нагрузках тарелка работает как обычная
                            ситчатая, с увеличением нагрузки открывается
клапан 2 и между клапаном и тарелкой 1 образуется щель, откуда под неко-
торым углом к горизонтали выходит пар, обеспечивая перемещение жидко-
сти по тарелке в направлении слива и уменьшая разность уровней жидкости
на тарелке.

              2.1.4. Решетчатые тарелки провального типа

      Решетчатые тарелки провального типа состоят из отдельных сек-
ций, в которых имеются прямоугольные прорези размером 4х140 мм. Обыч-
но площадь прорезей составляет 10-30 % площади всей тарелки. На двух
смежных тарелках прорези выполняют в взаимно перпендикулярных направ-
лениях. Стандартные тарелки диаметром 1000-2400 мм имеют ширину про-
резей 4 и 6 мм, шаг от 8 до 36 мм.
      Тарелка работает следующим образом. На тарелке благодаря подпору
паров, идущих снизу, создается определенный слой жидкости, которая пере-
текает через прорези по всей площади тарелки на нижерасположенную та-
релку. Прорези работают периодически: в определенный момент времени

    73


одна часть прорезей пропускает в основном пар, другая – жидкость; в сле-
дующие моменты времени роли их меняются.
      Жидкость выводят со специальной тарелки, полотно которой не имеет
прорезей. На этой тарелке установлен ряд патрубков для прохода паров. Если
жидкость забирают с тарелки не полностью или вводят в колонну, то на та-
релке устанавливают патрубки двух размеров по высоте; через низкие жид-
кость стекает вниз, а высокие патрубки служат для свободного прохода па-
ров. Для решетчатых тарелок провального типа необходимо равномерное
распределение орошения по всей площади тарелки. Решетчатые тарелки ус-
танавливают через 300–600 мм. Производительность у них примерно в
1,3 раза больше, чем у колпачковых.
      Один из недостатков решетчатых тарелок провального типа – их чувст-
вительность к изменению расходов паровой и жидкой фаз.
      Размещение отверстий в полотне провальной тарелки на разных уров-
нях (тарелки с волнистым полотном) позволяет несколько расширить диапа-
зон ее устойчивой работы. При этом происходит раздельная работа отвер-
стий: отверстия, расположенные ниже, служат для стока жидкости, а через
отверстия, расположенные выше, где меньший гидравлический затвор, бар-
ботируют пары. Вследствие большой жесткости тарелки не требуют проме-
жуточных балок и опор даже в колоннах большого диаметра (до 3 м). Разно-
видностью этих тарелок являются тарелки с концентрическими волнами.
Шаг волн равен 40–60 мм, глубина волн 15–40 мм. Тарелки этого типа обла-
дают свойством самоочищения и могут применяться как для чистых, так и
для загрязненных систем.
      К преимуществам этих тарелок следует отнести простоту конструкции,
малую металлоемкость, большую пропускную способность по жидкости и
использование загрязненных жидкостей.
      Гидродинамика тарелок провального типа складывается из следую-
щих режимов:
      Режим смоченной тарелки. Наблюдается при малых скоростях газа. Че-
рез щели тарелки свободно проходит поток газа и жидкости. Количество
жидкости на тарелке мало, т.к. мала скорость. Контакт между фазами проис-
ходит на поверхности капель истекающих пленок жидкости. Сопротивление
тарелки невелико.
      Барботажный режим. Наблюдается при дальнейшем увеличении скоро-
сти. Характеризуется подвисанием жидкости над тарелкой, что связано с
увеличением сопротивления. На тарелке наблюдается две зоны: зона светлой
жидкости и зона пены. При увеличении скорости пара зона светлой жидкости
уменьшается, а зона пены увеличивается.
      Эмульгационный режим. Характеризуется полным исчезновением зоны
светлой жидкости. На тарелке остается сильно турбулизованная пена. Сопро-
тивление и унос пены при увеличении скорости остается постоянными.



    74


     Волновой режим движения жидкости. Струи пены вырываются на по-
верхность пены, которая приходит в волнообразное движение.
     Режим захлебывания колонны. Жидкость не проваливается, а попадает
на вышерасположенную тарелку.
     Гидравлическое сопротивление тарелки складывается из следующих
параметров:
    1. Сопротивление сухой тарелки
                                                                   2
                                   2          4000 Fc d           wo п
                   Pc    (1 Fc )        р                              , Па,            (2.1)
                                                     0,2   dэ       2
                                                Re
где    Fc – живое сечение тарелки, м2;
        р – коэффициент сопротивления при внезапном расширении потока:
                р =0,8    при      Fc = 0,1 м2;            р =0,64     при     Fc = 0,2 м2.
       d – диаметр отверстия или ширина щели, м;
         – толщина тарелки, м;
       wo – скорость пара в живом сечении, м/с;
                                 3
         п – плотность пара, кг/м ;
       Re – критерий Рейнольдса для пара.

2. Сопротивление парожидкостного столба:
                                            0,33 ж hп,2 g
                                                     1
                                Pп ж                      , Па,                         (2.2)
                                              w0,4 Fc0,1
где    w – скорость в полном сечении, м/с;
       hп – высота слоя пены, м;
                                       hп
                                              4Fr 0,2 ,                                 (2.3)
                                       dэ
              2
             wo
где Fr           – критерий Фруда;
            gdэ
      d э – эквивалентный диаметр отверстий.
    3. Сопротивление от поверхностного натяжения:
                                               4
                                        P         , Па,                                 (2.4)
                                               dэ
где        – поверхностное натяжение, Н/м.




      75


                         2.1.5. Клапанные тарелки

      Клапанные тарелки широко применяют в нефтехимической промыш-
ленности, их изготавливают с дисковыми и прямоугольными клапанами. Ра-
ботают тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз.
      В отечественной промышленности наиболее распространены клапан-
ные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами (рис. 2.9). На тарелке в
шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморе-
гулирующиеся дисковые клапаны. Диаметр дисковых клапанов обычно со-
ставляет 50 мм; диаметр отверстия под клапаном в полотне тарелки
30–40 мм; высота подъема клапана 6–8 мм. Клапан такой конструкции имеет
три направляющие, расположенные в плане под углом 1200, две из которых
имеют больший вес и длину. При работе с возрастающей скоростью паров
сначала поднимается легкая часть клапана, обращенная против потока жид-
кости, а затем клапан принимает положение, при котором пары выходят в
направлении движения жидкости.




         Рис. 2.9. Схемы работы клапана прямоточной тарелки стандартной
                       конструкции при нагрузках по парам:
                        а - малых; б - средних; в - больших.

      По ОСТ 2602-1401-76 предусмотрены тарелки однопоточные диамет-
ром 1000–4000 мм, двухпоточные диаметром 1400–9000 мм и четырехпоточ-
ные диаметром 3200–5500 мм. Тарелки выполняют разборными с шагом ме-
жду рядами 50, 75 и 100 мм, что предопределяет различное число клапанов и
соответственно разную площадь свободного сечения тарелки.
      Кроме дисковых клапанных тарелок используют и жалюзийно-
клапанные тарелки. На полотне тарелки в зависимости от ее диаметра
(1000–4000 мм) устанавливают от 10 до 350 таких элементов. Клапанами
здесь служат пластины-жалюзи, шарнирно закрепленные в отверстиях боко-
вых стенок. Угол поворота пластин ограничивается перемычкой. Каждая
секция тарелки имеет расположенные в шахматном порядке квадратные от-
верстия с установленными в них жалюзийно–клапанными элементами, изго-
тавливаемые по ОСТ 2601-417-85.
      Для увеличения производительности и диапазона устойчивой работы
клапанные тарелки выполняют балластными. Клапаны таких тарелок могут
иметь индивидуальный и групповой балласт. При работе таких устройств

    76


вначале поднимается пластина клапана, затем она упирается в балласт и под-
нимается вместе с балластом. При малой производительности по газу тарелка
работает как обычная с дисковым клапаном меньшей массы. При увеличении
нагрузки клапан упирается в балласт и работает как один утяжеленный кла-
пан. В полотне каждой секции тарелки просечены рядами с шагом 60 мм или
120 мм прямоугольные отверстия размерами 140х25 мм. Отверстия в ряду
расположены попарно с расстоянием между ними 25 мм.
      Основные преимущества клапанных тарелок: способность обеспечить
эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, неслож-
ность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость.

          2.1.6. Струйно-направленные (чешуйчатые) тарелки

      Одно из направлений технического прогресса в химической, нефтехи-
мической и нефтеперерабатывающей промышленности – разработка и при-
менение аппаратов большой единичной мощности. До недавнего времени
повышение эффективности и производительности колонн обеспечивали уве-
личением их высоты и диаметра. Однако с увеличением диаметра колонн
возрастает неупорядоченность движения взаимодействующих фаз: на тарелке
появляются «байпасные» потоки, «мертвые» зоны, возникает поперечная не-
равномерность скорости газового потока и высоты жидкости на тарелке. Все
это снижает эффективность массообмена в колонне. В связи с этим произво-
дительность аппарата следует повышать не увеличением размеров аппарата,
а созданием контактных устройств, обладающих высокой производительно-
стью по жидкости и пару, в частности, продольным и поперечным секциони-
рованием этих устройств.
      Известно, что производительность тарелок повышается при контакти-
ровании фаз в прямотоке. Однако при прямоточном взаимодействии и боль-
шой скорости пара (газа) жидкость смещается в направлении к сливному
карману, что затрудняет работу сливных устройств.
      Для компенсации прямоточного движения фаз и исключения его рас-
пространения на всю тарелку можно устанавливать на тарелке продольные и
поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение жид-
кости на тарелке от перелива к сливу, а также создающие условия для дви-
жения потоков парожидкостной смеси по тарелке в противоположных или
пересекающихся направлениях.
      Примером могут служить струйно-направленные тарелки (рис. 2.10),
которые применяют для колонных аппаратов диаметром 600 мм. На штампо-
ванных секциях просечены и отогнуты под углом 300 или 400 полукруглые
«язычки» радиусом 20, 25 или 30 мм. Расстояние между соседними рядами
язычков – 50 мм. В ряде случаев на струйно-направленной тарелке устанав-
ливают поперечные перегородки, в которых у полотна тарелки выполняют
щель высотой 10–15 мм для прохода жидкости.

    77


      При скорости газа до 1,5 м/с тарелки работают аналогично ситчатой и
колпачковой: жидкость из переливного кармана поступает на рабочую часть
тарелки, газ вводится через просечки, барботирует через слой жидкости,
аэрирует ее и на тарелке образуется газожидкостный слой. При скорости газа
более 1,5 м/с, газовые струи, выходящие из просечек, и создаваемые ими по-
токи жидкости движутся к вертикальным перегородкам или стенкам колон-
ны, ударяются о них, сепарируются и газ покидает тарелку. При этом жид-
кость совершает сложное зигзагообразное движение от переливного к слив-
ному карману.




     Рис. 2.10. Струйная тарелка с секционирующими перегородками

      При определенной скорости провал жидкости исчезает – это первая
критическая скорость (для системы воздух – вода скорость равна 6,5–7,5 м/с).
При дальнейшем увеличении скорости на тарелках начинается барботажный
режим и происходит волнообразное движение жидкости от сливного к пере-
ливному карману.
      При скорости более 12–16 м/с возникает струйный режим, который ха-
рактеризуется подъемом уровня жидкости на тарелке по направлению к сли-
ву. Это явление вызывается инжектирующим действием пара, а также ударом
парожидкостного потока о стенку колонны. Часть жидкости отрывается от
тарелки и движется над ней.


    78


      Самая высокая эффективность чешуйчатых тарелок достигается в
струйном режиме, который является рабочим режимом для этих тарелок.
Скорость должна быть более 12 м/с. Оптимальное живое сечение составляет
10 % от полного сечения колонны.
      Гидравлическое сопротивление чешуйчатых тарелок складывается из
трех моментов:
                                         2
                              Pсух.т.            п ,                   (2.5)
                                             2
где        – скорость пара в прорези, м/с.
                              0,0138 10 8 w2,9 L0,45 п ж ж d э ,45
                                                             0
                  Pп ж.слоя                                        ,   (2.6)
                                          0,45     0,15
                                        G       пl т
где       – коэффициент сопротивления ( =2,5-3);
      w – скорость пара, м/с;
      L – расход количества протекающей жидкости, кг/с;
                                                  3
         п , ж – удельный вес пара и жидкости, Н/м ;
         п , ж – динамический коэффициент вязкости пара и жидкости, Па·с;
      d э 2hч – эквивалентный диаметр чешуек, м;
      hч – высота подъема чешуйки над плоскостью тарелки, м;
      G – расход пара, кг/с;
      l т – длина тарелки от приемного кармана до противоположной стенки
колонны, м.
      Потери напора за счет поверхностного натяжения на границе жидкости
и пара:
                                       4
                                   P      .                          (2.7)
                                       dэ

                  2.2. Насадочные массообменные аппараты

      Массообменые аппараты, в которых для образования контакта между
фазами служат насадочные тела различной формы, являются широко распро-
страненным типом аппаратов.
      Диаметр насадочных колонн обычно не превышает 4000 мм. Для ко-
лонн большого диаметра трудно достичь высокой эффективности. Однако
известны отдельные конструкции насадочных аппаратов диаметром до 12 м.
    Корпус 1 абсорбционной насадочной колонны выполняют (рис. 2.11)
либо цельносварным, либо из отдельных царг с приварными или съемными
крышками. Насадочные аппараты весьма чувствительны к неравномерности
орошения, поэтому жидкость для орошения насадки подается через распре-
делительную тарелку 2. Насадку 3 располагают по высоте аппарата в не-

      79


                                    сколько слоев (секций) и укладывают на
                                    опорные решетки 4. Для загрузки и вы-
                                    грузки насадки в верхней и нижней частях
                                    каждой секции обычно устанавливают лю-
                                    ки 6 и 8. При больших нагрузках по газу и
                                    перепаде давлений 400–700 Па на 1 м вы-
                                    соты насадки, сверху на каждый слой ук-
                                    ладывают удерживающую решетку, пре-
                                    дотвращающую выброс насадки.
                                          В верхней части колонны размещено
                                    отбойное устройство 7. Газ и жидкость
                                    движутся противотоком. При этом газ вво-
                                    дится в колонну снизу через штуцер А, а
                                    выводится через штуцер Б. Орошающая
                                    жидкость вводится сверху через штуцер В,
                                    а выводится через штуцеры Г и Д.
                                          При стекании жидкости по насадке
                                    происходит ее перераспределение и на не-
                                    котором расстоянии от распределительной
                                    тарелки равномерность орошения может
                                    резко уменьшиться. При этом жидкость
                                    течет вдоль стенки аппарата, а централь-
                                    ная часть насадки остается не орошенной.
                                    Для исключения этого явления насадочное
                                    пространство разделяют на слои и уста-
                                    навливают между слоями перераспредели-
                                    тельные тарелки 5, которые собирают
                                    жидкость и распределяют ее вновь по се-
                                    чению аппарата.
                                          Корпус и внутренние устройства се-
                                    рийно выпускаемых насадочных аппаратов
                                    изготовляют из тех же материалов, что и
                                    для тарельчатых массообменных аппара-
        Рис. 2.11. Схема насадоч-   тов.
 ной
              колонны

                              2.2.1 Типы насадок

      Основным элементом контактного устройства является насадка. Насад-
ки, применяемые для заполнения массообменных аппаратов, характеризуют-
ся следующими показателями:



       80



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика