Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов. Учебное пособие

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛОННЫХ АППАРАТОВМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ---------------------------------------КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВКОЛОННЫХ АППАРАТОВУчебное пособиеПенза 2003УДК 66.021.1:532.5Предложены: варианты конструктивных решений для основныхэлементов колонных аппаратов, а также даны методики их расчетов исправочный материал необходимые при выполнении дипломных проектов потемам ставящим своей целью модернизацию существующих конструкцийколонных аппаратов.Ил.

101, табл. 15, библиогр. 33 назв.21 КЛАССИФИКАЦИЯ И КРАТКИЙ ОБЗОР АППАРАТОВ ИКОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВКолонные аппараты можно классифицировать в зависимости оттехнологического назначения, способа осуществления контакта между газом(паром) и жидкостью, состояния межфазной поверхности [1].По технологическому назначению аппараты подразделяются наколонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитическогокрекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, для ректификации газов, длямоноэтаноламиновой очистки газов и пр.По способу осуществления контакта между паром (газом) ижидкостью все аппараты можно подразделить на аппараты с непрерывнойподачей обеих фаз, пульсационной и цикличной подачей.

Цикличная подачасостоит в том, что газ и жидкость подаются в аппарат попеременно.По состоянию межфазной поверхности. В соответствии с этимколонные аппараты классифицируются на группы: 1) аппараты сфиксированной поверхностью фазового контакта; 2) аппараты с поверхностьюконтакта, образуемой в процессе движения потоков; 3) аппараты с внешнимподводом энергии.Наиболее типичные широко применяемые в промышленности аппаратыраспределяются по группам, указанным в таблице1.Таблица 1.Классификация колонных аппаратов по состоянию межфазной поверхностиКолонны сфиксированнойповерхностьюКолонны с поверхностью,образуемой в процесседвижения фазКолонны с внешнимподводом энергии1Поверхностныеаппараты1Распылительныеколонны1Колонны с механическимимешалками2Пленочныеколонны2Инжекторные(струйные) колонны2Центробежные колонны3Насадочные колонны3Пульсационные колонны4Тарельчатые колонны3Тарельчатые контактные устройства можно классифицировать помногим признакам[1,4,24]: например, по способу передачи жидкости старелки на тарелку различают тарелки с переточными устройствами и тарелкибез переточных устройств (провальные).Тарелки с переточными устройствами имеют специальные каналы, покоторым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этимканалам не проходит газ.

На провальных тарелках нет переливных устройств, ижидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотнетарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный моментвремени одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их ролименяются.По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоковразличают тарелки барботажного и струйного типов. Тарелки, на которыхсплошной фазой является жидкость, а дисперсной — газ или пар, называютбарботажными. На струйных тарелках дисперсной фазой является жидкость,сплошной — газ, потоки взаимодействуют в прямоточном режиме наповерхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.По числу потоков (сливов) тарелки выполняют одно-, двух- имногопоточными (рис.

1.1). Применяют также многосливные тарелки сравномерно распределенными по площади сливами и тарелки с каскаднымрасположением полотна.Рис. 1.1. Схемы тарелок: а — однопоточной; б — двухпоточной;трехпоточной, г — четырехпоточной; д — каскаднойв—Многопоточные и многосливные тарелки используют в колоннахбольшого диаметра и при значительных расходах жидкости. Такие тарелкиобеспечивают более равномерные уровень жидкости и распределение газа поплощади контактных устройств. Это связано с уменьшением напряженностислива в гидравлическом отношении и длины пути жидкости на тарелке.

Вколоннах со значительным изменением по высоте жидкостной нагрузкиустанавливают тарелки с различным числом потоков.В зависимости от направления движения газовой и жидкой фаз взоне контакта выделяют тарелки трех основных групп (рис. 1.2):1) Тарелки перекрестные, в которых движение газа и жидкостиосуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальныепереливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую,4причем газ по переливам не проходит (колпачковые, с S-образнымиэлементами, клапанные, ситчатые).2) Тарелки противоточные (провального типа), в которых переливныеустройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те жеотверстия.

На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схемеполного перемешивания жидкости (решетчатые).3) Тарелки прямоточные (с однонаправленным движением газа ижидкости). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движенияжидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешиванияжидкости и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшениюгидравлического градиента.

Тарелки описанного типа обычно имеютпереливные устройства, но существуют и конструкции без переливов (струйныеи струйные с отбойниками).По конструктивному решению элементов тарелки разделяются всоответствии с ГОСТ 2.790-74. (Обозначения условные графические.Аппараты колонные.) Предлагаемые стандартом обозначения колонныхаппаратов в конструкторской документации всех отраслей промышленностипредставлены в таблице 2.Рис. 1.2. Классификация тарелок по способу организации движения пара ижидкости а — протнвоточные, б — прямоточные, в — перекрестного тока5Таблица 2.Условные графические обозначения контактных устройств [8]1.Устройства тарельчатые контактныеА)Общее обозначениеБ)Тарелки колпачковыеВ)Тарелки струйныеГ)Тарелки клапанныеД)Тарелки клапанные прямоточныеЕ)Тарелки из S – образных элементовЖ)Тарелки ситчатыеЗ)Тарелки ситчатые с отбойными элементамиИ)Тарелки ситчато-клапанныеК)Тарелки жалюзийно-клапанные6Л)Тарелки решетчато-провальныеМ)Тарелки вихревые2 КОЛОННЫ С ФИКСИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ2.1 КОНСТРУКЦИЯ ПЛЕНОЧНЫХ КОЛОННКонструкция пленочных колонн рассмотрена в работах 15, 24.

В такихаппаратах [24] газ (пар) и жидкость соприкасаются на поверхности текущейжидкой пленки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхностям,представляющим собой трубы или пластины. Известны три типа пленочныхаппаратов:• трубчатые аппараты, в которых пленка стекает по внутренней поверхностивертикальных труб;• аппараты с листовой (плоско-параллельной) насадкой, в которых пленкастекает по обеим поверхностям вертикальных пластин;• аппараты с восходящим (обращенным) движением пленки.Аппараты первых двух типов работают при противотоке газа и жидкости(газ движется снизу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); онимогут работать также при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутсясверху вниз). Аппараты третьего типа работают при восходящем прямотоке (гази жидкость движутся снизу вверх).Трубчатые аппараты, а также аппараты с восходящим движениемпленки могут применяться при одновременном отводе или подводе тепла впроцесс; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фази по интенсивности массопередачи эти аппараты значительно превосходятповерхностные, у которых поверхностью контакта является «зеркаложидкости».Гидравлическое сопротивление трубчатых аппаратов и аппаратов слистовой насадкой даже при сравнительно больших скоростях газа (4—5 м/сек)невелико.

Аппараты с восходящим движением пленки, работающие привысоких скоростях газа (свыше 15—20 м/сек) — высоко интенсивные аппараты,но в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением.В настоящее время пленочные аппараты применяются сравнительноредко; из них наиболее распространены трубчатые аппараты, используемыедля поглощения хорошо растворимых газов (HCl, NH3) из концентрированныхгазовых смесей при одновременном отводе тепла.Перспективными следует считать аппараты с листовой насадкой, а такжеаппараты с нисходящим и восходящим прямотоком, работающие при высокихскоростях газа.7Рис.

2.1. Пленочные аппараты: а - трубчатый аппарат, б — аппарат с листовойнасадкой; 1 — трубы, 2 - трубные решетки, 3 — пластины, 4 — распределительноеустройство.Трубчатые пленочные аппараты (рис. 2.1,а). Такие аппаратывыполняютввидекожухотрубных(вертикально-оросительных)теплообменников, которые состоят из вертикального пучка труб 1,закрепленных в трубных решетках 2. Для подачи орошающей жидкости кстенкам труб служат специальные устройства (рис.

2.2). В межтрубномпространстве аппарата движется охлаждающая жидкость (обычно вода) илигреющий пар.Рис. 2.2. Устройства для подачи жидкости к стенкам трубы: а – щелевое; б – типатрубы Вентури; в – с зубчатым венцом; г – с пружиной вставкой.Условием нормальной работы трубчатых аппаратов являетсяравномерное распределение орошающей жидкости как между отдельнымитрубами, так и по периметру каждой трубы. Выполнение этого условиясопряжено со значительными трудностями, особенно при большом числе труб.Жидкость должна подаваться к стенкам труб так, чтобы она вся текла по ихвнутренней поверхности в виде пленки. Необходимо избегать течения жидкостипо сечению трубы в виде струй, капель и т.д.Аппараты с листовой насадкой (рис. 2.1,б).

Эти аппаратыпредставляют собой колонны с насадкой в виде вертикальных пластин 3(плоско-параллельная насадка) из того или иного твердого материала (металл,дерево, пластические массы) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхнейчасти аппарата находятся распределяющие жидкость устройства 4,равномерно орошающие каждую пластину с обеих сторон.8Условиями нормальной работы аппаратов с листовой насадкой являютсястрого вертикальная установка пластин и равномерное распределениеорошающей жидкости. Как и в трубчатых пленочных аппаратах, выполнениепоследнего условия — довольно трудная задача.Распределители орошения в аппаратах с листовой насадкой изображенына рис.

2.3. Стержневой распределитель, показанный на рис. 2.3,а, состоит изстержней 3, проходящих с небольшим зазором (около 0,5 мм с каждойстороны) через отверстия в плите 2 и опирающихся нижними концами напластины насадки 1. Жидкость, стекая через зазоры и далее по стержням,поступает на насадку. Стержневой распределитель требует тщательногомонтажа, зазоры между стержнями и отверстиями в плите легко забиваются.Колосниковые распределители (рис.

2.3,б), состоят из несколькихрасположенных крест-накрест друг над другом колосниковых решеток 4. Наверхнюю решетку жидкость подается через ниппели 5 (с диаметром отверстия2—3 мм), закрепленные в плите 2. Для лучшего распределения жидкостипластины колосников рекомендуют обтягивать тканью или мелкойметаллической сеткой. Газ выходит через расположенные в плите патрубки 6,сечение этих патрубков должно составлять не менее 40% от площади сеченияаппарата. При небольших скоростях газа его можно отводить из аппарата нижеплиты 2.Рис. 2.3. Распределители орошения в аппаратах с листовой насадкой:а—стержневой, б—колосниковый; 1 — пластины насадки, 2 - плита, 3 - стержни, 4—колосниковые решетки, 5 - ниппели, 6 - патрубки для прохода газа, 7 - зубья питателя.Аппараты с восходящим движением пленки работают используяследующее явление.