Розрахунок і проектування ректифікаційної колони

Тому  звичайно ККД визначають дослідним шляхом, для більшості тарілок він дорівнює 0,4-0,7. Відомо велику кількість різних типів тарілок: сітчасті, ковпачкові, лускаті, клапанні, жалюзійно-клапанні й ін.

У тарілчастих  ректифікаційних колонах поверхня контакту фаз утвориться в процесі  руху взаємодіючих потоків на тарілках. На рис. 2-1 показана схема роботи найбільш простої по конструкції сітчастої тарілки.

По всій площі тарілки є отвори (діаметром 2- 12 мм) для проходу пари нагору по колоні. Отвори можуть бути циліндричні (найчастіше), щілино видні, трикутні, і  т.д. З тарілки на тарілку рідина перетікає через переливні пристрої (стакани або труби). Для того, щоб на поверхні тарілки втримувався  певний шар рідини, переливний стакан виступає над тарілкою на деяку висоту. Нижній кінець його занурений у переливну  чашу, розташовану на нижче лежачій  тарілці, що створює гідравлічний затвор для проходу пари через переливний стакан. Пара проходить в отвори тарілки й потім барботує через  шар рідини на ній. При цьому відбувається масообмін між рідиною й парою. Він іде не тільки в зоні барботажу 1, але й у зонах піни 2 і бризів 3, які утворюються над барботажним шаром.

Конструкції сітчастих тарілок розрізняються  залежно від конструкції переливних пристроїв, розміру, форми й розташування отворів, способу кріплення й  установки (горизонтальні й похилі). Вони можуть застосовуватися для  ректифікації як чистих (світлих), так  і забруднених зваженими частками рідин. Для забруднених рідин  отвори робляться діаметром 8-12 мм.

 

Рис. 2-1. Схема роботи сітчастої  тарілки

 

 

На рис. 2-2 показана сітчаста тарілка для перегонки бражки. Відносний вільний перетин тарілок (сумарний перетин всіх отворів), віднесений до площі перетину колони, становить 6-9 %.

Рис.2-2. Сітчаста тарілка бражної колони великого діаметру

 

 

Рис. 2-3. Схема роботи лускатої тарілки

 

Деяким  різновидом сітчастих тарілок є лускаті тарілки (рис. 2-3), отвори яких виконані так, що потік пари проходить через тарілку під кутом менше 90° до площини тарілки з нахилом парових струменів і сторону руху рідини по тарілці.

Характерною рисою лускатих односпрямованих  тарілок є значне зниження бризо- і піновиносу при відносно високій  швидкості руху пари в колоні й  більш широкому діапазоні навантажень  при збереженні високого значення ККД  у порівнянні із сітчастими тарілками.

Останнім  часом дістають розповсюдження сітчасті (решітчасті) провальні тарілки (РПТ) без переливних пристроїв (рис. 2-4). Характерною рисою їх є збільшений вільний переріз, завдяки чому пара й рідина проходять через ті самі отвори. Вони відрізняються простотою виготовлення, здатністю самоочищатися й універсальністю застосування. У порівнянні із сітчастими тарілками вони, як і лускаті, підвищують продуктивність в 1,5-2 рази.

Конструкції РПТ (плоский диск із щілинами й без  переливних пристроїв) обумовлюють  простоту виготовлення й монтажу. Диск (плато тарілки) виготовляють із листової міді або нержавіючої сталі товщиною 3-5 мм, вільний перетин щілин 13-30 %, ширина щілин 4-6 мм. При монтажі тарілок  варто звертати увагу на горизонтальність їхньої установки; щілини на суміжних тарілках повинні розташовуватися  під кутом 90°. Для спрощення монтажу  тарілку розрізають на 2 або 4 секції й кріплять болтами до опорного кільця на обичайці.

Рис. 2-4. Решітчаста тарілка провального типу

Найбільше поширення одержали ректифікаційні колони з ковпачковими тарілками. Ковпачкові тарілки відрізняються більшою розмаїтістю форм, конструкцій, розмірів і способів кріплення ковпачків. Ковпачки можуть бути круглими, багатокутними й прямокутними.

Ковпачкові  тарілки виготовляються у двох виконаннях: багатоковпачкові (капсульні) для чистих рідин (рис. 2-5) і одноковпачкові для рідин, що містять зважені й тверді частки (рис. 2-6).

 

Рис. 2-5. Багатоковпачкова тарілка

Рис. 2-6. Одноковпачкова тарілка

1 - лоток (тарілка); 2 - ковпак; 3 - комір; 4 - переливний стакан; 5 - лійка;

6 - болти; 7 - опорна стійка; 8 - обичайка колони; 9 - люк в обичайці.

 

Багатоковпачкові  мідні тарілки з'єднуються з  обичайкою колони жорстко (за допомогою  пайки, зварювання, вальцювання), сталеві  тарілки робляться знімними, а  при діаметрі 1000 мм і більше - розбірними, що складаються з опорної рами й 2-4 секцій, як це показано на рис. 2-7. На рис. 2-8 представлений один зі способів ущільнення між тарілкою й обичайкою колони.

Багатоковпачкові  мідні тарілки виготовляються діаметром  від 400 до 2000 мм. У довідковій літературі дана характеристика нормалізованих мідних Багатоковпачкових й одноковпачкових  тарілок.

 

Рис. 2-7. Багатоковпачкова розбірна стальна тарілка

 

Рис. 2-8. Спосіб ущільнення тарілки

1-  тарілка; 2 – скоба; 3 – шпилька; 4 – притискаюче кільце;

5 – набивка; 6 – опорне  кільце.

Відносний вільний переріз багатоковпачкової  тарілки, тобто сумарний переріз  горловин всіх ковпачків, становить 9-13,5 % стосовно площі перерізу колони. Діаметр  ковпачків 80 мм; діаметр горловин 55 мм, висота горловин 38 мм, висота ковпачків 55 мм. Ковпачки на тарілці встановлюються із кроком близько 110 мм по вершинах рівносторонніх трикутників. Площа тарілки, зайнята  ковпачками (робоча площа), звичайно становить 80-82 % від загальної площі тарілки; інша площа зайнята двома сегментами переливних пристроїв. Переливання  рідини з тарілки, як правило, здійснюється через 2-3 циліндричних або один еліптичний або призматичний стакани. Відносний  переріз переливних стаканів 1,38-2,6 % від загальної площі тарілки.

Відстань  між нижньою кромкою зливальноого стакана й нижчележачою тарілкою повинен бути не менше 40 мм (для колон  діаметром менше 1 м - 25 мм), а швидкість  руху рідини в самому вузькому перерізі переливного пристрою - не більше 0,05 м/с при міжтарілочній відстані 170 мм. Зі збільшенням міжтарілочної  відстані швидкість може бути збільшена  до 0,1-0,15 м/с.

Сегменти  переливних пристроїв відділені  від робочої частини тарілки  приточною і зливальною планками. Висота приточної планки 65 мм, зливальної - 30-35 мм.

Для додання  жорсткості мідним тарілкам при діаметрі 700-1200 мм між тарілками встановлюють 1 стійку (по центрі), при діаметрі 1400-1800 мм - 5 стійок, при діаметрі 2000 мм - 7 стійок. Сітчасті тарілки, як правило, укладають  на радіальні балочки перетином 10x60 мм, які спираються на кронштейни, прикріплені до обичайки, і центральну стійку (див. рис. 2-2).

Багатоковпачкові  тарілки повинні мати не менше 3 дренажних  отворів діаметром 5-8 мм на випадок  підготовки колони до проведення ремонтних  робіт. Один отвір робиться в приточному сегменті тарілки, а два - у робочій  частині полотна тарілки. Час  стоку рідини із всіх тарілок колони можна розрахувати по формулі:

 

де N — кількість тарілок у колоні, шт.; F— площа тарілки, м²; f— площа зливальних отворів, мм²; h — висота шару рідини на тарілці, мм.

Сталеві нормалізовані багатоковпачкові тарілки  виготовляються діаметром 400-2000 мм і  більше. При діаметрі 400-800 мм їх роблять  знімними з одного диска, при діаметрі 1000 мм і більше - розбірними, що складаються  із прикріпленої до обичайки опорної  рами й 2-4 знімних секцій робочої  частини тарілки (див. рис.2-7).

Одноковпачкові  тарілки складаються з кільцевого лотка (основа тарілки) 1, ковпака 2 і коміри 4. Між основою тарілки, ковпаком і коміром робиться кільцевий зазор шириною 35 мм. Через зазор проходить пара, яка барботує через шар рідини 25—30 мм, що втримується на основі тарілки завдяки наявності знімної лійки 3 переливного стакана 6. Лійка виступає над основою тарілки на висоту 60-65 мм. Нижня кромка переливних стаканів не доходить до нижчележаої тарілки на висоту 40 мм.

Комір жорстко  кріпиться до стінки обичайки колони, а до основи тарілки - за допомогою 6-16 анкерних болтів. Ковпак також пов'язаний з основою тарілки за допомогою  анкерних болтів (4-8 шт.). Ковпак по центрі пов'язаний з опорною стійкою, що проходить по всій висоті колони.

Одноковпачкові  тарілки роблять діаметром від 800 мм до 1600 мм (не більше), тому що при  більшому діаметрі значно зменшується  периметр барботажу, що приводить до зниження ККД тарілки. В обичайці над кожною тарілкою для чищення  роблять люк діаметром 180-200 мм або  лаз (при міжтарілочній відстані 500 мм) діаметром 350-400 мм або 285x400 мм.

При виготовленні одноковпачкових тарілок з нержавіючої  сталі комір, ковпак і основа тарілки  можуть бути жорстко пов'язані з  допомогою зварювання.

 

Проміжне  положення між сітчастими й ковпачковими тарілками займають клапанні, які поширюються в останні роки. Клапанні тарілки (рис. 2-9) являють собою плоскі диски із круглими або прямокутними отворами для проходу пари. Отвори розташовані в шаховому порядку й прикриваються зверху плоскими клапанами відповідно до круглої або всієї площі тарілки. Мінімальна відстань між тарілками для жалюзійно-клапанних тарілок приймається 400 мм.

Опір  тарілки проходу пари в основному  складається із двох величин: опору  «сухої» тарілки й опору шару рідини. У першому наближенні для  сітчастих і ковпачкових тарілок  з переливними пристроями загальний  опір тарілки можна визначити  за такою залежністю:

∆p = z + (5…25) мм вод. ст., де z — глибина барботажу, мм.

Величина  додаткового члена пропорційна  навантаженню колони по рідині й парі. Більш детальні розрахунки контактних пристроїв приводяться в спеціальній  літературі.

Рис. 2-9. Клапанна тарілка і клапан

1 – фланець; 2 – обичайка; 3 – опорні балки; 4 – опорні  стійки;

5 – плато тарілки; 6 –  клапани; 7 – Ущільнення по периметру  тарілки;

8 – переливні пороги; 9 – переливний стакан.

Насадкова колона являє собою циліндр, наповнений насадкою — тілами з розвиненою поверхнею. Відомо багато різновидів насадок: різні кільця, кулі, сідла, сітки, спіралі, блоки, пакети, пластини, трубки, рейки т.д.

Пара  та рідина контактують на поверхні насадки, рухаючись протитечією. При  малій швидкості пари поверхня контакту звичайно не перевищує площі змоченої поверхні насадки, однак зі збільшенням  швидкості пари починається турбулізація потоку стікаючої рідини й поверхня контакту значно збільшується.

Для рівномірного зрошення рідиною (флегмою) поверхні насадки  у верхній частині колони встановлюють спеціальні розподільні пристрої. Додатково  розподільні пристрої

встановлюють  і по висоті шару насадки на відстані 2-2,5 діаметри колони, тому що в міру стікання рідина (флегма) потоком пари відтискується до стінок колони, що знижує ефективність її роботи.

Ефективність  насадки залежить від її типу й  розміру. Дрібна насадка має велику ефективність, але малу пропускну  здатність. Велика насадка, володіючи  більшою пропускною здатністю -  менш ефективна.

Крім  розглянутих основних типів контактних пристроїв представлені й інші (плівкові, розпилюючі, інжекційні, ротаційні  й т.д.), які не одержали застосування в практиці спиртового виробництва.

На практиці експлуатації ректифікаційних установок  можливі коливання навантаження, тому бажано, щоб контактні пристрої були по можливості менш чутливі до них, тобто були стійкі в роботі. Стійкість роботи контактних пристроїв  визначається межами зміни робочих  навантажень при збереженні заданої  ефективності. Високою стабільністю в роботі відрізняються клапанні, лускаті й ковпачкові тарілки, менш стабільні - сітчасті й найменш стабільні - ґратчасті тарілки провального  типу. Особливо чутливі до навантаження насадкові колони, оскільки зі зміною навантаження в них різко міняється  гідродинамічна обстановка й, отже, ефективність.

Час перебування робочої рідини на тарілці (у колоні) у ряді випадків є важливим показником, тому що нагромадження небажаних домішок у робочій рідині йде пропорційно часу.

Величина гідравлічного опору контактних пристроїв проходу пари визначає загальну різницю тисків по висоті колони, а в деяких випадках і величину міжтарілкової відстані. Особливо важливий цей показник для вакуумних колон, оскільки загальний перепад тиску для них досить обмежений. Найбільшим гідравлічним опором володіють ковпачкові тарілки, меншим - клапанні, лускаті й сітчасті. Насадкові колони, що працюють у плівковому режимі, мають найбільш низький опір, однак він різко зростає при високоефективному режимі емульгування.

Вартість тарілок визначається витратою матеріалу й витратами на їхнє виготовлення. Найменшу вартість звичайно мають сітчасті тарілки, особливо без зливальних пристроїв (РПТ). Клапанні тарілки приблизно в 1,5, а ковпачкові в 2 рази дорожчі сітчастих. Колони з найпоширенішою насадкою (типу кілець Рашига) дешевші тарілчастих.

При виборі типу контактних пристроїв крім їхньої пропускної здатності, ефективності, питомого знімання продукту, гідравлічного опору  й вартості необхідно також враховувати  час перебування рідини на тарілці, наявність у сировині зважених часток, можливість утворення твердих відкладень, що забивають контактні пристрої, агресивність середовища й здатність  забезпечувати оптимальні умови  роботи колони в заданому технологічному режимі.