учебник по ОПОВ

поступающего на процесс холодного газа или жидкости вдоль внутренних стенок корпуса колонны. Этот способ охлаждения стенок широко используют в колоннах синтеза аммиака или мочевины.

На рис.2.9.5. показана одна из многих конструкций колонн синтеза аммиака. Колонна синтеза аммиака является ковано-сварной. В нее вставлена насадка, состоящая из катализаторной коробки 1, теплообменника 2 и подогревателя. Катализаторная коробка с комбинированной полочной насадкой предназначена для проведения экзотермических процессов синтеза NH3.

Принципы работы колонны синтеза с комбинированной насадкой заключаются в следующем. Через верхнюю крышку колонны поступает основной поток реагирующей газовой смеси.

Двигаясь по кольцевой щели, образованной кожухом катализаторной коробки, соединенной с предварительным теплообменником и внутренней обечайкой колонны, поток направляется в межтрубное пространство теплообменника. Затем через центральную трубу нагретый газ поступает в распределительный коллектор 3 верхней катализаторной полки 7 с трубчатым теплообменником. Газовая смесь последовательно проходит через внутренние 4 и наружные 5 трубки теплообменника, в которых она нагревается за счет тепла, выделившегося в результате реакции, и поступает в катализатор, находящийся между трубками. Температурный режим на верхней трубчатой полке регулируется подачей байпасного газа 6 в коллектор 3. Выйдя из трубчатой части катализаторной коробки, газовая смесь последовательно проходит через нижерасположенные полки 8, 9, 10 с катализатором. Причем температурный режим в слое катализатора регулируется на каждой из полок подачей

байпасного газа. Выйдя из катализаторной коробки, конвертированный газ проходит трубчатую часть теплообменника 2, охлаждается и направляется в паровой котел.

Конструкция комбинированной полочной насадки объединяет положительные стороны трубчатой и полочной насадки. Она обеспечивает: высокую регулируемую температуру для интенсивного развития реакции, включение в работу нижних катализаторных слоев, возможность регулирования температурного режима по высоте всего слоя катализатора и невысокое гидравлическое сопротивление.

Рис. 2.9.5. Колонна синтеза аммиака производительностью 1600 т/сут.: 1 – катализаторная коробка; 2 – теплообменник; 3 – коллектор; 4 – внутренние трубки теплообменника; 5 – наружные трубки теплообменника; 6 – коллектор; 7 – катализаторная полка; 8, 9, 10 – полки с катализатором.

230

Кожух насадки колонны изолирован с двух сторон по всей высоте. В катализаторную коробку вмонтированы два кармана, в которые через крышку колонны вставляют термопары. Крышка колонны с корпусом уплотнена двумя прокладками на обтюраторном кольце. Катализатор в катализаторную коробку загружают при горизонтальном положении коробки через загрузочные люки. Коробка должна быть вне колонны на специальном вибрационном устройстве для плотной укладки катализатора.

2.9.3Контрольные вопросы по теме «Аппараты высокого давления»

С какой целью в промышленности используют процессы, протекающие при высоком давлении?

Назовите известные Вам промышленные процессы, требующие высокого давления.

Какие типы аппаратов высокого давления Вы знаете? В чем их отличие?

Перечислите основные части автоклавов. Назовите области их применения.

Перечислите и кратко охарактеризуйте способы изготовления корпусов колонн высокого давления.

Каким образом коррозия оказывает влияние на материал, из которого изготовлена колонна высокого давления?

Какие технологические особенности имеют колонны синтеза аммиака?

231

2.10Аппараты колонного типа

Колонные аппараты предназначены для ведения тепло-, массообменных процессов. Участвуют в качестве основного технологического оборудования в процессах: дистилляции, ректификации, абсорбции, десорбции, экстракции, охлаждения, увлажнения и очистки газов.

В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяются на:

атмосферные,

вакуумные

колонны, работающие под давлением.

Катмосферным колоннам относят колонны, в верхней части которых рабочее давление незначительно превышает атмосферное и определяется гидравлическим сопротивлением трубопроводов и аппаратуры, расположенных на потоке паров ректификата после колонны. Давление в нижней части колонны зависит в основном от гидравлического сопротивления ее внутренних устройств и может значительно превышать атмосферное.

Ввакуумных колоннах давление ниже атмосферного - создано разрежение, что позволяет снизить рабочую температуру процесса. Величина давления в колонне определяется физико-химическими свойствами разделяемых продуктов и главным образом допустимой максимальной температурой их нагрева без заметного разложения. В сланцехимической промышленности такие колонны предназначены для фракционирования суммарных сланцевых фенолов.

Вколоннах, работающих под давлением давление может значительно превышать атмосферное (1-4 МПа).

По типу внутренних контактных устройств колонные аппараты разделяются: тарельчатые, насадочные, пленочные.

Рис.2.10.1. Основные типы колонных аппаратов: 1- корпус колонны, 2- тарелка, 3- перегородка, 4- опорная решётка, 5-насадка, 6- распределительное устройство, 7- трубная решётка, 8-труба.

232

Втарельчатых аппаратах контакт между фазами происходит при

прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

Внасадочных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

Впленочной колонне фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности.

2.10.1 Тарельчатые колонны

Рис 2.10.2. Колонный аппарат тарельчатый царговый.

Таблица штуцеров: А - вход пара; Б - вход флегмы;В - вход питания; Г - выход пара; Е - выход жидкой фазы в кипятильник; И - датчик уровня; Л - датчик температуры; М- датчик давления; П - лаз; Р - дренаж; С - резервный.

1 - корпус; 2 - опора-лапа; 3 - крышка;4 - отбойник сетчатый;5- царга сепарационная;6 - тарелка;7 - камера уровнемера; 8 - опора цилиндрическая; 9 - цапфа .

Способы создания орошения в колонне

Для образования потока флегмы в верхней части колонны необходимо отводить тепло, конденсируя соответствующее количество паров. В промышленности получили применение следующие три основных способа отвода тепла:

парциальным конденсатором, холодным испаряющимся орошением и

циркуляционным неиспаряющимся орошением.

Парциальный конденсатор. Представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат, установленный горизонтально или вертикально на верху колонны.

Охлаждающим агентом является, как правило, вода или воздух. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора.

233

При парциальной конденсации принимают, что пары ректификата и флегмы находятся в равновесии, то есть парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.

Холодное испаряющееся орошение. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор. Из ёмкости часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а другая отводится как целевой продукт. Отвод тепла при помощи холодного испаряющегося орошения позволяет размещать конденсатор — холодильник на любой удобной для эксплуатации высоте колонны.

Циркуляционное (неиспаряющееся) орошение. Этот вариант отвода тепла в укрепляющей секции колонны в технологии нефтепереработки применяется для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн.

Для создания циркуляционного орошения с тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью и далее насосом возвращают на вышележащую тарелку. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, которые располагаются обычно под отбором бокового погона, или используется отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей жидкой фазы в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева исходного сырья (нефти, сланцевой смолы), выравниваются нагрузки по высоте колонны и, тем самым, увеличивается производительность колонны, и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.

Способы подвода тепла в низ колонны. Для проведения процесса ректификации необходимо в низ колонны подвести тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки колонны, испаряется, образуя необходимый для процесса ректификации встречный поток паров. В промышленности наиболее часто реализуются способы подвода тепла в следующих аппаратах: подогревателе с паровым пространством (парциальный испаритель); теплообменном аппарате без парового пространства с последующим однократным испарениям нагретого потока в низу колонны (так называемая горячая струя).

Подогреватель с паровым пространством. При подводе тепла в низ колонны кипятильником (ребойлером) осуществляется подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике, где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По

234

своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. При высокой температуре низа колонны подвод тепла через кипятильник в целом ряде случаев требует применения специальных высокотемпературных теплоносителей

Рис. 2.10.3. Подогреватель с паровым пространством 1- кожух испарителя; 2- пучок трубный U- образный; 3- стяжка; 4- трубная решётка; 5- крышка распределительной камеры; 6- опора. Ду 200для монтажа пучка; Ду4выход остатка продукта; Ду50дренаж; Ду3 – выход жидкого продукт; Ду2вход греющего пара; Ду15для манометра; Ду1выход паров продукта; Ду80для предохранительно клапана; Ду500люк; Ду50для уровнемера.

Горячая струя. Этот способ подвода тепла применяется в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями (водяной пар) не представляется возможным или целесообразным. При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны .Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны., например при перегоне нефти.

Рис.2.10.4. Схема подвода тепла в низ колонны «горячей струёй». 1- колонна, 2- трубчатая печь, 3- насос . I- кубовый остаток, II- «горячая струя», III- паро-жидкостная смесь

Термосифонные рибойлеры. На современных нефтеперерабатывающих и нефтехимических установках применяют термосифонные рибойлеры для подвода тепла в нижнюю часть фракционирующих колонн. Для обеспечения устойчивой работы термосифонного рибойлера в нижней части колонны выполнена перегородка, которая делит колонну на две части: в одной части циркуляция жидкости осуществляется вследствие разности давлений столба горячей жидкости и парожидкостной смеси, в другой поддерживается уровень жидкости, обеспечивающий нормальную работу насоса.

235

Рис.2.10.5. Термосифонный рибойлер

Жидкость, поступая из колонны в трубное пространство термосифонного рибойлера, нагревается в нижней части трубок до точки кипения. Из рибойлера парожидкостная смесь направляется в колонну под нижнюю тарелку. Для исключения влияния струи парожидкостной смеси, поступающей из рибойлера, на регулятор уровня в колонне предусмотрена наклонная сегментная перегородка.

Перегонка с водяным паром. Для создания требуемого парового потока в отгонной секции атмосферной и вакуумной колонн, а также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций на практике широко применяют перегонку с водяным перегретым паром.

При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное давление паров снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в результате она охлаждается. Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5 - 2,0 % масс, на исходное сырье. Недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:

увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;

повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;

увеличение гидравлического сопротивления и повышение давления в колонне и других аппаратах;

обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;

236

усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших количеств загрязненных сточных вод.

Выбор давления в ректификационной колонне. Выбор давления обусловлен требуемым температурным режимом в ректификационной колонне:

давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне

давление уменьшается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена.

Подбор соответствующего давления в ректификационной колонне обеспечивает такой температурный режим, при котором можно использовать дешевые и доступные хладагенты — воду и атмосферный воздух.

Увеличение температуры верха колонны при соответствующем повышении в ней давления приводит к уменьшению поверхности дефлегматора из-за роста средней разности температур между конденсирующимися парами дистиллята и охлаждающим агентом.

Вместе с тем при повышении давления в колонне увеличивается и температура кубового остатка, отбираемого из низа колонны. Это приводит к увеличению поверхности кипятильника или к необходимости применения более высокотемпературного и более дорогого теплоносителя.

Понижение давления в ректификационной колонне созданием вакуума позволяет снизить температуру в колонне, что необходимо при разделении компонентов, обладающих высокими температурами кипения или термической нестабильностью.

При выборе давления в колонне в каждом конкретном случае необходимо проводить всесторонний анализ. При этом основным критерием является обеспечение безопасного режима.

2.10.2 Классификация контактных устройств тарельчатых колонн

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями: производительностью; коэффициентом полезного действия; диапазоном рабочих нагрузок; гидравлическим сопротивлением; материалоемкостью ;простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта;возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.

При использовании того или иного типа контактных устройств учитывают как их гидродинамические и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны.

Основные принципы классификации тарелок.

237

В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать:

по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку,

по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз,

по характеру диспергирования взаимодействующих фаз,

по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость и др.

Как видно, в основу классификации положен метод организации слива. В зависимости от нагрузки по жидкости и технологического назначения колонны переток жидкости может осуществляться одним, двумя и более потоками. В пределах полотна тарелки течение жидкой фазы можно направить по горизонтальной поверхности или по слегка наклонной в сторону слива как в одном уровне, так и каскадом. При низких значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы.

Рис 2.10.6. Схемы организации движения потока жидкости на тарелках с переливными устройствами:

Контакт между жидкой и паровой фазами осуществляется главным образом по схемам перекрестного тока в тарелках с переливными устройствами или противотока в провальных тарелках.

Для повышения производительности тарелки используют прямоток, а для повышения эффективности взаимодействия фаз предпочитают перекрестный ток или противоток.

Перекрестноточные тарелки характеризуются наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами тарелок.

238

Рис. 2.10.7. Схемы движения пара и жидкости в контактной зоне тарелки

По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают:

тарелки барботажного типа;

струйного типа.

Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара. На тарелках пар (газ), диспергируясь на мелкие пузырьки и струи, с большой скоростью проходит через слой жидкости, образуя при этом пену. Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются

Рис.2.10.8. Барботажный барботажными.

режим работы тарелки

При больших скоростях пара дисперсной фазой становится жидкость, а пар - сплошной фазой. Этот режим называется струйным, а контактные устройства, основанные на этом принципе взаимодействия фаз, - струйными. При струйном режиме контакт между паром (газом) и жидкостью осуществляется в прямотоке. Для повышения общей эффективности взаимодействия контактирующих фаз прибегают к различным способам локализации (компенсации) прямотока.

Устройство барботажной тарелки. Колпачковые тарелки с капсульными колпачками до недавнего времени считались лучшими контактными устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря простоте эксплуатации и универсальности. Основной частью колпачковой тарелки является полотно тарелки с отверстиями для паровых патрубков. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм. Толщина слоя жидкости на полотне тарелки определяется высотой сливной перегородки.

При барботаже, то есть прохождении пара (газа) сквозь прорези колпачка и слой жидкости, осуществляется контакт между фазами и протекает процесс переноса низкокипящего компонета из жидкой фазы в парообразную (однократное

239