Каскадные промывные тарелки

Лекция 2. Классификация массообменных аппаратов. Колонные массообменные аппараты для процессов ректификации и абсорбции.

Массообменные процессы характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.

1. Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т.е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жидкую. Обратный процесс - десорбция.

2. Экстракция — извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом извлекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.

3. Перегонка — разделение гомогенных жидких смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой жидкой смеси.

4. Адсорбция — поглощение компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем, т.е. процесс разделения, характеризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — десорбция — проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

5. Сушка — удаление влаги из твердых материалов, главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

6. Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация осуществляется в результате пересыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую.

7. Растворение (в системе твердое тело— жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обратный кристаллизации. Извлечение на основе избирательной растворимости одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого или выщелачиванием.

Массо-, как и теплопередача, представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. При теплопередаче обменивающиеся теплом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприкасающихся фаз. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ—жидкость или пар—жидкость, жидкость—жидкость), либо неподвижной (массопередэча с твердой фазой).

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно находится только в одной фазе, другое — только во второй фазе, а третье — переходит из одной фазы в другую и представляет собой распределяемое между фазами вещество. Первое и второе вещества являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.

К другой группе относятся процессы (например, перегонка), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.

Скорость массообменных процессов, как правило, ограничивается молекулярной диффузией. Поэтому процессы массопередачи иногда называют диффузионными процессами.

Для массообменных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

В расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают через разность концентраций.

Для проведения массообменных процессов применяют аппараты различных конструкций, но наибольшее распространение получили аппараты колонного типа.

Колонный аппарат

По типу контактных устройств различают насадочные, тарельчатые и пленочные аппараты. На рис. 1 приведены схемы аппаратов 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. 1 - Колонные аппараты основных типов

По способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара различают контактные устройства с противоточным, прямоточным и перекрестноточным движением фаз (рис. 2). Независимо от схемы движения потоков в пределах отдельного контактного устройства (контактной ступени) в целом по аппарату, как правило, осуществляется противоток пара и жидкости.

а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток.

Рис. 2. Основные схемы движения потоков пара и жидкости в контактной зоне

Выбор типа колонного аппарата определяется условиями процесса, расходами жидкости и газа, давлением, температурой, коррозионными свойствами продуктов, наличием загрязнений и т.д. Обычно для процессов ректификации применяют тарельчатые колонны, а для абсорбции – насадочные. Основные элементы тарельчатых и насадочных колонн нормализованы. Нестандартные колонные аппараты используют сравнительно редко.

Высоту и диаметр колонных аппаратов определяют на основании технологических, тепловых и гидродинамических расчетов. Обычно они представляют собой вертикальные устройства большой высоты и сравнительно малого диаметра. Колонны имеют круглую форму.

Колонны больших размеров обычно устанавливают под открытым небом. Трубопроводы, обслуживающие площадки и вспомогательное оборудование, крепятся к корпусу колонны.

На колоннах также монтируют контрольно–измерительные приборы для измерения давления, температуры, состава смеси и т.д. На линиях ввода и вывода жидкости на колонны обязательно устанавливают гидравлические затворы, препятствующие проходу газа через жидкостные патрубки. Затворы выполняют в виде U – образных участков трубопроводов или поперечных перегородок перед штуцерами.

Температурные пределы применения колонных аппаратов довольно велики: от –190⁰ в установках глубокого холода, до 350 - 400⁰ С.

Определяющей характеристикой массообменной аппаратуры является состояние межфазной поверхности. В соответствии с этим в основу классификации аппаратуры, предназначенной для проведения процессов массопередачи, положен принцип образования межфазной поверхности. Диффузионные аппараты классифицируются на группы:

1) аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта;

2) аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе движения потоков,

3) аппараты с внешним подводом энергии.

Конструкции массообменных аппаратов предъявляются следующие основные требования: дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, максимально развитая поверхность контакта между фазами и эффективность передачи массы вещества из одной фазы в другую, устойчивость режима в широком диапазоне нагрузок, максимальная пропускная способность по паровой (газовой) и жидкой фазе, минимальное гидравлическое сопротивление, прочность конструкции и долговечность.

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. В зависимости от характера диспергирования пара и жидкости различают следующие основные способы контактирования сред на тарелках:

а) барботажный, когда пар диспергируется в жидкости; на полотне тарелки образуется слой пены, в которой осуществляется массообмен между фазами;

б) струйный способ, возникает при больших скоростях пара, когда жидкость становится дисперсной фазой, а пар — сплошной; контакт между фазами осуществляется на поверхности капель и струй жидкости, движущихся в потоке пара в межтарельчатом пространстве с большой скоростью.

 

В химической и нефтеперерабатывающей промышленности находят применение тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 - 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром до 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между нами. Чем меньше расстояние, тем ниже колонна, однако при уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность переброса жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает к.п.д. установки. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок расстояния между ними принимают по табл.8.2.

Таблица 2.1 - Расстояние между тарелками.

Диаметр колонны, м	Расстояние между тарелками, мм
До 0.8 0.8 - 1.6 1.6 - 2.0 2.0 - 2.4 Более 2.4	200 - 350 350 - 400 400 - 500 500 - 600 Более 600

К тарелкам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий к.п.д. (обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром), обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малый вес и быть нечувствительными к различным осадкам и отложениям, что особенно важно при работе с загрязненными жидкостями.

Наибольшее применение находят колпачковые, ситчатые и клапанные тарелки.

Колпачковые тарелки наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства колпачка и обозначения основных размеров приведены на рисунке 3а.

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковые колонн.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобочные, S–образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции и тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки (рисунок 3б, в) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10 - 15 % площади сечения колонны. Скорость пара составляет 1,2 м/с. Клапаны изготавливают в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним (рисунок 3б) или нижним (3в) ограничителем подъема.

а) колпачковая; б) клапанная с верхним ограничителем подъема; в) клапанная с нижним ограничителем подъема; г) из S - образных элементов; д) пластинчатая; е) чешуйчатая; ж) прямоточная.

Рисунок 3 - Конструкции тарелок.

 

Тарелки, собранные из S–образных элементов (рисунок 3в), обеспечивают движение пара и гладкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения на тарелке составляет 12 - 20 % от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Чешуйчатые тарелки (рисунок 3е) подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10 % площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными (рисунок 3е вариант первый) и лепестковые (рисунок 3е вариант второй), их располагают в тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки (рисунок 3д) собраны из отдельных пластин расположенных под углом 4 - 9⁰ к горизонту. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 - 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

Тарелки провального типа

К провальным относятся тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15 - 30 %. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к.п.д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование пленки жидкости с паром, движущимися со скоростью 14 - 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30 %.

Ситчатые тарелки представляют собой лист с пробитыми в нем круглыми или щелевидными отверстиями диаметром (шириной) 3 - 10 мм (рисунок 4). Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях принимают 10 - 12 м/с. Разновидностью ситчатых тарелок являются провальные решетчатые, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу пару. Отверстия в провальных тарелках несколько крупнее, чем в ситчатых.

Весьма интересной является волнистая решетчатая тарелка. Волны придают тарелке повышенную жесткость, что дает возможность применять ее при большом диаметре колонны без опорных балок.

а) круглые; б) щелевидные; в) просеченные треугольные.

Рисунок 4 - Форма отверстий в ситчатых тарелках.

 

Ситчатые и решетчатые тарелки просты по конструкции и эффективны. Недостатком их является необходимость точного регулирования заданного режима (особенно по расходу газа) и чувствительность к осадкам и отложениям, забивающим отверстия.

 

Решетчатые тарелки провального типа целесообразно устанавливать в колонне вместе с перераспределителями жидкости, из расчета один перераспределитель через каждые 8 - 10 тарелок, при этом, чем больше диаметр колонны, тем меньше число тарелок должно быть между перераспределителями.

Высокую производительность и низкое гидравлическое сопротивление имеют также тарелки, образованные из вертикально установленных металлических полос небольшой высоты. Подобные конструкции успешно применяются в вакуумных колоннах, а также при очистке и промывке газов.

Наиболее эффективные, надежные и в то же время простые конструкции контактных устройств будут созданы путем комбинирования рассмотренных выше способов улучшения конструкций решетчатых и ситчатых тарелок провального типа и тарелок с переливами.

Каскадные промывные тарелки

Каскадные промывные тарелки различаются, во–первых, по расположению элементов (горизонтальное или наклонное) и, во–вторых, по форме выполнения самих элементов. На рисунке 5 показаны различные каскадные промышленные тарелки, применяемые в настоящее время в промышленности.

I - с горизонтальным расположением элементов; II - с наклонным расположением элементов: а) сегментные; б) типа “диск-кольцо”; в) полочные.

Рисунок 5 - Конструкции каскадных промывных тарелок.

 

Тарелки сегментные и типа "диск–кольцо" с горизонтальным расположением элементов (рисунок 5а и б) имеют отверстия для прохода жидкости диаметром мм. Размещаются отверстия в вершинах равностороннего треугольника с шагом _т ; при малом числе отверстий их располагают как можно дальше от края сегмента. Для поддержания определенного уровня жидкости тарелка имеет борт высотой 50 - 40 мм.

Свободное сечение выреза составляет не менее 30 % от площади сечения колонны. Расстояние между полками промышленных колонн должно быть не менее 400 мм.

Более сложные по конструкции полочные тарелки (рисунок 5в) применяют в случаях, когда при других тарелках требуются большие расстояния между ними. Элементы полочных тарелок не имеют отверстий, жидкость сливается с них только через зубчатые сливные планки. Для равномерной работы подобных тарелок в верхней части колонны необходимо иметь надежный распределитель жидкости. Свободное сечение для прохода пара через полочные тарелки принимается таким же, как и для других тарелок. Каскадные промывные тарелки с горизонтальным расположением элементов применяются главным образом на чистых жидкостях. В колоннах установок каталитического крекинга, где вместе с паром увлекается катализатор, применяются тарелки с наклонно расположенными элементами, которые значительно меньше засоряются и обеспечивают лучшую отмывку пара от катализаторной пыли. Для уменьшения общей высоты колонн большого диаметра вместо сегментных тарелок типа "диск–кольцо" применяют полочные тарелки.

Максимальный угол наклона элементов составляет 30⁰ . Остальные размеры принимают такими же, как и для тарелок с горизонтально расположенными элементами.

Насадочные колонны

Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции, а также очистки, охлаждения и увлажнения газов. Некоторое применение они находят и для процессов ректификации. Насадочные колонны удовлетворительно работают только при обильном и равномерном орошении насадки жидкостью. Различается два основных режима работы аппаратов: 1. Пленочный режим, при котором жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки. 2. Эмульгационный режим, когда весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами насадки барботирует газ.

а) насадочная колонна; б) колонна с насадкой, разделенной на секции.

Рисунок 6 - Типы насадочных колонн.

 

К основным элементам насадочных колонн относятся: насадка, устройства для орошения и распределения жидкости, опорные колосники и другие устройства, поддерживающие слой насадки. По способу расположения насадки по высоте аппарата колонны подразделяют на полностью насаженные (рисунок 6а), разделенные на секции (рисунок 6б) и частично насаженные (рисунок 6в).

Для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объеме; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; б) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рисунок 7), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки, изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

а) кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом); б) кольца с перегородками, правильно уложенные; в) насадка Гудлое; г) кольца Паля; д) насадка “Спрейпак”; е) седла Берля; ж) хордовая насадка; з) седла “Инталлокс”.

Рисунок 7 - Типы насадок.

 

Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15 - 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рисунок 7а). Большие кольца (размером не менее 50х50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рисунок 7б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку – регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросителя. Хордовая деревянная насадка (рисунок 7ж) обычно используется в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство– простота изготовления, недостатки– относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.

За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки (рисунок 7д), а также насадка из стеклянного волокна.

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно производительность абсорбера) и ниже ее гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличивается по сравнению с высотой аппарата, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности на садки и интенсивности массопередачи).

Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.

Основными достоинствами насадочных колонн являются: простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигается путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

Распыливающие колонные аппараты

Противоточный распыливающий абсорбер

В аппаратах этого типа тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

1 - колонна; 2 - форсунки.

Рисунок 8 - Полый распыливающий абсорбер.

Полый распыливающий абсорбер (рисунок 8) представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.

К достоинствам полых распыливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта. Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыливание жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями, необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно поверхности контакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.

Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов, так как вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициенты массоотдачи в газовой фазе в этих аппаратах достаточно высоки.

Прямоточный распыливающий абсорбер

Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимся с большой скоростью (20 - 30 м/с и более), а затем отделяется от газа в сепарационной камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури (рисунок 9), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1 трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливающимся газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.

1 - конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор; 4 - сепарационная камера.

Рисунок 9- Распыливающий абсорбер Вентури.

К распыливающим относятся также механические абсорберы в которых разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т.е. с подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью.

 

Отбойные устройства

Отбойные устройства предназначены для сепарации капель жидкости из потока пара (газа); устанавливается вверху абсорбционных колонн и в различных сечениях ректификационных колонн. Отбойные устройства, устанавливаемые вверху колонны, должны обладать высокой эффективностью сепарации и надежно работать в широком диапазоне изменения нагрузок по пару.

У некоторых ректификационных колоннах при вводе сырья в питательную секцию поток пара уносит частицы жидкости с нелетучими соединениями: смолами, золой и т.д. При наличии уноса жидкости с тарелки на тарелку нелетучие соединения будут увлекаться потоком пара и транспортироваться им вверх колонны. В итоге не летучие соединения могут попасть в дистиллят и ухудшить его качество (цвет, коксуемость, содержание золы, металлов и др.). Подобное явление наиболее часто встречается в вакуумных колоннах для перегонки мазута, особенно при работе на форсированных режимах; в некоторых случаях унос жидкости в питательной секции колонны ограничивает производительность колонны.

Отбойные устройства, устанавливаемые и питательной секции колонны, должны обеспечивать достаточно высокую эффективность сепарации, легко подвергаться чистке и ремонту.

В случае, когда колонна должна работать с большими величинами межтарельчатого уноса жидкости, равными оптимальному значению или превышающими его, можно применять межтарельчатые отбойные устройства, позволяющие создать более экономичную конструкцию колонны.

Иногда применение отбойных устройств между тарелками обусловлено спецификой работы или конструкцией колонны. Например, отбойные устройства под каждой тарелкой применяются при необходимости иметь небольшую высоту колонны (при установке колонн в помещении), в колоннах разделения воздуха, где высота колонны лимитируется поверхностью теплообмена.

К отбойным устройствам, устанавливаемым под каждой тарелкой, предъявляются следующие требования: простота конструкции, малый вес, низкая стоимость, легкость монтажа и обслуживания, малое гидравлическое сопротивление и, наконец, достаточная, но не высокая эффективность сепарации при заданных режимах работы.

Для сепарации капель жидкости из потока пара (газа) в аппаратах нефтяной и химической технологии применяют в основном отбойники ударного типа. В атмосферных и вакуумных колоннах первичной перегонки не применяют отбойники из сеток и уголков (рисунок 10а), а в абсорберах– из вертикально установленных уголков (рисунок 10б). Встречаются также отбойники с наклонно расположенными элементами (рисунок 10в). В том и другом случае жидкость из потока пара (газа) выделяется в результате соприкосновения капель с поверхностью элементов. Однако отвод отсепарированной жидкости осуществляется по–разному, что и обусловливает разную картину их работы и различные допустимые скорости движения газа. В отбойном устройстве из насадки отсепарированная жидкость стекает навстречу восходящему потоку пара, а в отбойниках из вертикально установленных пластин она стекает по элементам в специальное устройство и далее через гидрозатвор выводится из системы.

а) горизонтальные из насадки; б) из вертикально расположенных элементов; в) из наклонно расположенных элементов или из насадки.

Рисунок 10- Отбойные устройства.

 

В отбойных устройствах из насадки уносимая жидкость проникает в слой насадки и создает на ее поверхности ламинарную пленку жидкости. Эта пленка стекает на нижние элементы, образуя там крупные капли, которые отрываются и движутся навстречу потоку пара. Подобная картина сепарации жидкости наблюдается лишь до определенных значений нагрузок по пару и жидкости. Начиная с некоторой скорости пара жидкость заполняет весь объем слоя насадки и часть ее уносится с отбойника вместе с уходящим паром, т.е. возникает вторичный унос жидкости. Нагрузки, при которых еще нет вторичного уноса жидкости, считаются максимально допустимыми, поскольку им соответствует максимальная эффективность сепарации.

При нормальной работе отбойных устройств из вертикально расположенных уголков, жидкость ламинарной пленкой стекает по поверхности уголков. При достижении некоторой скорости пара движение жидкости становится волнообразным. Затем происходит срыв пленки с поверхности уголков и появляется вторичный унос жидкости, уменьшающий эффективность сепарации. Нагрузки, при которых еще нет срыва пленки жидкости, считаются максимально допустимыми, поскольку они отвечают максимальной эффективности сепарации.