Установка АВТ. Ение смесей и очистка продуктов типичные и широко распространенные задачи химической технологии
 Скачать 4.73 Mb.
|
|
1.5 Назначение тарелок и насадок Процессы ректификации осуществляются в специальных колонных аппаратах, внутри этих аппаратов для обеспечения хорошего контакта между жидкостью и паром применят различные контактные устройства (тарелки, насадки). Эти устройства заставляют пар многократно барбатировать через жидкость, при этом увеличивается эффективность массоо и теплообмена. В соответствии со способом обеспечения контакта различают барботажные, тарельчатые, насадочные и распылительные колонна. Конструкции тарелок весьма разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т.д. Схема взаимодействия потоков до достижения «одноразового» равновесного состояния известна как «Теоретическая тарелка» (историческое название, связанное с конструкцией контактного устройства в виде тарелки), однако точнее суть процесса определяется терминами «теоретическая ступень контакта» или «единица переноса». Назначение тарелок и насадок – развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции переливных тарелок бывают различные. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используют кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации. В тарельчатых контактных устройствах интенсификация процесса тепломассообмена между взаимодействующими жидкой и паровой фазами обеспечивается, в основном, за счет максимально возможного увеличения относительной скорости движения фаз. Предельная интенсивность процесса достигается при турбулизации двухфазной системы, однако, в традиционных конструкциях тарелок достичь турбулентного течения не удается из-за ограничений по скорости паровой фазы, обусловленных «захлебыванием» колонны и недопустимо высокими потерями давления в контактных устройствах. Средний уровень КПД тарелок, применяемых в настоящее время, составляет 50-70% Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правил, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадков, например, спирально-призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых. Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве, (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн). В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью. Например, у насадки Зульцер в 1 м3 объема площадь контакта (общая площадь насадки) достигает порядка 400…500 м2. Как в насадочных, так и в тарельчатых колонных кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создается при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имею меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн. 1.6 Принципиальное устройство тарельчатой колонны. Основные элементы аппарата Колонна для осуществления массообменных процессов (ректификация, абсорбция) – это вертикальный аппарат, высота которого значительно больше его диаметра (рис.1.5). Общий вид тарельчатой колонны   Рис. 1.5 1 - опорная обечайка; 2,4 - днища; 3 – корпус; 5 – отбойное устройство; 6 – тарелки; 7 – устройство ввода сырья; 8 – люки для обслуживания; Ж – орошение; П – пары; КО – кубовый остаток. Корпус колонны выполняют цельносварным, или в царговом исполнении (для колонн малого диаметра, работающих под давлением до 1,6 МПа). Корпус колонны закрыт эллиптическими или полусферическими (при диаметре колонны более 4м) днищами и жестко соединен с опорной обечайкой цилиндрической или конической (для колонн малого диаметра и большой высоты) формы. Опора снабжена фундаментным кольцом, которое необходимо для фиксации или крепления колонны к фундаменту. Колонна снабжена штуцерами: - для ввода сырья, для вывода получаемых продуктов (с верха колонны отводят паровой или газовый поток, из нижней части – жидкий продукт), - для подачи орошения (при ректификации) или абсорбента (при абсорбции), - для подачи потоков, необходимых для поддержания температуры куба колонны, - вспомогательными штуцерами для установки предохранительных клапанов, приборов контроля за температурой, давлением, уровнем и т.п., - люками для монтажа внутренних устройств и их обслуживания. Внутри колонного массообменного аппарата смонтированы устройства для ввода сырья, орошения (абсорбента), устройства для сепарции паро-(газо)-жидкостных потоков , контактные массообменные устройства (тарелки) различных конструкций; расстояние между тарелками зависит от типа тарелки и изменяется от 200 до 900 мм, а в месте установки люка для обслуживания это расстояние должно быть н/м 600 мм. 1.7 Классификация и конструкции тарелок Тарелки классифицируют по различным признакам: - по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку выделяют тарелки, работающие с переливными устройствами и тарелки без переточных устройств (провального типа); в первую группу можно отнести колпачковые, клананные, ситчатые тарелки и их разновидности, а во вторую – решетчатые, ситчатые волнистые, решетчатые с отогнутыми кромками щелей и др.; -по характеру взаимодействия потоков П (Г) и Ж различают тарелки барботажного и струйного типов. В тарелках барботажного тапа сплошной фазой на тарелке является жидкость, а пар или газ барботирует через слой жидкости, двигаясь в вертикальном направлении перпендикулярно направлению движения жидкости; барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях движения П или Г. В тарелках струйного типа сплошной фазой на терелке становится П или Г, а дисперсной фазой является Ж; струйный режим реализуется при больших скоростя П (Г), когда направление парового (газового) потока совпадает с направлением движения жидкости на тарелке; -в зависимости от конструкции устройства ввода П (Г) различают тарелки колпачковые, клапанные, ситчатые, язычковые, решетчатые и др. С использованием 1-го и 2-го классификационных признаков можно отметь, что первые 4 типа относятся к тарелкам, работающим с переливными устройствами, а 5 тип – к тарелкам провального типа; причем, колпачковые тарелки работают только в барботажном режиме, язычковые – только в струйном, а клапанные могут работать и в том и в другом режиме. Рассмотрим конструкции тарелок, используя 3-й классификационный признак. 1.7.1 Колпачковые тарелки В эту группу можно отнести тарелки с капсульными колпачками, с туннельными колпачками и тарелки, выполненные из S-образных элементов. Колпачковые тарелки используют в колоннах, работающих при любом давлении при небольших нагрузках по жидкости (до 40 м3 / м2 . ч). Тарелки с капсульными колпачками представляют собой диск с отверстиями, к которым приварены паровые патрубки; над патрубками установлены колпачки (диаметром от 60 до 150 мм), имеющие прорези для прохода П (Г) высотой от 15 до 30 мм. Уровень жидкости на тарелке данного типа (также как и для других тарелок, работающих с переливными устройствами) устанавливают при помощи регулируемой сливной перегородки. Преимущество тарелок данного типа – универсальность в работе, простота эксплуатации; недостатки – трудоемкость установки и регулировки колпачков. Тарелки с туннельными колпачками собирают из штампованных желобов, уложенных по ходу движения жидкости и закрытых колпачками желобообразной формы с прорезями для прохода паров. Преимущество данного типа – легкость очистки колпачков при малом их количестве на тарелке; недостаток – невысокая эффективность. Тарелки из S- образных элементов устанавливают перпендикулярно направлению движения жидкости, а сам элемент состоит из двух частей – желобчатой и колпачковой, имеющей прорези для прохода паров; элементы собирают так, что колпачковая часть предыдущего элемента закрывает желобчатую часть последующего элемента. Тарелки данного типа широко распространены благодаря низкой металлоемкости, высокой производительности и эффективности в работе (к.п.д. = 0,6-0,8). 1.7.2 Клапанные тарелки В эту группу можно отнести тарелки с дисковыми и прямоугольными клапанами, клапаны с индивидуальным и групповым балластом. Клапанные тарелки используют в колоннах, работающих при атмосферном или повышенном давлении при нагрузках по жидкости до 100 м3/ м2 . ч. Тарелки широко распространены благодаря своим преимуществам: малой металлоемкости, относительно простой конструкции, невысокой стоимости, высокой эффективности (к.п.д. равен 0,7-0,85). Основное достоинство этих тарелок по сравнению с контактными устройствами других типов – динамичный режим их работы и способность обеспечить эффективный массообмен в широком диапазоне рабочих нагрузок; это достигается за счет изменения положения клапана в отверстиях тарелки (для дисковых клапанов) при изменении нагрузки колонны по паровой фазе, или путем утяжеления клапана (для балластных). Диапазон устойчивой работы клапанных тарелок составляет 3,5. Наибольшее распространение получили тарелки с дисковыми клапанами. Клапаны диаметром 50 мм снабжены тремя направляющими разной высоты и установлены в отверстиях тарелки в шахматном порядке. Для предотвращения прилипания клапана к тарелке он снабжен упором. Важнейшим эксплуатационным показателем для клапанных тарелок является вес клапана, который должен обеспечить динамический режим работы тарелок при изменении нагрузки колонны по паровой фазе. 1.7.3 Ситчатые тарелки В эту группу входят простые ситчатые тарелки, представляющие собой перфорированный диск с отверстиями диаметром от 2 до 6 мм, расположенными на полотне тарелки в шахматном порядке, а также разновидности этих тарелок, например, ситчатая тарелка с S- образной перегородкой, ситчато-клапанная тарелка, ситчатая тарелка с просечно-вытяжными устройствами и др. Их используют в колоннах, работающих с чистыми жидкостями при любых давлениях и при соблюдении стабильного режима работы. Нагрузка по жидкости в зависимости от разновидности тарелки может изменяться от 40 до 180 м3/ м2 . ч. Преимущества тарелок – простота конструкции, малая металлоемкость, большое свободное сечение тарелки, высокая производительность по П (Г), а для последней разновидности – малое гидравлическое сопротивление и возможность использования в вакуумных колоннах . Недостатки тарелок – высокая чувствительность к точности установки и возможность забивки отверстий. 1.7.4 Решетчатые тарелки Тарелки данного типа работают без переливных устройств и являются тарелками провального типа. По конструкции – это плоский диск с выштампованными щелями прямоугольной формы (4х60 мм), диаметр которого примерно равен внутреннему диаметру колонны. Прорези тарелки работают периодически, пропуская то жидкий, то паровой поток. Тарелки данного типа используют при больших нагрузках по жидкой фазе. Преимущества тарелок – простота конструкции, малая металлоемкость, возможность работы с загрязненными средами, достаточно высокая эффективность. Недостатки – узкий диапазон устойчивой работы. 1.8 Способ проведения ректификации По способу проведения различают непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну и из колонны, непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Схема потоков для непрерывной ректификации: – полной колоны, которая состоит из двух секций – укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкости и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостной поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подается в куб колонны. Там жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (так называемый отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя ее, обогащенный легколетучими компонентами пар, поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсирует подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток). Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число – важная характеристика ректификации: чем больше R, тем больше эксплутационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, которое находится расчетным путем а предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности. Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн. При периодической ректификации, исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, емкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает так называемому режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т.д. Нужную фракцию (или фракции) отбираются в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси. 2. Технологическая часть 2.1 Описание технологической схемы установки Рассмотрим схему установки с двухкратным испарением нефти (рис1.1). Эта схема технологически гибкая и работоспособная при значительном изменении содержания бензиновых фракций и растворенных газов. Коррозионно-активные вещества удаляются в первой (отбензинивающей) колонне К-1 и основная сложная колонна (атмосферная) К-2 защищена от их воздействия. Колонна К-2 работает совместно с двумя отпарными колоннами (стриппингами К-3/1 и К-3/2) в виде дополнительных боковых погонов. Благодаря предварительному удалению в отбензинивающей колонне растворенных газов и легкого бензина в змеевиках печи, в теплообменниках не создается большого давления и основная колонна не перегружается по парам.  Потоки: 1 - сырая нефть; 2 - попутный газ; 3 - пластовая вода; 4 - товарная нефть; Оборудование: С - 1,2,3 - сепараторы; О - 1 - отстойник; П - 1 - печь; ЭГ - 1 - электродегидратор 2.2 Материальный баланс установки Составим материальный баланс установки мощностью 1,3 млн тонн в год по нефти, разгонка (ИТК) которой приведена в таблице. В отбензини-вающей колонне К-1 предусмотрим отбор фракций легкого бензина 28-1400С. В атмосферной колонне К-2 следующих фракций: тяжелого бензина 140-2000С, керосина 200-2500С, дизтоплива 250-3600С, и мазута 360-К.К. По данным таблицы находим потенциальное содержание Хн.к.-к.к. отбираемых фракций в нефти. Х110-140 =  = 2,41 %масс.х28-140 = х28-60 + х60-93 + х93-110 + х110-140 = 2,16 + 2,55 + 2,47 + 2,41 = 9,59 %масс. Х140-142 = х110-142 – х110-140 = 0,16 %масс. х195-200 =  =0,54 %масс.Х140-200 = х140-142 + х142-163 + х163-178 + х178-195 + х195-200 = 0,16 + 2,70 + 2,66 + 2,78 + 0,54 = 8,84 %масс. Х200-221 = х195-221 – х195-200 = 2,78 – 0,54 = 2,25 %масс. Х236-250 =  = 1,95 %масс.X200-250 = х200-221 + х221-236 + х236-250 =2,25 + 2,70 + 1,95 = 6,89 %масс. Х250-256 = х236-256 – х236-250 = 0,83 %масс. Х344-360 =  =2,65 %масс.Х250-360 = х250-256 + х256-275 + х275-294 + х294-308 + х308-326 + х326-344 + х344-360 = 0,83 + 2,90 + 2,82 + 2,78 + 2,70 + 2,82 + 2,65 = 17,50 %масс. Х360-362 = х344-362 – х344-360 = 2,98 – 2,65 = 0,33 %масс. X360-К.К. = х360-362 + х362-380 + х380-400 + х400-425 + х425-448 + х448-465 + х465-486 + х486-500 + остаток = 0,33 + 2,98 + 3,06 + 2,94 + 3,02 + 2,94 + 3,02 + 1,99 + 36,30 = = 56,58 %масс. Результаты расчетов заносим в табл.2.2. Принимаем на основании литературных данных долю отбора Д всех фракций (кроме мазута) от потенциала и находим их фактический отбор Ф, %масс.: Ф=Х ∙ Д Весь недобор фракций приплюсовываем к остатку – мазуту. Фактические потери примем в количестве 1%масс. Фактический отбор мазута: Ф350-К.К.=100 – 0,60- 9,49 - 8,75 - 6,75 – 16,28 - 1,0 = 57,13 %масс. Доля отбора мазута от потенциала: Д350-К.К.=57,13/56,57 = 1,01 Результаты расчетов приведены в табл.2.1. Таблица 2.1 Отбор фракций из нефти
Относительную плотность фракций определяем по правилу аддитивности:  где Хi и  i- потенциальное содержание и относительная плотность узких фракций в широкой фракции (из табл.2.1).Примем число рабочих дней в году 340 и составим материальный баланс всей установки (табл.2.2). Таблица 2.2 Материальный баланс установки
        Отсюда относительная плотность мазута  Молекулярный вес фракций определяем по формуле Воинова: М=(7К – 21,5) + (0,76-0,04К)t + (0,0003 – 0,00245)t2, где t – средняя температура кипения фракции, 0С. Определяется как среднее арифметическое между температурами начала и конца кипения фракций. К – характеризующий фактор: К=  ,где Тср – средняя температура кипения фракции, К  ,где  - температура поправки относительной плотности на 1К.Определяется по эмпирической формуле Кусакова:  Рассчитаем молекулярный вес фракции 28-1400С.  К  M28-140=(7  =95Для фракции 140-2000С:  ; К=11,92; М=143Для фракции 200-2500С  ; К=11,87; М=182Для фракции 250-3600С  ; К=11,88; М=252Для фракции 360-К.К.  ; К=11,59; М=438,75При расчете молекулярного веса мазута температуру конца кипения можно принять 6000С. Результаты расчетов приведены в таблице 2.3. На основании данных таблицы 2.2 составляем материальный баланс отбензинивающей колонны К-1(табл.2.3). Далее составляем материальный баланс атмосферной колонны К-2 (табл.2.4) Таблица 2.3 Материальный баланс колонны К-1
Таблица 2.4 Материальный баланс колонны К-2
При составлении материальных балансов колонн К-1 и К-2 все потери по установке отнесем на полуотбензиненную нефть. Относительную плотность полуотбензиненной нефти также опреде-ляем по правилу аддитивности (пренебрегая содержанием газов):   Отсюда  Выход отдельных фракций в % масс. На полуотбензиненную нефть (табл.2.4) находим по пропорции. Например для бензина D2:  масс.Для керосина R3:  %масс. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
