МАГП Вариант 1. Контрольная работа по дисциплине машины и аппараты нефтегазопереработки группа 1513 Студент
 Скачать 1.43 Mb.
|
1.2 Ректификационные колонны: их устройство и работаРектификационная колонна - вертикальный цилиндрический аппарат со сварным (или сборным) корпусом, в котором расположены массо- и теплообменные устройства (горизонтальные тарелки 2 или насадка). В нижней части колонны (рисунок 3) имеется куб 3, в котором происходит кипение кубовой жидкости. Нагревание в кубе осуществляется за счет глухого пара, находящегося в змеевике или в кожухотрубчатом подогревателе-кипятильнике. Неотъемлемой частью ректификационной колонны является дефлегматор 7, предназначенный для конденсации пара, выходящего из колонны.  1 - корпус; 2 - тарелки; 3 - куб; 4, 6 - исчерпывающая и укрепляющая части колонны; 5-питательная тарелка; 7 - дефлегматор Рисунок 3 - Схема ректификационной колонны Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Предварительно нагревается до кипения исходная смесь, подлежащая разделению. Она подается на питательную тарелку 5, которая делит колонну на две части: нижнюю (исчерпывающую) 4 и верхнюю (укрепляющую) 6. Исходная смесь с питательной тарелки стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, обедняясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. В нижней части колонны идет процесс извлечения (исчерпывания) легколетучего компонента из исходной смеси и переход его в пар. Некоторая часть готового продукта (ректификата) подается на орошение верхней части колонны. Жидкость, поступающую на орошение верха колонны и перетекающую по колонне сверху вниз, называют флегмой. Пар, взаимодействуя с флегмой на всех тарелках верхней части колонны, обогащается (укрепляется) легколетучим компонентом. Пар, выходящий из колонны, направляется в дефлегматор 7, в котором осуществляется его конденсация. Образующийся дистиллят делится на два потока: один в виде продукта направляется на дальнейшее охлаждение и на склад готовой продукции, другой направляется обратно в колонну в качестве флегмы. Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. На рисунке 4 изображена схема устройства и работы колпачковой тарелки.  1 - дно тарелки; 2-паровой патрубок; 3- колпачок; 4 - корпус колонны; 5 - сливной патрубок Рисунок 4 - Схема устройства и работы колпачковой тарелки Она имеет дно 1, герметически соединенное с корпусом колонны 4, паровые патрубки 2 и сливные патрубки 5. Паровые патрубки предназначены для пропускания поднимающихся с нижней тарелки паров. По сливным патрубкам жидкость стекает с вышележащей тарелки на нижележащую. На каждый паровой патрубок монтируется колпачок 3, с помощью которого пары направляются в жидкость, барботируют через нее, охлаждаются и частично конденсируются. Дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. Кроме того, при частичной конденсации пара выделяется тепло. За счет этого тепла жидкость на каждой тарелке кипит, образуя свои пары, которые смешиваются с парами, поступившими с нижележащей тарелки. Уровень жидкости на тарелке поддерживается с помощью сливных патрубков. Процессы, протекающие на тарелке, можно описать следующим образом (см. рис. 4). Пусть на тарелку поступают пары состава Л с нижней тарелки, а с верхней тарелки по переливной трубке стекает жидкость состава В. В результате взаимодействия пара А с жидкостью В (пар, барботируя через жидкость, частично ее испарит, а сам частично сконденсируется) образуется новый пар состава С и новая жидкость состава D, находящиеся в равновесии. В результате работы тарелки новый пар С богаче легколетучим веществом по сравнению с поступившим с нижней тарелки паром А, то есть на тарелке пар С обогатился легколетучим веществом. Новая жидкость D, наоборот, стала беднее легколетучим веществом по сравнению с поступившей с верхней тарелки жидкостью В, то есть на тарелке жидкость обедняется легколетучим и обогащается труднолетучим компонентом. Короче, работа тарелки сводится к обогащению пара и обеднению жидкости легколетучим компонентом. Тарелка, на которой достигается состояние равновесия между поднимающимися с нее парами и стекающей жидкостью, называется теоретической. В реальных условиях из-за кратковременного взаимодействия пара с жидкостью на тарелках не достигается состояние равновесия. Разделение смеси на реальной тарелке идет менее интенсивно, чем на теоретической. Поэтому для выполнения: работы одной теоретической тарелки требуется больше чем одна реальная тарелка.  1 -равновесная кривая; 2 - линия рабочих концентраций Рисунок 5 - Изображение работы ректификационной тарелки на диаграмме у-х На рисунке 5 изображена работа ректификационной тарелки с использованием диаграммы у-х. Теоретической тарелке соответствует заштрихованный прямоугольный треугольник, катетами которого являются величина приращения концентрации легколетучего компонента в паре, равная ус-yа, и величина уменьшения концентрации легколетучего компонента в жидкости, равная xB-xD. Отрезки, соответствующие указанным изменениям концентраций, сходятся на равновесной кривой. Тем самым предполагается, что фазы, покидающие тарелку, находятся в состоянии равновесия. Однако в действительности состояние равновесия не достигается, и отрезки изменения концентраций не достигают равновесной кривой. То есть рабочей (действительной) тарелке будет соответствовать меньший треугольник, чем тот, который изображен на рис. 5. 1.3 Основные гидродинамические режимы тарельчатых колонн В зависимости от фиктивной скорости движения газа можно выделить три основных режима: пузырьковый, пенный и струйный. Пузырьковый режим реализуется при малых нагрузках по газу, когда он барботирует сквозь слой жидкости на тарелке в виде отдельных пузырьков (рисунок 6а). Пенный режим устанавливается при больших расходах газа. Газ проходит в слой жидкости в виде струй, которые на некотором расстоянии от отверстий распадаются на множество мелких пузырьков с образованием пены. (рисунок 6б). В этом режиме максимальны газосодержание e и удельная поверхность контакта фаз  , отнесенная к площади рабочего сечения тарелки. Этим объясняется преимущественное использование пенного режима в качестве рабочего. Недостатком пенного режима по сравнению с пузырьковым является больший унос жидкости газовым потоком на вышерасположенные тарелки, что приводит к ее обратному перемешиванию, снижая движущуюся силу процесса.Струйный режим наблюдается при дальнейшем увеличении скорости газа, когда газовые струи проходят сквозь слой жидкости не распадаясь. При этом образуется большое количество крупных брызг и резко падает высота барботажного слоя, что приводит к уменьшению поверхности контакта фаз по сравнению с пенным режимом (рисунок 6в). Унос жидкости по сравнению с пенным режимом возрастает за счет увеличения скорости газа, но снижается за счет увеличения высоты сепарационного пространства.  а) пузырьковый; б) пенный; в) струйный. Рисунок 6 - Гидродинамические режимы работы тарельчатых аппаратов при перекрестном движении фаз Одной из характеристик работы тарелки является ее гидравлическое сопротивление, т.е. потеря давления газового потока при прохождении через орошаемую тарелку  . Обычно его рассматривают как сумму трех составляющих: сопротивления сухой тарелки  , сопротивления сил поверхностного натяжения  и гидростатического сопротивления барботажного слоя  . (1.4)Сопротивление сухой тарелки рассчитывается как обычное местное сопротивление.  (1.5)где  - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от конструкции тарелки, значения которого меняются в широком диапазоне =0.5¸5 и приводятся в справочной литературе; rг и Wотв - плотность газа и его скорость в отверстиях тарелки, соответственно.Сопротивление вызвано преодолением сил поверхностного натяжения газовым потоком и может быть найдено как (1.6)где s - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, dэ - эквивалентный диаметр отверстия. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя принимают равным его гидростатическому давлению  (1.7)где rс и rж - плотность барботажного слоя и жидкости, соответственно; hс и h0 - высота барботажного слоя и светлого слоя жидкости, соответственно; g - ускорение свободного падения. Высота светлого слоя жидкости зависит от высоты и ширины сливной перегородки, скоростей и теплофизических свойств газовой и жидкой фаз, определяется она, как правило, по эмпирическим соотношениям. Стремление уменьшить гидравлическое сопротивление колонны, складывающееся из гидравлических сопротивлений всех тарелок, обусловлено необходимостью уменьшения затрат на прокачку газа. Однако многочисленные факторы, снижающие гидравлическое сопротивление тарелки, обычно, уменьшают и эффективность ее работы. Таким образом, при проектировании тарельчатых колонн следует решать достаточно сложную задачу оптимизации. Основными геометрическими характеристиками тарелок, приводимыми в справочной литературе являются (рисунок 7): - диаметр колонны (внутренний); - свободное сечение колонны - площадь ее поперечного сечения; - периметр слива - длина сливной перегородки, через которую переливается жидкость, попадая в сливное устройство; - высота сливной перегородки - ее высота над полотном тарелки, с помощью которой регулируется уровень жидкости на тарелке; - сечение перелива - площадь сечения сливного устройства; - свободное (живое) сечение тарелки - суммарная площадь отверстий для прохода газовой фазы; - длина линии барботажа - суммарная длина рядов всех отверстий для прохода газовой фазы через тарелку; - длина пути жидкости - расстояние, которое проходит жидкость по рабочему сечению тарелки.  D - диаметр колонны; hп - высота сливной перегородки;  - периметр слива; Fс - сечение перелива; Fр - рабочее сечение тарелки;  - длина пути жидкости.Рисунок 7 - Геометрические характеристики тарелки 1.4 Устройство наиболее широко используемых в промышленности тарелок с перекрестным движением фаз Ситчатые тарелки (рисунок 8) представляют собой плиту со значительным количеством небольших отверстий диаметром 3¸8 мм.  Рисунок 8 - Ситчатые тарелки Достоинствами ситчатых тарелок являются: простота изготовления и монтажа, дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Основной недостаток ситчатых тарелок - узкий диапазон устойчивой работы. При малых скоростях газа жидкость начинает проваливаться в отверстия тарелки. Такой «провальный» режим не является рабочим для колонн со сливными устройствами. При значительном снижении расхода газа жидкость может полностью слиться с тарелок и колонну придется запускать заново. Еще одним недостатком ситчатых тарелок является их чувствительность к загрязнениям, которые могут забивать их отверстия небольшого диаметра. Колпачковые тарелки (рисунок 9) лишены недостатков ситчатых. Они представляют собой плиту с достаточно крупными отверстиями (диаметром более 30 мм), к которым приварены патрубки. Над каждым патрубком установлен колпачок диаметром 60 или 80 мм.  1 - переливная перегородка; 2 - полотно тарелки; 3 - сливная перегородка; 4 - сливная планка; 5 - колпачок; 6 - патрубок. Рисунок 9 - Устройство колпачковой тарелки: Колпачки имеют прорези, как правило, в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Газ поступает на тарелку через патрубки, а затем разбивается прорезями колпачка на множество мелких струй, проходя сквозь слой жидкости. Выступающие над поверхностью тарелки патрубки не позволяют жидкости сливаться вниз даже при малых скоростях газа, что расширяет диапазон устойчивой работы колпачковой тарелки по сравнению с ситчатой. Недостатками колпачковых тарелок являются значительные гидравлическое сопротивление, металлоемкость, сложность и стоимость изготовления. Клапанные тарелки совмещают достоинства колпачковых и ситчатых тарелок. Они выполняются в виде плит с достаточно крупными круглыми или прямоугольными отверстиями, закрытыми сверху клапанами соответствующей формы (рисунок 10, 11). В зависимости от расхода газа клапаны 1 автоматически действием собственного веса регулируют степень открытия отверстия, приподнимаясь над ним. Предельная высота подъема клапана задается ограничителем 2. Достоинством данного типа тарелок является широкий диапазон возможных изменений нагрузок по газу. При этом скорость газа в зазоре между клапанами и плоскостью тарелки остается примерно одинаковой, обеспечивая стабильность работы тарелки и малое изменение гидравлического сопротивления. В случае прекращения подачи газа клапаны закрывают отверстия и прекращают слив жидкости с тарелок. Разновидностью клапанных тарелок являются балластные, обеспечивающие еще большую равномерность их работы (рис. 11б). В них в дополнение к легкому клапану 1 над ним устанавливается более тяжелый балласт 3. При малых расходах газа поднимается только клапан, а при больших и балласт. Недостатками клапанных тарелок по сравнению с ситчатыми являются несколько большие сложность изготовления и гидравлические сопротивления при малых расходах газа.
Общим недостатком тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз является возникновение так называемого градиента уровня жидкости - разности уровней жидкости на входе и на выходе с тарелки. Этот перепад уровней обеспечивает преодоление гидравлического сопротивления жидкости при ее движении по тарелке. Вследствие различия высоты слоя жидкости на тарелке нарушается однородность ее работы. Так, например, у входа на тарелку, где уровень жидкости выше, может наблюдаться пузырьковый режим (для ситчатых даже провальный), а у выхода с тарелки - струйный. Градиент уровня жидкости пропорционален длине пути жидкости на тарелке и ее скорости. Поэтому наибольших значений градиент уровня жидкости наблюдается для тарелок большого диаметра и при больших расходах жидкости. Обычно в этих случаях используют двухпоточные тарелки, изображенные на рисунке 12. Они представляют собой чередование тарелок с боковым и центральным сливом жидкости, причем на каждой тарелке жидкость разделяется на два потока, движущихся в противоположных направлениях, указанных стрелками. Такая конструкция позволяет в два раза уменьшить как длину пути жидкости, так и ее скорость, что приводит к существенному снижению градиента уровня жидкости по сравнению с однопоточными тарелками.  Рисунок 12 - Двухпоточные тарелки с центральным (1) и боковым (2) сливом Рассмотрим устройство и работу тарелок с прямоточным движением фаз на примере пластинчатой тарелки. Пластинчатая тарелка изображена на рисунке 13 и представляет собой ряды наклонных пластин. Жидкость из гидравлического затвора 1, переливаясь через переливную перегородку 2 попадает на тарелку и , дойдя до первой щели, образованной наклонными пластинами, встречается с потоком газа (направление движения жидкости обозначено сплошными линиями, а газа - пунктирными). Газ, двигаясь с большой скоростью (15-20 м/с), увлекает жидкость, диспергирует ее в виде капель и уносит к следующей щели. Поскольку угол наклона пластин мал (»15-20°), то газожидкостная система движется практически параллельно плоскости тарелки. Такой режим работы тарелки может быть назван капельным, газовая фаза при этом является сплошной, а жидкая - дисперсной. В таком режиме работы нет необходимости поддерживать определенный уровень жидкости на тарелке и в отличие от тарелок с перекрестным движением фаз на прямоточных тарелках сливная перегородка не устанавливается. Основным преимуществом прямоточных тарелок является высокая нагрузка по газовой и жидкой фазам. При этом градиент уровня жидкости на тарелке невелик, так как жидкость движется, в основном, за счет увлечения газовым потоком, а не под действием различия собственного уровня на тарелке.  1 - гидравлический затвор; 2 – переливная перегородка; 3 - пластины; 4 - сливной карман Рисунок 13 - Пластинчатая тарелка К достоинствам пластинчатой тарелки относятся также невысокое гидравлическое сопротивление, простота изготовления, возможность работы с загрязненными жидкостями, малое обратное перемешивание при движении жидкости вдоль тарелки. Недостатками пластинчатых тарелок являются: снижение их эффективности при уменьшении нагрузок по газу и жидкости, возможность провала жидкости при малых расходах газа. |
