Обоснование выбора основного и вспомогательного оборудования для осуществления процесса или её разработка

В промышленности для проведения процесса ректификации используют два типа колонн:

тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;

насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонны.

Конструкции тарелок весьма разнообразны, часть из них стандартизована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

В тарельчатых КУ 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 КУ).

Средний уровень КПД тарелок, применяемых в настоящее время, составляет 50-70%.

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространеие в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные КУ имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, 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 КУ, 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 1м3 объема площадь контакта (общая повехность насадки) достигает порядка 400…500 м2.

Критерии сравнения контактных устройств.

При выборе того или иного типа контактного устройства (КУ) учитывают такие показатели, как:

производительность — пропускная способность;

расстояние между тарелками при отсутствии брызгопереноса с тарелки на тарелку

(высота единицы переноса для насадочных КУ);

эффективность при разных рабочих нагрузках;

диапазон рабочих нагрузок при высокой эффективности;

гидравлическое сопротивление КУ (перепад давления на КУ) в диапазоне рабочих нагрузок;

склонность КУ к засорению и к отложениям полимеризующихся жидкостей;

простота конструкции, проявляющаяся в трудоемкости изготовления, монтаже, ремонте;

металлоемкость.

Комплекс этих показателей определяет габаритно-массовые, энергетические, экономические характеристики ректификационных колонн, и, в конечном итоге, инвестиционные и эксплуатационные затраты всего производственного цикла ректификации.

Осуществлять выбор того или иного типа колонны, используя такое количество показателей - задача весьма трудоемкая. Особенно сложно производить выбор рационального типа КУ, проводя сравнение между тарельчатыми и насадочными колоннами, поскольку в литературных источниках по этим колоннам различаются и системы показателей и удельные характеристики КУ.

Мы предлагаем для качественного сравнения различных конструкций контактных устройств воспользоваться критериями, в основе которых лежит понятие единицы переноса (ЕП):

Gном — номинальная нагрузка по пару (кг/м2·час);

ВЕП — высота единицы переноса в колонне (мм);

PЕП — перепад давления на единице переноса (мбар);

МЕП — масса единицы переноса при паровой нагрузке 1кг/час (г/кг·час).

В тарельчатых колоннах обычно используется эквивалентное единице переноса понятие теоретической тарелки (ТТ):

ВЕП =НТТ = НТФ/Т, где:

НТТ — высота теоретической тарелки;

НТФ — фактическое расстояние между тарелками в колонне;

Т — КПД тарелки.

PЕП = PЕПФ/Т;

МЕП = МЕПФ/Т, где:

PЕПФ и МЕПФ — перепад давления на тарелке и масса тарелки в колонне, соответственно.

Как видно, для тарельчатых КУ величины ВЕП и PЕП практически не зависят от диаметра ректификационной колонны. Дело в том, что в КУ такого типа высота тарелки и перепад давления на ней в основном определяются паровой нагрузкой и свойствами разделяемой смеси. Слабый рост МЕП обусловлен необходимостью упрочнения конструкции тарелки с ростом ее диаметра.

В то же время габаритно-массовые характеристики насадочных КУ с ростом диаметра колонны заметно ухудшаются, что связано с использованием специальных устройств, обеспечивающих равномерное распределение флегмы по сечению колонны. Начиная с диаметра колонны 3 м габаритно-массовые параметры насадочных КУ начинают сближаться с соответствующими параметрами тарельчатых КУ.

Тем не менее, по всему комплексу критериев насадочные КУ (в частности, насадки Зульцера) имеют существенно лучшие характеристики, чем традиционные тарельчатые КУ:

по паровой нагрузке — выше на ~ 80 %;

по высоте единицы переноса— ниже в 1.5…3 раза;

по перепаду давления — меньше в 4…8 раз.

Однако следует учитывать, что насадки значительно дороже тарелок и сложнее в эксплуатации.

Регулярная насадка. Правильно уложенная насадка отличается от нерегулярной меньшим гидравлическим сопротивлением и поэтому особенно пригодна для процессов вакуумной ректификации. К недостаткам следует отнести их высокую чувствительность к равномерности орошения.

Простейшая регулярная насадка – плоскопараллельная – представляет собой пакеты, набираемые из плоских вертикальных, обычно металлических пластин толщиной 0,4-1,2 мм, расположенных параллельно с одинаковым зазором 10-20 мм. Высота пакета пластин 400-1000 мм. Наружный диаметр пакета соответствует внутреннему диаметру колонны. Для повышения равномерности распределения жидкости в колонне, пакеты устанавливают один над другим, взаимно повернутыми на угол 45-90⁰. Недостатки этой насадки: высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно низкая эффективность.

Для устранения последнего недостатка, листы плоскопараллельной насадки выполняют с рифлением или с различными турбулизирующими элементами. Так, насадка состоит из вертикальных, параллельно расположенных листов, имеющих поперечные окна с отогнутыми лепестками. Соседние по высоте лепестки отогнуты в противоположные стороны и делят колонну в продольном направлении на контактные камеры. Газ, поднимаясь по колонне, проходит через камеры, многократно меняя направление движения при ударе о лепестки. Жидкость, стекая по насадке с лепестка на лепесток, распыляется восходящим газовым потоком.Плоскопараллельная насадка применяется в колоннах больших диаметров и при больших нагрузках по пару, так как обладает большой пропускной способностью.

Реечная насадка(хордовая).
Насадка из гофрированной сетки (а) рекомендована для процессов ректификации, проводимых под вакуумом. Пакеты такой насадки высотой 150-200 мм изготовляют из тканой проволочной сетки толщиной 0,2 мм. В последнее время разработана высокоэффективная насадка «Зульцер»(б) из гофрированной сетки толщиной 0,16 мм.

Основное ее достоинство– простота изготовления, недостатки– относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.