Конструктивні елементи барботажних та абсорбційних насадкових колон

Класифікація та конструкції колонних апаратів. Вітрове навантаження на колону і згинаючий момент. Напруження стиску в корпусі колони і умови міцності. Визначення товщини стінки корпусу за умови стійкості колової форми. Тиск на фундамент. Конструювання опорного кільця і його кріплення до фундаменту.

Колонна апаратура є одним з основних типів тепломасообмінного обладнання у системах захисту оточуючого середовища від шкідливих промислових викидів. В колонних апаратах здійснюються як технологічні процеси абсорбції та десорбції, екстракції та адсорбції, ректифікації, так і процеси уловлювання та виділення шкідливих домішок.

Визначальною характеристикою цих апаратів є стан поверхні між фазами, за яким вони поділяються на наступні групи:

- апарати з фіксованою поверхнею контакту між фазами. До них відносять плівчасті колони зі зрошуваними стінками; колони з плоско паралельними насадками; розпилювальні колони;

- апарати з поверхнею контакту, що утворюється у процесі руху потоків. Це тарілчасті та сітчасті ковпачкові колони; тарілчасті, решітчасті та сітчасті колони без патрубків для стікання рідини (так звані колони з провальними тарілками); насадкові колони; струменеві апарати;

- апарати із зовнішнім підведенням енергії. Це колони з механічними змішувачами; пульсаційні та вібраційні колони; відцентрові апарати.

До конструкції колонних апаратів ставляться наступні вимоги:

- дешевизна;

- простота в обслуговуванні;

- висока продуктивність;

- максимально розвинена поверхня контакту між фазами;

- ефективність передавання маси речовини з однієї фази до іншої;

- стабільність режиму у широкому діапазоні навантажень;

- максимальна пропускна здатність по газовій (або паровій) та рідкій фазі;

- мінімальний гідравлічний опір;

- міцність конструкції;

- великий строк служби колони.

Розглянемо основні процеси та конструкції колонних апаратів.

Абсорбцією називають процес вибіркового поглинання окремих газів або пари (собратива) з газоподібної суміші рідкими вбирачами (абсорбентами). Процес провадять у апаратах, що мають назву абсорберів. У цьому процесі відбувається перехід речовини з газової або парової фази у рідку за рахунок дифузії крізь поверхню контакту фаз. У випадку, коли процес абсорбції проходить лише за рахунок фізичного поглинання того чи іншого компонента газу або пари, його називають фізичною абсорбцією. Прикладом може служити поглинання сирого бензолу з коксового газу кам’яновугільним маслом у абсорбційній колоні бензольного відділення на коксохімічному заводі. Фізичну абсорбцію широко застосовують для поглинання добре розчинних газів, наприклад, аміаку, хлористого та фтористого водню і т.д.

При наявності хімічних реакцій між компонентом, що поглинається, та абсорбентом із утворенням нової хімічної сполуки процес називають хемосорбцією. За допомогою цього процесу з газової суміші видаляють окремі тяжко розчинні у воді (або у іншому абсорбенті) компоненти. Наприклад, очищення продуктів згоряння, що відходять з енергетичних або технологічних агрегатів, від діоксиду сірки водною промивкою потребує дуже великих витрат води у зв^/язку з низькою розчинністю SO₂ у воді і значних витрат енергії на десорбцію, яку треба проводити при температурі майже 100⁰С. Тому тут найбільш часто використовують хемосорбційні методи – вапняковий, аміачний, содовий, магнезитовий і т.д.

Фізична абсорбція є зворотнім процесом. Це означає, що за певних умов газ або пару, що були поглинені рідиною, можна видалити з абсорбента і, відповідно, відновити останній у його початковому стані. Такий процес, який називають десорбцією, використовують для багатократного використання абсорбента. Десорбцію здійснюють відганянням у потоці інертного газу, підведенням тепла до абсорбента, зниженням тиску газу над ним.

Найбільш розповсюдженими з поверхневих абсорберів є насадкові. В насадкову колону рідина надходить через розподільчі пристрої до верхньої частини апарату (рис. 27). Такими пристроями можуть бути перфоровані труби, тарілчасті розбризкувачі і т.д.

Рис. 27. Схема насадкової колони 1.Робоча камера 2.Насадка 3.Вхід пари або газу 4.Вхід рідини 5.Відбирання несконденсованої пари або газу 6.Вихід рідини 7.Розподільчі пристрої 8.Розподільча решітка 9.Колосникова решітка 10.Кришка 11.Днище 12. Опора

Для збільшення поверхні контакту між фазами на колосникові решітки насипають насадку з кілець Рашига, сталевих кульок, шматків коксу, кварцу або виконують її з дерев^/яних рейок, керамічних блоків. Насадку виконують у декілька ярусів висотою 1 ¸ 3м кожен. Між ярусами залишають вільний простір висотою 300 ¸ 500мм, у якому встановлюють розподільчі тарілки. Вони потрібні для забезпечення більш рівномірного зрошення насадки у поперечному перерізі, оскільки зрошуючи рідина при протіканні крізь насадку має тенденцію зміщуватися до стінок апарату.

Барботажні апарати мають форму високих колон. Робочий простір апарату розділений горизонтальними тарілками на низку камер. Їх використовують як для очищення газів від пилу, газових та парових домішок, так і у процесах ректифікації. Ректифікація – це процес розділення рідкої суміші на компоненти, в якому здійснюється тепломасообмін, тобто перехід речовини з рідкої фази в парову та навпаки. При ректифікації тепломасообмін здійснюється у протитоці пари і рідини, що забезпечує різні температури та нерівноважні концентрації контактуючих фаз. Рідке зрошення при ректифікації досягається шляхом конденсації деякої частини пари у спеціальному пристрої – дефлегматорі і повернення утвореної рідини – флегми у верхню частину колони. Парове зрошення здійснюється шляхом випаровування рідини у нижній частині колони. Рідина, яка стікає усередині колони з тарілки на тарілку, контактує з парою, що здіймається знизу колони. При кожному стиканні з рідиною частина пари конденсується, а рідина за рахунок тепла конденсації пари частково випаровується. Таким чином, внаслідок тепломасообмінних процесів пара при руху уверх по колоні збагачується компонентами, що мають низьку температуру кипіння, а рідина, що відводиться у нижній частині колони, містить компоненти з високою температурою кипіння.

У ковпачкових барботажних колонах кожна тарілка обладнана закритими ковпачками на патрубках, що слугують для проходу пари, і переливними трубами (рис. 28).

На тарілці підтримується шар рідини, крізь який з-під ковпачків проходить пара. Рідина стікає з однієї тарілки на іншу по переливних трубах. Нижні кінці труб занурені в рідину на нижче розташованій тарілці. Це утворює гідравлічні затвори, які перешкоджають проходу пари знизу уверх по колоні без стикання з рідиною.

Сітчасті тарілки встановлюють по висоті колони на певній відстані одна від одної (рис.29). Пара проходить уверх крізь отвори в тарілках і при цьому барботує крізь шар рідини. Товщина шару рідини визначається висотою верхніх кінців переливних труб. В умовах нормальної роботи сітчастої колони рідина не перетікає крізь отвори в тарілці, оскільки підтримується знизу тиском пари. Зі зниженням продуктивності колони, коли швидкість пари, яка здіймається, мала, рідина може частково перетікати крізь отвори тарілки і робота колони порушується, значне збільшення продуктивності по відношенню до номінальної може призвести до виносу частини рідини разом з парою у верхні камери колони та порушити технологію.

В решітчастих або провальних тарілках переливні пристрої є відсутніми, а пара, що здіймається, і рідина яка зливається, проходять крізь одні і ті ж отвори у вигляді щілин шириною 3 ¸ 4мм (рис. 30).

Рис. 28. Елемент ковпачкової колони 1.Тарілка 2.Патрубок 3.Ковпачок 4. Переливна труба

Рис. 29. Елемент сітчастої колони

Рис. 30. Елемент провальної тарілки

Відсутність переливних пристроїв значно спрощує конструкцію, але при цьому значно зменшується поверхня контакту фаз і робота колони стає дуже чутливою до коливань продуктивності.

Розрахунок товщини стінок, сферичних кришок та днищ колонних апаратів виконують звичайно за методиками розрахунку товщини відповідних елементів тонкостінних апаратів.

Особливо важливим для колонних апаратів є розрахунок їх нижньої частини. Абсорбційні башти, ректифікаційні та екстракційні колонні апарати мають велику висоту і звичайно є винесеними за межі будівлі цеху. На колону діє вітрове та сейсмічне навантаження, яке залежить від висоти, діаметру колони, коливань різних машин та механізмів, що пов^/язані з колоною (помпи, компресори і т.д.). Для стійкості знизу колони приварюють опорне кільце, за допомогою якого вона закріплюється до фундаменту (рис.31).

· · · · · · · ·

h_n

h₁

h₂

q_n

q₁

q₂

G_n

G₂

G₁

P_n

P₂

P₁

d_K

в

Рис. 31. Розрахункова схема колони

Розрахунок колони на вітрове навантаження виконується у наступному порядку.

Апарат по висоті умовно розбивають на ділянки h_i, величина яких не більше 10м. Сила ваги G_i приймається зосередженою в середині кожної і – тої ділянки. Вітрове навантаження, що є розподіленим по висоті апарату, також замінюється зосередженими силами Р_і, які прикладені до тих же точок, що і сила ваги G_i.

Нормативний швидкісний напір вітру q на відстані 10м від поверхні Землі приймають за довідковими даними у залежності від географічного району

(табл. 6). Для колон висотою більш, ніж 10м, нормативний швидкісний напір q_i або визначають інтерполяцією даних табл.. 6, або отримують, як добуток вітрового напору на висоті 10м на поправний коефіцієнт Q. Його значення при висоті Н = 20м становить Q = 1,38; при Н = 30м Q = 1,48; при Н = 50м Q = 1,82.

Таблиця 6.

Дата добавления: 2014-01-15