Технологические и гидродинамические расчеты колонных аппаратов, Харьков

Колонные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, способа осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, состояния межфазной поверхности.

По технологическому назначению аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, для ректификации газов, для моноэтаноламиновой очистки газов и пр.

По способу осуществления контакта между паром (газом) и жидкостью все аппараты можно подразделить на аппараты с непрерывной подачей обеих фаз, пульсационной и цикличной подачей. Цикличная подача состоит в том, что газ и жидкость подаются в аппарат попеременно.

По состоянию межфазной поверхности. В соответствии с этим колонные 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.

Такие аппараты представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т.д.). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи. Однако в ряде случаев активная поверхность контакта меньше геометрической поверхности.

Насадочные колонны применяются главным образом при перегонке высокоагрессивных или вязких продуктов, при необходимости иметь небольшой перепад давления или малый запас жидкости в колонне. Новые типы высокоэффективной насадки применяются также для разделения компонентов, имеющих близкие температуры кипения.

Применение насадочных колонн в настоящее время ограничено сравнительно небольшими их диаметрами (порядка 0,8—1,0 м). Подобное положение в основном объясняется тем, что в колоннах большого диаметра жидкость и газ могут двигаться через различные сечения колонны, не взаимодействуя друг с другом, и эффективность разделения при этом будет резко падать.

Насадочные колонны с высокоэффективной и сравнительно недорогой насадкой при правильной организации в них гидродинамического режима во многих случаях могут оказаться даже значительно более экономичными аппаратами, чем тарельчатые колонны.

Насадки, применяемые для заполнения насадочных аппаратов должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того, насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес.

Гидравлический режим насадочных аппаратов определяет эффективность работы насадочных аппаратов. Качественная работа достигается только при определенных соотношениях между количеством жидкости, стекающей по насадке, и скоростью газов или паров, идущих противотоком к жидкости.

Движение газа через насадку. Газ движется через насадку по извилистым каналам, образованным насадочными телами. Сечение этих каналов не постоянно по высоте аппарата и, следовательно, скорость газа также является переменной величиной. При изучении насадочных аппаратов исходят из средней скорости газа, которую находят делением объемного расхода газа на среднее сечение каналов.

При течении газа через насадки турбулизация развивается значительно раньше, чем при движении по трубам. Границе ламинарного режима соответствует Reг от 15 до 40. Полностью развитый турбулентный режим наступает при значениях Reг от 2000 до 6000. При обычно встречающихся на практике значениях Reг от 40 до 2000 движение газа соответствует переходному режиму.

Течение жидкости через насадку обычно рассматривают, как пленочное. Однако в насадочных аппаратах пленочное течение существует лишь при определенных режимах и характер его отличается от течения в пленочных аппаратах. В то время как в последних практически вся поверхность покрыта жидкой пленкой, в насадках обычно не вся поверхность насадочных тел смочена жидкостью. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью, не участвующей в общем течении жидкости.

Методики распространяются на аппараты колонного типа по ГОСТ 24305-80, ГОСТ 24306-80. Предлагаемые методы расчета на прочность предназначены для колонных аппаратов, работающих под действием внутреннего избыточного или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов, возникающих от действия ветровых нагрузок.

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения:

• поперечные сечения корпуса колонны, переменные по толщине стенки и по или диаметру; для аппаратов постоянного сечения
(по диаметру и толщине стенки) — только в месте присоединения опорной обечайки;

• поперечное сечение в месте присоединения опорной обечайки к корпусу колонны

• поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий;

• поперечное сечение в месте присоединения опорного кольца.

Расчетными сечениями колонного аппарата являются:

1) нижние поперечные сечения каждой части корпуса, имеющей разные диаметры или толщины, стенок;

2) поперечное сечение корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры;

3) сварной шов в месте присоединения обечайки опоры к корпусу;

4) поперечное сечение обечайки опоры в месте наибольших вырезов;

5) поперечное сечение основания обечайки опоры.