Тарелки и насадки ректификационных колонн

Типы тарелок ректификационных колонн

Контактные устройства тарельчатого типа представляют собой горизонтальные перегородки с перфорацией, обеспечивающие многоступенчатое взаимодействие паровой и жидкой фаз. Современные ректификационные установки нефтеперерабатывающих и химических производств оснащаются тарелками различных конструкций в зависимости от технологических требований процесса.

Колпачковые тарелки

Колпачковые контактные устройства характеризуются наличием специальных элементов, накрывающих патрубки для прохода паров. Пар поступает через патрубки под колпачки и барботирует через прорези в слой жидкости. Форма колпачков варьируется: круглые, прямоугольные, шестигранные, желобчатые и S-образные элементы.

Коэффициент полезного действия классических колпачковых тарелок составляет 60-80 процентов, что соответствует примерно 0,6-0,8 теоретических ступеней на одну действительную тарелку. Гидравлическое сопротивление находится в диапазоне 0,4-1,0 килопаскалей на одну тарелку в атмосферных колоннах, что является относительно высоким показателем по сравнению с клапанными и ситчатыми тарелками.

Ситчатые тарелки

Ситчатые контактные устройства представляют собой перфорированные листы с отверстиями диаметром от 0,8 до 20 миллиметров. Конфигурация отверстий может быть круглой, щелевидной или треугольной. Пар проходит через перфорацию со скоростью, достаточной для предотвращения проливания жидкости на нижележащую тарелку.

Суммарная площадь перфорации составляет 8-30 процентов от поперечного сечения колонны в зависимости от производительности по паровой фазе. Эффективность ситчатых тарелок находится в пределах 50-70 процентов, а гидравлическое сопротивление значительно ниже колпачковых - от 0,1 до 0,4 килопаскалей на одну тарелку, что делает их привлекательными для вакуумных колонн.

Клапанные тарелки

Клапанные контактные устройства оснащены подвижными элементами над перфорацией полотна тарелки. Клапаны открываются под воздействием восходящего потока пара, при этом степень открытия регулируется автоматически в зависимости от нагрузки. Конструкция клапанов может быть дисковой, прямоугольной, трапециевидной или пластинчатой.

Дисковые клапанные тарелки демонстрируют коэффициент полезного действия 70-85 процентов при гидравлическом сопротивлении 0,4-0,7 килопаскалей. Балластные клапанные тарелки, где клапаны утяжелены специальным грузом, показывают еще более высокую эффективность - до 80-100 процентов в оптимальных режимах работы.

↑ Наверх

Конструктивные особенности тарелок

Современные тарельчатые контактные устройства включают несколько функциональных элементов, каждый из которых влияет на эффективность массообменного процесса. Основными компонентами являются полотно тарелки с барботажными элементами, переливные устройства и система распределения жидкости.

Переливные устройства

Переток жидкости между тарелками организуется с помощью специальных переливных систем, состоящих из сливной перегородки и приемного кармана. Высота сливной перегородки определяет уровень жидкости на тарелке и влияет на время контакта фаз. Для высокопроизводительных колонн применяют многопоточные конструкции с двумя, тремя или четырьмя потоками жидкости.

S-образные тарелки с клапанами

Комбинированные конструкции, объединяющие S-образные элементы с клапанами прямоугольной формы, обеспечивают двухстадийную работу. При низких нагрузках пар барботирует через прорези S-образных элементов, а при увеличении скорости газа активируются клапаны. Такая схема повышает производительность колонны на 25-30 процентов при сохранении высокой эффективности разделения в широком диапазоне режимов.

Металлоемкость тарелок с S-образными элементами примерно вдвое меньше колпачковых, что снижает массу оборудования и упрощает монтаж. Гидравлическое сопротивление составляет 0,3-0,5 килопаскалей, а эффективность достигает 75-95 процентов в оптимальных условиях работы.

Решетчатые тарелки провального типа

Беспереливные контактные устройства с прямоугольными отверстиями не имеют специальных сливных систем. Избыток жидкости проливается вниз через те же отверстия, через которые поднимается пар. Производительность решетчатых тарелок в 1,5-2 раза выше колпачковых при значительно меньшей металлоемкости.

Эффективность провальных тарелок достаточно высока, однако они работают в узком диапазоне рабочих скоростей паровой фазы. Рекомендуется применять такие устройства при больших нагрузках колонны по жидкой фазе, где преимущества высокой пропускной способности компенсируют ограничения по гибкости режимов.

↑ Наверх

Классификация насадок

Насадочные контактные устройства представляют собой элементы различной формы, засыпаемые в колонну для создания развитой поверхности массообмена. Классификация насадок основывается на способе укладки и геометрии отдельных элементов. Выделяют нерегулярные насадки, загружаемые навалом, и регулярные структурированные насадки с упорядоченной геометрией.

Кольцевые насадки

Кольца Рашига являются простейшим типом насадки и представляют собой отрезки труб, у которых высота равна наружному диаметру. Типовые размеры колец варьируются от 15 до 100 миллиметров. Удельная поверхность колец Рашига размером 25 миллиметров составляет 190-230 квадратных метров на кубический метр при свободном объеме 68-73 процента.

Кольца Палля представляют собой модификацию колец Рашига с внутренними перегородками и перфорированными стенками. Наличие перфорации облегчает доступ пара внутрь элемента и увеличивает пропускную способность насадочного слоя. Удельная поверхность колец Палля размером 25 миллиметров достигает 210-250 квадратных метров на кубический метр при свободном объеме 88-92 процента.

Седлообразные насадки

Седла Берля имеют форму гиперболического параболоида и при одинаковых размерах элементов обеспечивают примерно на 25 процентов большую удельную поверхность по сравнению с кольцами Рашига. Седла характеризуются меньшим гидравлическим сопротивлением и улучшенными показателями перераспределения жидкой фазы по сечению колонны.

Седла Инталокс, поверхность которых представляет собой часть тора, проще в изготовлении и обладают большей механической прочностью по сравнению с седлами Берля. Металлические седла Инталокс образованы дугообразной отбортованной полоской с выштампованной перегородкой и отогнутыми внутрь лепестками, что обеспечивает эффективное перераспределение потоков.

Параметры эффективности насадок

Высота, эквивалентная теоретической тарелке, является основным показателем эффективности насадочных устройств. Для колец Рашига размером 50 миллиметров этот параметр составляет 550-800 миллиметров, для колец Палля 25 миллиметров - 300-450 миллиметров, а для седел Инталокс 25 миллиметров - 320-480 миллиметров.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки зависит от скорости газового потока, удельной поверхности элементов и свободного объема насадочного слоя. При орошении насадки жидкостью сопротивление возрастает вследствие частичного перекрытия сечения потоком жидкости и образования пленки на поверхности элементов.

↑ Наверх

Современные структурированные насадки

Регулярные насадки состоят из упорядоченных блоков или пакетов, образующих каналы для прохода паровой и жидкой фаз. Основными производителями структурированных насадок являются компании Sulzer, Koch, Norton и Glitsch. Российские разработки представлены насадками типа ГИПХ производства ГИПХ в Санкт-Петербурге.

Насадки Sulzer Mellapak

Структурированная насадка Mellapak производства Sulzer Chemtech изготавливается из гофрированных листов металла или проволочной сетки. Удельная поверхность различных модификаций варьируется от 450 до 750 квадратных метров на кубический метр при свободном объеме 92-97 процентов. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, составляет 150-250 миллиметров.

Гофры насадки ориентированы под углом 45 или 60 градусов к вертикальной оси колонны, что создает перекрестное движение потоков и интенсифицирует массообмен. Текстурированная поверхность листов способствует равномерному распределению жидкости и увеличивает смачиваемость насадки.

Насадки IMTP и Super Saddles

Седлообразные насадки нового поколения с перфорированными стенками обеспечивают удельную поверхность 350-500 квадратных метров на кубический метр при свободном объеме 95-98 процентов. Перфорация облегчает проникновение пара внутрь элементов и снижает гидравлическое сопротивление насадочного слоя.

Отечественные разработки

Регулярные насадки типа ГИПХ изготавливаются из проволочной сетки с толщиной проволоки 0,24-0,30 миллиметров и размером ячейки 0,4-0,5 миллиметров. Модификации ГИПХ-5 и ГИПХ-6 обеспечивают эффективность 5-6 теоретических тарелок на метр высоты, а модификации ГИПХ-8 и ГИПХ-10 для сверхчеткой ректификации - 8-10 теоретических тарелок на метр.

Диаметр пакетов насадки варьируется от 50 до 1400 миллиметров, что позволяет применять их как в лабораторных, так и в промышленных колоннах. Интенсивность массообмена российских насадок типа ГИПХ превосходит показатели зарубежных аналогов при сопоставимых геометрических характеристиках.

↑ Наверх

Критерии выбора контактных устройств

Выбор между тарельчатыми и насадочными контактными устройствами определяется комплексом технологических и экономических факторов. Основными критериями являются требуемая эффективность разделения, рабочее давление в колонне, характер разделяемой смеси и условия эксплуатации установки.

Гидравлическое сопротивление

Для процессов, протекающих при атмосферном и повышенном давлении, гидравлическое сопротивление контактных устройств не является критичным параметром. Клапанные и колпачковые тарелки с сопротивлением 0,4-0,8 килопаскалей на теоретическую тарелку успешно применяются в таких условиях.

В вакуумных колоннах определяющим фактором становится минимизация гидравлического сопротивления для поддержания требуемого разрежения. Структурированные насадки с сопротивлением 130-260 паскалей на теоретическую тарелку являются оптимальным решением для вакуумной ректификации. Ситчатые тарелки и дисковые клапаны эжекционного типа также применяются при умеренном вакууме.

Диапазон рабочих нагрузок

Клапанные тарелки демонстрируют наиболее широкий диапазон устойчивой работы, допуская изменение нагрузки по паровой фазе в 3-4 раза без существенного снижения эффективности. Колпачковые тарелки обеспечивают стабильную работу в диапазоне 2-3 кратного изменения нагрузок, что делает их подходящими для процессов с переменным режимом.

Ситчатые тарелки и нерегулярные насадки работают в более узком диапазоне нагрузок. При снижении скорости пара ниже критической величины возникает проливание жидкости через отверстия ситчатых тарелок, а при превышении допустимой скорости наблюдается захлебывание колонны.

Характер разделяемых сред

Для загрязненных сред, склонных к образованию отложений, предпочтительны колпачковые или ситчатые тарелки, которые легко поддаются очистке через люки. Тарелки обеспечивают доступ для механической очистки и промывки контактных элементов без демонтажа колонны.

Структурированные насадки чувствительны к загрязнениям и закоксовыванию, поскольку отложения на поверхности блокируют каналы для прохода фаз и резко снижают эффективность массообмена. Применение регулярных насадок рекомендуется только для чистых систем, не образующих осадков и смолистых веществ.

↑ Наверх

Эксплуатационные характеристики

Практическая эффективность контактных устройств определяется не только конструктивными параметрами, но и правильностью расчета гидравлических режимов работы колонны. Оптимальная скорость паровой фазы обеспечивает максимальную производительность при сохранении высокого коэффициента полезного действия.

Производительность колонн

Максимальная пропускная способность контактных устройств по паровой фазе выражается через фактор нагрузки, представляющий собой произведение скорости пара на корень квадратный из плотности паровой фазы. Типичные значения предельного фактора нагрузки составляют: для колпачковых тарелок 1,2-1,5, для ситчатых 1,8-2,2, для клапанных 2,0-2,5, для структурированных насадок 2,5-3,5 метров в секунду на корень из килограммов на кубический метр.

Производительность тарелок с S-образными элементами на 20-30 процентов выше колпачковых при сопоставимой эффективности разделения. Применение дисковых клапанов эжекционного типа в атмосферных колоннах позволяет увеличить производительность до 20 процентов по сравнению со стандартными клапанными тарелками.

Металлоемкость и масса оборудования

Колпачковые тарелки характеризуются наибольшей металлоемкостью среди всех типов контактных устройств. Тарелки с S-образными элементами требуют примерно в два раза меньше металла при той же площади тарелки. Ситчатые тарелки имеют минимальную металлоемкость, поскольку представляют собой перфорированный лист без дополнительных элементов.

Нерегулярные насадки занимают промежуточное положение по металлоемкости, в то время как структурированные насадки из тонколистового материала или проволочной сетки обеспечивают минимальную массу контактных устройств при максимальной удельной поверхности. Снижение металлоемкости уменьшает нагрузку на фундамент и упрощает транспортировку оборудования.

Комбинированные системы

В крупных ректификационных колоннах нефтеперерабатывающих заводов часто применяют различные типы контактных устройств в разных секциях одной колонны. Паровые и жидкостные нагрузки по высоте таких колонн различаются иногда на порядок, что обусловливает целесообразность применения тарелок разной конструкции.

В верхних секциях атмосферных колонн, где нагрузка по жидкости мала, устанавливают клапанные или ситчатые тарелки. В нижних секциях с высокой нагрузкой по жидкости применяют колпачковые тарелки или тарелки с S-образными элементами. Вакуумные секции оснащают структурированными насадками для минимизации гидравлического сопротивления.

↑ Наверх