CC BY
682
С. К. Чуракова (к.т.н., доц.)
Классификации контактных устройств с точки зрения организации контакта фаз
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431175, e-mail: [email protected]
S. K. Churakova
The classification of contact devices from the point view of the phases contact organisation
Ufa State Petroleum Technological Univercity 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431175, e-mail: [email protected]
Представлен анализ существующей классификации тарельчатых и насадочных контактных устройств. Предложен подход к общей классификации контактных устройств на основе организации контакта фаз, позволяющий учесть основные разновидности существующих тарельчатых и насадочных аппаратов, обосновать выбор типа контактных устройств, а так же пути совершенствования их технико-эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: классификация; контактные устройства; насадки; перекрестноточные насадки; перепад давления; ректификационная колонна; ректификация; сокращение энергозатрат; тарелки.
The analysis of existing classification disk and nozzle contact devices is carried out. The approach to the general classification of contact devices on the basis of the organisation of contact of the phases allowing to consider the basic versions existing disk and nozzle devices, to prove a choice of type of contact devices, and ways of perfection their technologic characteristics is offered.
Key words: classification; contact devices; cross-flow packed; decrease of energy; packed; plates; pressure drop; rectification column; rectification.
Ректификационные колонны, применяемые в нефтепереработке и нефтехимии, классифицируются по различным признакам: по рабочему давлению, по технологическому назначению, по способу организации контакта паровой и жидкой фаз, по типу контактных устройств, по регулируемости сечений для прохода потока паровой и жидкой фаз и т. д. Контактные устройства, по определению — это устройства, на которых реализуется процесс тепло-массообмена, следовательно, в целом они имеют одинаковые функции. Однако следует отметить, что классификация по способу организации контакта фаз, получившая широкое распространение для тарельчатых контактных устройств, на данный момент не распространена для насадочных контактных устройств. Согласно существующей классификации, тарелки делятся на противоточные, прямоточные, перекрестноточные и перекрест-но-противоточные, а насадки делятся на регулярные и нерегулярные (рис. 1) 1.
Дата поступления 25.03.11
Нерегулярные насадки представляют дискретные насадочные контактные элементы (кольца, седла и т. д.), которыми хаотично заполнен объем ректификационного пространства колонны. Регулярные насадки — это конкретно оформленные макроструктуры в виде стандартизованных пакетов из сетки, гофрированных и просечно-вытяжных листов, обеспечивающих организованную структуру взаимодействия пара и жидкости в объеме. Принятая классификация насадок учитывает лишь конструктивные особенности формирования контактного устройства и не учитывает специфику организации контакта фаз.
При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими общими требованиями 1:
а) технологическими: производитель-
ность, гидравлическое сопротивление, эффективность, диапазон рабочих нагрузок;
б) конструктивными: материалоемкость, простота конструкции, удобство изготовления, монтажа и ремонта;
* — с нерегулируемым, ** — регулируемым сечением контактирующих фаз.
Рис. 1. Существующая классификация контактных устройств массообменных процессов
в) эксплуатационными: возможность работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
Учитывая возможность применения достижений исследователей тарельчатых контактных устройств к насадкам, а также одинаковые функции контактных устройств, вполне закономерно предположить, что насадки по организации контакта фаз также должны делиться на противоточные, перекрестноточные и перекрестно-противоточные (рис. 2). Такой дополнительный подход к классификации современных насадочных контактных устройств, продиктован на данный момент практикой развития и совершенствования массообменного оборудования, поскольку насадочные колонны различных типов уже существуют, а в общую классификацию контактных устройств они не включены.
К противоточным регулярным насадкам относятся все насадки, внедряемые на данный момент в нашей стране ведущими мировыми научно-инжиниринговыми фирмами (Кох-Глитч, Зульцер, и т. д.), а также противоточ-ные насадки отечественных производителей массообменного оборудования: насадки
ВНИИНефтемаш, фирмы ОАО НПК «Кедр» и т. д. Перекрестноточные нерегулярные насадки впервые апробированы Максом Штоком в виде колец Паля, расположенных в кольцевом пространстве между двумя концентрически расположенными конструкциями из сетки, через которые в перекрестном токе проходил поток пара. Однако о внедрении и широком распространении этих аппаратов в практике нефтепереработке в литературе информация отсутствует. В нашей стране перекрестноточные насадочные колонны, оборудованные регулярной насадкой, внедрены впервые еще в 1985 г. (конструкции Уфимского нефтяного института). В настоящее время известно большое число аппаратов конструкции фирм «ВЭНТА» 3-5 и «ПЕТОН» 6, частично и полностью реконструированных с применением перекрестноточной насадки в процессах нефтепереработки, газопереработки и нефтехимии 3-6
Перекрестноточные, перекрестно-проти-воточные и противоточные вакуумные колонны приведены на рис. 3. Причем варианты «а» и «в» — это внедренные в промышленность аппараты, а вариант «б» — разработан, но вне-
Рис. 2. Классификация насадочных контактных устройств
Рис. 3. Варианты насадочных вакуумных колонн: 1 — колонны; 2 — насадки; 3 — тарелки; 4 — каплеулови-тели; 5 — распределители жидкости; 6 — сборные тарелки; I — мазут; ІІ-ІУ — боковые дистилляты; V— гудрон; УІ — парогазовая смесь на конденсацию
дрен частично, в виде зигзагообразных ректификационно-отбойных контактных устройств (конструкции ГрозНИИ 2), которые можно отнести к перекрестно-противоточным конструкциям насадочных контактных устройств. К этой же группе насадок, по нашему мнению, относятся, насадки с вертикальными решетками для аппаратов АВР 7 (рис. 4). Эти аппараты внедрены в промышленность в основном в процессах стабилизации, в отгонных секциях стабилизационных колонн, то есть в процессах
с повышенным давлением и диспропорциональными нагрузками (очень высокими жидкостными и низкими паровыми). Они работают при таких удельных нагрузках по жидкости, при которых тарельчатые контактные устройства не работоспособны, либо требуют значительного увеличения диметра аппарата. Внедрены и апробированы в условиях процессов стабилизации и газофоракционирования и перекрестноточно-противоточные контактные устройства НПП ВЭНТА 3.
Рис. 4. Конструкции аппаратов класса АВР: 1 — контактная решетка; 2 — зигзагообразная перегородка; 3 — трубка.
Контактные устройства
ПрЛТИйЛТОЧНЫе
(тарелни бв-э переливных устройств)
Решетчатые, трубчатые, дырчатые, волнистые н
ЯІ*-
Тлрвльчзггы*
Перенрёстмо-тонные (тарелки с ГЙрбЛИВНЫМИ
устройствами)
Колпачковые', СИТЧЭТЫв4, желобчатые*, Б-образные'-, КЛЯП ЯННЫЄт", клепанные трапецевидные и др.
X
Ротдрммя
Смешанный тон (перекрвстно-прямоточі&ш, трепетно-проти&отсннив)
Струйные-, ВИМрЙВЫе,
центробежные, перекрестнопрямоточные ■сляпанные", желюэийно-клапанные". пластинчатые и ДР-
Насэдочные регулярной и нерегулярной структуры
Нерегулярные
Противогочные
Кельця ■; Рашнга, Палли), сёдла (Берлп, Инталпок-с, Импуль^} и др.
Проти воточные
Глигч-Г рид, Перфор*л-Г рид, Мепэпак, Спрейпак, Гудлоу, Кедр,
ПЯКЄТНЯЙ,
рукавная и др,
Регулярные
Перекрестно-
точные
Пакетно-
рукййн.чн
(УГНТУ).. ИЗ гор. гофри ров.
ПВЛ («ВЭНТАв), из &ерг,
гофриров. П&Л, сет™
(«петон.*)
Перекрёстно-прогивоточные (смешанный ток)
Заполненный
КЙЯДрЯТ
(*ВЭНТДЧ
гофриров. вертикальные реіиатіси 4АВР;і. пачетнея с наклонными секциями (ГрааНИИ)
* — с неподвижными элементами, ** — с подвижными элементами.
Рис. 5. Общая классификация контактных устройств
Анализ работы тарельчатых и насадочных контактных устройств позволяет сформулировать общий подход к классификации контактных устройств с точки зрения организации контакта фаз, показанный на рис. 5. Такой подход к классификации контактных устройств позволяет не только учесть основные разновидности внедренных и широко распространенных тарельчатых и насадочных аппаратов, но и обосновать пути дальнейшего развития контактных устройств с точки зрения
улучшения их технико-эксплуатационных характеристик.
Общность характеристик противоточных и перекрестноточных тарельчатых и насадочных контактных устройств с точки зрения возможности регулирования удельных нагрузок представлена на рис. 6. При противоточной организации контакта фаз (противоток в целом по аппарату и противоток на каждом контактном уровне) нормальные свободные сечения контактных устройств для прохода пара и
Тарелки
Насадки
Противоточные
Без переливных устройств (провального типа) жидкость
Противоточные насадки
пар
8п=3ж - площадь для прохода пара и жидкости.
И
8п=8ж - площадь для прохода пара и жидкости.
Перекрестнот о чные
С переливными устройствами жидкость
Зп*З,
Перекрёстноточные насадки жидкость
Зп*З,
Рис. 6. Схемы организации контакта фаз в противоточнъж и перекрестноточньж контактных устройствах
жидкости совпадают. В связи с этим невозможно при помощи конструктивных решений регулировать паровые и жидкостные нагрузки независимо друг от друга.
Перекрестноточная организация контакта фаз (противоток в целом по аппарату и перекрестный ток на каждом контактном уровне) позволяет решить одну самую важную проблему: возможность независимого регулирования сечения для прохода пара и жидкости, а следовательно и возможность выбора удельных паровых и жидкостных нагрузок, то есть возможность регулирования эффективности, перепада давления и производительности одновременно. Из этой системы классификации становится, например, понятно, почему чаще применяются тарелки с переливными устройствами, и почему они имеют более широкий диапазон устойчивой работы. Перекрестноточ-
ные тарелки позволяют лучше регулировать удельные нагрузки и в более широком диапазоне сохранять высокий КПД. Перекрестноточные насадки за счет совпадения направления движения жидкости с силой тяжести наряду с хорошими тепло-массообменными характеристиками имеют более низкое гидравлическое сопротивление.
Перекрестно-противоточная и перекрестно-прямоточная организация контакта фаз (противоток в целом по аппарату и смешанный ток на каждом контактном уровне) позволяет работать при высоких паровых и очень высоких жидкостных нагрузках. Этот класс аппаратов, с точки зрения сочетания указанных требований к контактным устройствам пока мало изучен в литературе. Исследования по перепаду давления в перекрестно-противоточ-ных насадочных аппаратах показывают, что
по сравнению с типовыми противоточными и перекрестноточными насадками он выше, но ниже чем у основных представителей этого класса аппаратов, оборудованных тарелками.
Разработка единой классификации контактных устройств является первым шагом к обобщению технико-эксплуатационных характеристик тарелок и насадок с целью создания единой теории контактных устройств и обоснования путей развития энергосберегающих и энергоэффективных технологий фракционирования.
Литература
1. Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. Технология иоборудование процессов переработки нефти и газа.— С.-Пб.: Недра, 2006.— С. 411.
2. Мановян А. К. Технология первичной переработки нефти и природного газа.— М.: Химия, 2001.- С. 499.
3. Богатых К. Ф. // В сб. научн . трудов АТН РФ «Прикладная синергетика и проблемы безопасности».- 2003.- С. 18.
4. Богатых К. Ф., Нестеров И. Д., Чуракова С. К.
// В сб. научн . трудов АТН РФ «Прикладная
синергетика и проблемы безопасности».-2003.- С. 25.
5. Пилюгин В. В., Нестеров И. Д., Чуракова С. К.,
Богатых К. Ф. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т.16,
№2.- С. 43.
6. Мнушкин И. А. Рекламный проспект фирмы «ПЕТОН».
7. Лесухин С. П. Интенсификация тепломассообменных процессов в технологии промысловой подготовки нефти на основе принципа газожидкостного взаимодействия на вертикальных контактных решетках: Автореф. ... докт. техн. н.-Уфа, 2000.- С. 47.
