1

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

по дисциплине «Оборудование производства нефти и газа

перерабатывающей промышленности»

Направление 240100 (18.03.01) Химическая технология

Профиль (направленность) Технология переработки нефти и газа

2

1 Методические рекомендации

для самостоятельной работы студентов

К основным видам СРС, согласно учебной программе дисциплины

относится:

- выполнение самостоятельных заданий на практических занятиях;

;работа с учебной и справочной литературой ـ

- подготовка студентов к аудиторным занятиям и тестированию;

;выполнение тестов по темам дисциплины ـ

- выполнение контрольных работ;

- решение ситуационных профессиональных задач.

Целью изучения дисциплины получение студентами знаний в области

устройства оборудования предприятий нефтегазопереработки и нефтехимии,

навыков проектирования технологических процессов.

Задачи изучения дисциплины: - усвоение особенностей устройства и конструирования основного и

вспомогательного оборудования предприятий нефтегазопереработки и

нефтехимии;

- усвоение методов расчёта материальных балансов нефтехимических

процессов и процессов физического разделения сырья;

- усвоение методов расчёта основного и вспомогательного оборудования.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:

- особенности устройства и конструирования основного и

вспомогательного оборудования;

- методы составления материальных и тепловых балансов основных

процессов;

- методы расчёта основного и вспомогательного оборудования.

Уметь:

выполнять технологические расчёты основного оборудования; - подбирать оптимальные виды оборудования по результатам их

технологического расчёта;

- рассчитывать материальный и тепловой баланс, основные технологические

параметры установки.

Владеть: - методами технологических расчётов основного и вспомогательного

оборудования предприятий нефтегазопереработки и нефтехимии;

- навыками проектирования производственных процессов.

Знания по дисциплине необходимы для прохождения практики на

предприятиях, выполнения курсовых проектов по специальным дисциплинам,

дипломного проектирования.

3

Перечень изучаемых тем

Тема 1. Основные свойства материалов. Материалы для изготовления

нефтехимического оборудования. Определение стали. Углеродистые стали.

Ползучесть, релаксация, графитизация, межкристаллическая коррозия, тепловая

хрупкость, хладоломкость стали. Коррозионная стойкость металла. Группы

стойкости в зависимости от скорости коррозии.

Тема 2. Углеродистые стали. Углеродистые стали обыкновенного качества

и качественные углеродистые стали. Их условное обозначение. Легированные

стали. Нержавеющая сталь. Условное обозначение легированных сталей.

Плакирование металла. Чугун и цветные металлы. Химический состав чугуна.

Цветные металлы и их сплавы для изготовления оборудования. Медь, латунь,

бронза, алюминий и др. Материалы неорганического и органического

происхождения. Гуммирование.

Тема 3. Давление и температура оборудования. Рабочее давление в

аппарате, расчётное давление, условное давление. Определение расчётного

давления. Пробное гидравлическое давление. Определение пробного давления

для сварных и литых аппаратов Рабочая температура среды в аппарате.

Расчётная температура стенки аппарата.

Тема 4. Корпуса аппаратов. Корпуса аппаратов. Обечайки. Предельное

давление для сварных обечаек. Тонкостенные и толстостенные обечайки.

Условие установки колец жёсткости. Цельнокованые, штампосварные, витые,

многослойные и рулонированные толстостенные обечайки. Конические

неотбортованные, конические отбортованные и несимметричные обечайки.

Днища аппаратов. Эллиптические, полушаровыеи др.. Предельное давление и

диапазон диаметров для эллиптических днищ. Условие установки полушаровых

днищ.

Тема 5. Вырезы, люки, фланцы. Укрепление вырезов в аппаратах.

Назначение люков. Диаметр стандартных круглых люков. Виды люков.

Фланцевые соединения. Плоские приварные, цельные или приварные встык,

накидные или свободные фланцы. Условия применения разных видов фланцев.

Тема 6. Опоры аппаратов. Опоры для горизонтальных аппаратов. Опоры

для вертикальных аппаратов. Цилиндрические и конические опоры. Условия их

применения.

Тема 7. Колонны. Оборудование для массообменных процессов. Колонное

оборудование. Насадочные и тарельчатые колонны. Виды насадок.

4

Нерегулярные и регулярные насадки. Классификация тарелок. Особенности

устройства, работы и области применения тарелок разных типов.

Тема 8. Печи. Трубчатые печи. Классификация. Основные показатели

печей. Особенности устройства и расчёта. Теплообменные аппараты;

разновидности; условия применимости..

Тема 9. Трубопроводная арматура. Трубопроводная арматура. Задвижки,

вентили, краны, обратные клапаны, предохранительные клапаны. Фитинги,

компенсаторы.

Тема 10. Технологическое проектирование. Методика расчёта

материального баланса технологических установок и отдельных аппаратов.

Методика технологического расчёта основного и вспомогательного

оборудования.

Основные требования к результатам работы

Контроль результатов СРС учитывается как результат текущего контроля

знаний студента и осуществляется в пределах времени, определенного на

изучение дисциплины. Контроль может происходить в письменной, устной

или смешанной форме, с представлением издания или продукта творческой

деятельности студента. Критериями оценки результатов самостоятельной

работы студентов являются:

- уровень освоения студентам учебного материала;

- умение студента использовать теоретические знания при выполнении

практических задач;

- сформированность общеучебных умений; - обоснованность и четкость изложения ответа;

- оформление материала в соответствии с требованиями.

Список рекомендуемой литературы

Основная

1. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа : учебное

пособие / С. А. Ахметов [и др.] ; под ред. С. А. Ахметова. - СПб. : Недра,

2006. - 872 с.

2. Савченков, А.Л. Технологическая схема проекта: методические указания к

графической части курсовых и дипломных проектов студентов направления

«Химическая технология» всех форм обучения / А.Л.Савченков. – Тюмень,

ТюмГНГУ, 2012. – 32 с.

3. Агаев, В.Г. Материальный баланс химического процесса : методические

5

указания для практических занятий и контрольных работ / С.Г. Агаев, А.Н.

Халин, С.В. Гультяев, А. Л. Савченков. – 2-е изд., перераб. и дополн. –

Тюмень : издательский центр БИК ТюмГНГУ, 2012. – 28 с.

Дополнительная

1. Генкин, А.Э. Оборудование химических заводов : учебник / А.Э.

Генкин. - М. : Высшая школа, 1978. - 272 с.

2. Фарамазов, С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его

эксплуатация : учебное пособие / С.А. Фарамазов. - М. : Химия, 1984. -

328 с. Кузнецов, А.А. Расчеты процессов и аппаратов

нефтеперерабатывающей промышленности : учебное пособие / А. А.

Кузнецов, С. М. Кагерманов, Е.Н. Судаков. - Л. : Химия, 1974. - 342 с.

3. Гутник, С.П. Расчеты по технологии органического синтеза : учеб.

Пособие /С.П. Гутник, В.Е. Сосонко, В.Д. Гутман - М. : Химия, 1988. -

272 с. 4. Эмирджанов, Р.Т. Основы технологических расчетов в

нефтепереработке и нефтехимии : учебное пособие для химико-

технологических спец. вузов / Р.Т. Эмирджанов, Р.А. Лемберанский. -

М. : Химия, 1989. - 191 с.

6

2 Учебно-методические материалы

2.1 Конспект лекций

ЛЕКЦИЯ 1 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ План

1. Оборудования для разделения жидкостей и газов

2. Отстойники, фильтры

3. Центрифуги и сепараторы

4. Циклоны

Отстойники фильтры Отстойники — это аппараты, в которых равномерно распределенные в жидкой фазе твердые частицы или капельки воды постепенно осаждаются под действием собственного веса. В некоторых случаях, наоборот, взвешенные капельки всплывают, а внешняя фаза оседает (например, в нефтеловушках). Отстаивание можно осуществлять периодически и непрерывно. В первом случае процесс происходит с постепенным уплотнением осадка и осветлением жидкой фазы при одновре-менном снижении уровня раздела фаз. Этот уровень может быть ярко выражен, если скорость осаждения постоянна до момента начала уплотнения осадка. Непрерывный процесс ха-рактеризуется постоянством уровня раздела фаз, или уровня зон отстаивания. Движению осаждающихся под действием собственного веса частиц препятствуют подъемная сила внешней фазы и сопротивление среды. Подъемная сила равна весу объема внешней среды, вытесняемой частицами в процессе движения. Сопротивление среды является результатом ускоренного движения частиц и зависит от следующих факторов: скорости движения частиц в данный момент; размеров и формы частиц; вязкости внешней фазы. При малых размерах частиц и большой вязкости внешней среды, когда скорость осаждения мала, сопротивление среды определяется только силой трения частиц о жидкую фазу. Такой режим осаждения называют ламинарным. При значительных размерах частиц, больших скоростях осаждения и малой вязкости внешней среды движение сопровождается вихреобразованием, которое представляет собой основное сопротивление среды, намного превышающее сопротивление сил трения. Такой режим осаждения называют турбулентным.

7

Режим осаждения характеризуется критерием рейнольдса, определяемым по формуле. К наиболее распространенным в нефтепереработке отстойникам относятся дегидраторы горизонтальные цилиндрические аппараты, предназначенные для отделения воды взве-шенными в ней частицами грязи от поступающей на переработку нефти. В дегидраторе происходит разделение трех фаз: нефти, воды и твердого осадка. Скорость осаждения грязи больше скорости осаждения воды, поэтому она скорее достигает дна ап-парата. Чтобы осадок не оставался в аппарате долгое время и не успевал уплотниться и затвердеть, воду спускают из дегидратора возможно чаще. Удаление воды осуществляется автоматически по мере ее накопления. На отводных линиях не должно быть острых углов или поднимающихся участков. Аппарат необходимо несколько наклонить в сторону спускного штуцера, чтобы грязь сползала под действием собственного веса. Все дегидраторы работают под давлением. Они являются отстойными аппаратами полунепрерывного действия, поскольку внешняя фаза (очищенная нефть) отводится из них непрерывно, а осадок (вода и грязь) периодически. В настоящее время для очистки эмульсионных нефтей от воды применяют главным образом электродегидраторы, в которых процесс отстаивания ускоряется благодаря воздействию на эмульсию поля переменного электрического тока высокого напряжения (до 40000 В). Вследствие этого мелкие капельки воды, сливаясь, укрупняются. Осаждение укрупненных капелек происходит, как и в обычных дегидраторах, под действием разности удельных весов. Для отстаивания густых и твердых фаз применяют вертикальные отстойники с конусным днищем периодического и непрерывного действия. Из практических соображений размеры отстойников принимают следующими: высота цилиндрической части—(1 —1,5) D, конусной части — не менее 0,5 D (где D — диаметр аппарата). Аппараты периодического действия применяют для трудноразделяющихся сред, требующих продолжительного отстаивания и использования специальных коагуляторов. Их используют также, если осаждению предшествует другой процесс, осуществленный в тех же аппаратах. Примером периодически действующих вертикальных отстойников могут служить кислотные мешалки, отстойные емкости установок регенерации кислого гудрона и др. Примером аппарата непрерывного действия может служить отстойник для осаждения механических примесей (шлама). Отличительная особенность аппарата — специальное скребковое устройство, с помощью которого шлам снимается со дна емкости и выталкивается к спускному штуцеру. Фильтры Процесс фильтрации заключается в пропускании суспензии через перегородку, состоящую из фильтрующего материала и постепенно накапливающегося на его поверхности слоя осадка. В фильтрующем материале имеются поры различных размеров и формы. Жидкость проходит через поры, совершая движение по сложной траектории, обусловленной их расположением. При этом взвешенные твердые частицы задерживаются в порах соответствующих размеров, уменьшая их свободное сечение и препятствуя дальнейшему прохождению не только крупных,

8

но и более мелких частиц. Жидкость проходит сначала через слой осадка, образовавшегося на поверхности фильтрующей перегородки. По мере утолщения осадка он уплотняется, а размеры пор для прохода жидкости уменьшаются. Таким образом, в большинстве случаев фильтрация осуществляется в основном через слой осадка, поэтому фильтрат высокого качества получается только после того, как на фильтрующей перегородке образуется слой осадка определенной толщины. С увеличением слоя осадка качество фильтрата неизменно улучшается, но одновременно возрастает потеря напора при прохождении жидкости через фильтрующую перегородку. По-этому при образовании слоя осадка определенной толщины фильтрацию необходимо прекратить, а лишний слой осадка срезать и удалить с поверхности фильтрующего материала. Пропускная способность, или производительность, каждого фильтра при известном давлении перед фильтрующей перегородкой зависит от свойств суспензии, фильтрующего материала и толщины слоя осадка на нем. В качестве фильтрующих материалов применяют главным образом тканые, набивные, а также сетчатые (плетеные из проволок) и керамические фильтрующие перегородки. Выбор фильтрующего материала обусловлен его удерживающей способностью, свойствами суспензии и режимом фильтрации (давлением и температурой). На большинстве фильтров осадок промывается водой или иной жидкостью, а также просушивается воздухом, горячими газами, перегретым паром или обезвоживается путем механического отжима. продолжительность цикла фильтрации, включающего собственно фильтрацию, продувку, промывку, просушку и удаление лишнего осадка, разборку и сборку фильтра, зависит от коли-чества и свойств осадка. В зависимости от режима работы различают фильтры периодического и непрерывного действия. По способу создания движущей силы процесса фильтры делятся на работающие под давлением и вакуум-фильтры. Выбор типа фильтра и фильтрующего материала, как правило, проводится на основе экспериментальных данных или в результате специального изучения свойств суспензии, подлежащей фильтрованию. Рамные фильтр - прессы Рамный фильтр-пресс (рис.I) относится к периодически действующим фильтрам, имеет развитую поверхность фильтрации, работает под давлением. Он состоит из вертикально рас-положенных плит и заключенных между ними рам (рис. 2), сжимаемых нажимной плитой (привод ее может быть ручным, гидравлическим или электромеханическим). Плиты, рамы и нажимная плита с двух сторон опираются специальными рожками на балки, жесткость которых обеспечивается стойками и тягами, На этих жебалках закреплена упорная плита, к которой прижимается вся система, состоящая из плит, рам и нажимной плиты. Фильтрующую ткань или бумагу зажимают между рифлеными плоскостями плит и рамами. В

9

процессе формирования элементов необходимо обращать внимание на то, чтобы фильт-ровальный материал, зажатый между рамами и плитами, не имел складок. В каждом из двух верхних углов плиты и рамы имеются отверстия, которые после сборки фильтра образуют два канала, соединенных через штуцер упорной плиты с трубопроводами. Один канал предназначен для суспензии, другой для промывной жидкости. Отверстия рам проверяют специальным щупом: закупорка этих отверстий часто служит причиной поломки плит вследствие одностороннего давления. 3 12 11

Рис. 1 Рамный фильтр-пресс: 1,8 — опорные стойки; 2—7 — опорные балки со стяжками и стойками; 9 — зажимной механизм; 10 — зажимная плита; //, 12 — фильтрующие плиты и рамы; 13 — упорная плита; 14 — ступица; 15 — зажимной винт. Отверстия рам, составляющих в собранном виде общий ка-нал-для суспензии, соединены с внутренней полостью так, что суспензия поступает в пространство между двумя плитами. Пройдя через фильтрующую перегородку, жидкость стекает по каналам плит к выходному отверстию, заканчивающемуся краником.

Плиты Ткань I Рама

10

Плиты Ткань промывные Рама Суспензия Промывная

Закрыто | Открыто Пропывная вода

Рис. 2 Схема работы рамного фильтр-пресса:

а — в процессе фильтрации; б — в процессе промывки.

11

Рис.3. Автоматический камерный фильтрпресс (ФПАКМ):

1— плита; 2 — фильтрующая лента; 3 — барабан; 4 — нож для съема осадка; 5 — приемная

камера фильтрата; 6 — камера суспензии.

Осадок задерживается на поверхности фильтрующего материала и постепенно заполняет

пространство между двумя плитами. О количестве осадка судят, но давлению фильтрации,

которое не должно превышать максимально допустимого. Для этого на отводной линии насо-

са, подающего суспензию, устанавливают клапан, отключающий систему, если давление в ней

превышает допустимое йа 5-10%.

Промывку и просушку осадка проводят по схеме подачи суспензии. Под фильтр-прессном по

всей его длине установлены противни для сбора твердого осадка.

Представляют интерес автоматические камерные фильтр-прессы (ФПАКМ), многие

типоразмеры которых находят все более широкое применение в нефтеперерабатывающей и

химической промышленности. Отличительной особенностью их (рис. 3) является бесконечная

лента фильтрующего материала, которая периодически зажимается между расположенными

одна над другой горизонтальными фильтрующими плитами и освобождается при

последующем раздвижении плит. Зажатие ленты совпадает с циклом фильтрации суспензии,

промывки и просушки осадка. При раздвинутых плитах лента фильтрующего материала

приводится в движение, в процессе которого с нее специальными ножами снимается осадок

за пределами фильтрующих плит.

Листовые (пластинчатые) фильтры

Листовые фильтры также относятся к фильтрам периодического действия. Конструктивно они

сложнее, чем фильтр-прессы, но обслуживание их проще, поэтому они получили более

широкое распространение. Фильтрующими элементами в этих фильтрах являются листы

(пластины), состоящие из обводов, на которые с двух сторон натянут фильтрующий материал

(рис.4 ) поверх металлического сетчатого каркаса. Сетчатый каркас состоит из крупной сетки

(внутренний слой) и одного или двух слоев мелкой сетки. Плотность соединения обода и

12

фильтрующего материала (бельтинг, стеклоткань, сетка из цветных металлов) обеспечивается

шнуром, уложенным в специальный паз обода.

Суспензию подают под давлением снаружи листов, на поверхностях которых постепенно

накапливается осадок. Пространство между двумя фильтрующими перегородками через

щелевое отверстие на поверхности обода соединяют патрубком с коллектором для вывода

фильтрата.

Вакуум-фильтры

В большинстве вакуум-фильтров процесс фильтрации осуществляется непрерывным способом.

Исключение составляют емкостные вакуумные фильтры (путч - фильтры), предназначенные

для малых объемов суспензий.

Принципиальная схема работы вакуум-фильтра представлена на рис. 5. Горизонтальный полый

цилиндр (барабан) разделен на несколько секций внутренними продольными перегородками.

Поверхность его перфорирована и обтянута фильтрующей тканью. Часть барабана погружена в

суспензию, непрерывно подаваемую в корыто под ним. Барабан постоянно вращается.

Рис. 5. Схема работы вакуум-фильтра:

1— барабан; 2 — распределительная головка; 3 — корыто; 4 — вывод промывной жидкости; 5

— вывод фильтрата; 6 — ввод суспензии; 7 — шлама сборник; 8 — шнек; 9 — нож для съема

осадка; 10 — ввод обдувочного газа; 11 — промывной маточник.

В секции, находящиеся под вакуумом, во время погружения в суспензию через фильтрующую

перегородку засасывается фильтрат, а осадок откладывается на цилиндрической поверхности.

После выхода из суспензии поверхность, покрытая слоем осадка, попадает на участок, где

осадок осушается благодаря вакууму в секциях. Для промывки осадка на поверхность

барабана на определенном участке подается промывная жидкость, которая засасывается

внутрь секции через слой осадка. Просушенный и промытый осадок непрерывно снимается с

поверхности неподвижным ножом.

При непрерывном вращении барабана циклы повторяются в такой последовательности:

фильтрация, сушка, промывка, обдувка и съем осадка. Таким образом, в каждой секции бара-

бана периодически осуществляется фильтрация, а. Весь фильтр работает как аппарат

13

непрерывного действия, поскольку подача суспензии, отвод фильтрата и удаление лишнего

слоя осадка производятся непрерывно.

Каждая секция при движении должна последовательно соединяться с одной из четырех

неподвижных камер: для отвода фильтрата под вакуумом; для подсушки, осадка под

вакуумом, т. е. отсасывания из него остатка фильтрата; для приема промывной жидкости под

вакуумом; для подачи внутрь секции инертного газа (в случае возможного образования

взрывоопасной смеси) с целью обдувки осадка в процессе его съема вплоть до момента

погружения поверхности секции в суспензию. Такое соединение осуществляется с помощью

специального распределительного устройства золотника.

Центрифуги и сепараторы

Разделение суспензий с мелкими взвешенными твердыми частицами, а также эмульсий

проводят в центрифугах и центробежных сепараторах. Движущей силой процесса в них

независимо от способа разделения (отстаивание или фильтрация) является центробежная

сила.

Отстойные центрифуги

В одном и том же вращающемся поле центробежные силы внешней и внутренней фаз

отличаются, причем, чем больше разность между этими силами, тем интенсивнее разделение

неоднородной системы. Развиваемая во вращающемся поле движущая сила во много раз

превышает движущую силу процесса при естественном отстаивании (т. е. разность удельных

весов).

Коэффициент Кц, называемый фактором разделения, показывает, во сколько раз

центробежная сила С, возникающая при

вращении фаз разделяемой системы, больше их собственного веса

Kц=C/G (3) G=Gv2/qr (4)

где v — окружная скорость:

= rn/30 (5)

где r — радиус вращения (радиус барабана); п — частота вращения барабана, об/мин.

После подстановки значения С в уравнение (3) фактор разделения определится по формуле

14

Kц=Dn2/1800 (6)

где D — диаметр окружности вращения.

Отстойная центрифуга представляет собой аппарат, в котором находится барабан,

вращающийся с определенной скоростью. Попадая на поверхность вращающегося барабана,

суспензия вращается вместе с ним, прижимаясь к его стенкам. Барабан может иметь

различную форму (цилиндра, конуса, двух конусов, обращенных один к другому основаниями,

цилиндра с одним или двумя конусами и т. д.).

Свободная поверхность жидкости внутри барабана образует цилиндр, диаметр которого при

установившемся режиме несколько больше диаметра сносного отверстия в торце барабана

(сливного порога).

Т

Рис.6. Схема работы отстойной центрифуги:

1— кожух; 2 — ротор; 3 — вывод отстоявшейся жидкости; 4 — распределительный конус; 5 —

ввод суспензии.

Рис. 7.Схема работы фильтрующей центрифуги:

7 — кожух; 2 — ротор; 3 — отфильтрованная жидкость; 4 — фильтрующая ткань; 5 — дре-

нажная сетка; 6 — слой осадка от фильтрации; 7 — слой суспензии.

яжелая фаза суспензии под действием центробежной силы перемещается к периферии и

прижимается к стенкам барабана, образуя на них слой осадка. Отстоявшаяся жидкость по мере

вытеснения ее подаваемой в центрифугу суспензией сливается через борт верхнего торца

барабана (сливной порог). Схема работы отстойной центрифуги приведена на рис. 6

Осадок, накапливающийся на стенках барабана, состоит из скелета, образованного твердыми

частицами, и жидкости, заполняющей пустоты между этими частицами. По мере возрастания

давления мелкие частицы скелета осадка заполняют пустоты между более крупными

частицами и уплотняют осадок, вытесняя из него жидкость.

Отстойные центрифуги просты в эксплуатации. Их применяют для разделения суспензий,

15

содержащих твердые частицы диаметром 5—100 мм. Недостатком отстойного центрифугиро-

вания является отсутствие надежной промывки и просушки осадка.

Фильтрующие центрифуги

Если поверхность цилиндрического барабана центрифуги перфорирована и покрыта

фильтрующим материалом, то под действием центробежной силы фильтрат покидает

центрифугу, пройдя последовательно через слой осадка, фильтрующий материал и отверстия

на поверхности барабана. Так работает фильтрующая центрифуга, схема которой показана на

рис. 7.

В большинстве центрифуг между фильтрующим материалом и стенкой барабана укладывают

сетку из проволоки диаметром 1—1,25 мм с ячейками размером 5 мм. Сетка образует про-

странство для свободного перетопка жидкости от фильтрующей перегородки к отверстиям на

барабане и тем самым предотвращает уменьшение живого сечения фильтрующей

перегородки.

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий, содержащих твердые

частицы диаметром не менее 100 мкм. Осадок, получаемый в этих центрифугах, легко про-

сушивается и промывается в том же направлении, в каком происходит фильтрация.

Большинство центрифуг может работать и как отстойные, и как фильтрующие в зависимости от

устройства барабана и камеры для приема фильтрата (осветленной жидкости).. Исключение

составляют специальные центрифуги, в которых предусмотрена автоматическая выгрузка

осадка из барабана.

Центробежные сепараторы

Для разделения стойких нефтяных эмульсий и некоторых суспензий применяют сепараторы.

Принцип работы их заключается в разделении неоднородной системы, находящейся в поле

центробежных сил, на отдельные фазы с различным удельным весом. Это разделение в

отличие от обычного центрифугирования осуществляют в тонком слое суспензии или эмульсии

при ламинарном режиме.

На рис.8 показан сепаратор ОРТ-ЗМБ-ЛЭ-П, предназначенный для разделения нефтяной

эмульсии. Сепаратор и привод установлены на общем основании на резиновых амортизаторах.

В корпусе литой чугунной станины сепаратора на подшипниках смонтированы горизонтальный

вал привода и вертикальный вал ротора. Передача вращения от электродвигателя к

горизонтальному валу осуществляется через четырех - колодочную центробежное

фрикционную муфту, обеспечивающую плавный разгон барабана в течение примерно 10 мин.

На верхнем, конусном конце вертикального вала установлен барабан сепаратора Положение

вала и барабана по высоте регулируют винтом упора, перемещающим стакан нижнего сдво-

енного радиально-упорного подшипника. Верхняя, гибкая опора вала представляет собой

16

шарикоподшипник, заключенный в обойму, которая центрируется относительно корпуса

шестью цилиндрическими пружинами, поджатыми в обойме колпачков гайками.

Рис. 8. Общий вид сепаратора:

1— основание; 2'— станина с приводом; 3 — приемник шлама; 4 — корпус; 5 — подъемник; 6

— крышка; 7 — узел автоматизации циклов работы аппарата.

Рис. 9. Конструкция барабана сепаратора:

1 — основание; 2 — резиновое уплотнительнбе кольцо; 3 — тарелкодержатель; 4 — поршень;

5 — прокладка из маслобензойной резины; 6, 10 — затяжные кольца; 1 — разделительная

тарелка; 8 — промежуточная тарелка; 9 — крышка; 11 — гравитационное кольцо; 12 —

фиксатор.

Барабан сепаратора (рис. 9) состоит из следующих основных частей: основания, крышки,

тарелкодержателя, разделительной тарелки, пакета тарелок, запирающего поршня и затяжных

колец.

В нижней части основания барабана имеется проточка, из которой буферная жидкость через

отверстия поступает в полости под поршень и над ним. В цилиндрической части основания по

всему периметру расположены щели, через которые выгружают осадок. На основании

барабана закрепляют тарелкодержатель. Пакет тарелок устанавливают на его поверхности

посредством шпонки. Внутри тарелкодержателя имеются ребра для сообщения вращения

сепарируемой жидкости.

17

Пакет состоит из набора конических вставок (тарелок). Зазор между тарелками обеспечивается

планками, приваренными к их наружной поверхности. На наружной поверхности конусной

части разделительной тарелки имеются пазы для отсек парированной воды, а в месте

перехода конуса в цилиндр — ребра, с помощью которых вращение барабана передается вы-

ходящей жидкости.

Разделяемая эмульсия очищается от крупных механических примесей в фильтре,

установленном сбоку от сепаратора, и поступает в сепарационную камеру барабана по

каналам тарелкодержателя. В межтарелочном пространстве эмульсия разделяется на фазы с

ручным удельным весом. Легкая жидкость оттесняемая к оси барабана, скользит по верхней

поверхности нижней тарелки, затем, пройдя наружные каналы тарелкодер-жателя,

направляется в камеру для приема легкой фракции, расположенную в крышке сепаратора.

Тяжелая жидкость, прижимаемая к периферии, проходит над разделительной тарелкой через

сменную гравитационную шайбу, служащую для регулирования кольцевого зазора, и

поступает в специальную камеру, также находящуюся в крышке аппарата.

Циклоны

Отделение от потока газа взвешенных в нем твердых частиц производят главным образом в

циклонах, отличающихся простотой конструкции и обслуживания.

Циклон представляет собой заканчивающийся внизу конусом вертикальный цилиндр, внутри

которого расположена центральная выхлопная труба. Газ (воздух) с большой скоростью

поступает по тангенциальному штуцеру в пространство между конус9м и центральным

патрубком и начинает вращаться. Развиваемая при этом центробежная сила прижимает

твердые частицы к периферии цилиндра, откуда они под действием собственного веса

опускаются в конус и выводятся наружу.

Газа очищенный от твердых взвешенных частиц, уходит по центральной выхлопной трубе.

Работа циклона зависит от его диаметра и формы (соотношения размеров), определяемых

выбранной моделью аппарата. На а приведена схема наиболее часто применяемой модели

циклона. Конструктивные размеры аппарата выражены через диаметр конуса, который, в свою

очередь, обусловлен заданной производительностью циклона. Диаметр корпуса аппарата

обычно составляет менее 800 мм; при увеличении его фактор разделения уменьшается, а путь

твердой частицы до поверхности осаждения удлиняется. Если исходя из заданной

производительности требуется аппарат большого диаметра, включают параллельно несколько

циклонов диаметром до 800 мм.

Степень очистки газа в циклонах зависит от его скорости, которую принимают в пределах 15—

25 м/с. Установлено, что с возрастанием скорости до определенного значения очистка газа

улучшается.

18

Рис.10. Циклоны для улавливания пыли:

а– одиночной аппарат;

б– батарейный циклон.

Дальнейшее увеличение скорости не

приводит к повышению степени

очистки, но вызывает значительное

повышений перепада давления в

аппаратах. Чтобы избежать больших и

неоправданных энергетических затрат,

скорость газа в циклонах следует

выбирать очень рационально, учитывая также, что при высоких скоростях усиливаются

местные завихрения и, следовательно, ухудшается очистка газа.

Для повышения эффективности очистки газа при малых его скоростях применяют батарейные

циклоны, состоящие из многих параллельно работающих аппаратов небольших диаметров,

смонтированных в общем, корпусе (рис. 10, б).

Более высокая степень очистки газа от тонкодисперсной пыли достигается в электрофильтрах.

Вопросы для проверки

1. Отстойники, принцип работы 2. Дегидраторы, назначение 3. Фильтры, фильтрующие материалы 4. Рамные фильтр-прессы, устройство 5. Вакуум-фильтры и схема работы 6. Отстойная центрифуга и принцип работы 7. Центробежные сепараторы и принцип работы 8. Циклоны и принцип работы 9. Устройство циклонов 10. От каких факторов зависит работа циклонов

Лекция 2

19

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ План

1. Основы процесса электрической очистки газа

2. Устройства электрофильтров

3. Трубчатые и пластинчатые электроды

Физические основы процесса. Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа

электрическим разрядом. Если ионизированный газ поместить в электрическое поле,

образованное двумя электродами, к которым подведен постоянный электрический ток

высокого напряжения, то ионы и электроны начнут перемещаться по направлению силовых ли-

ний. Направление вектора скорости заряженных частиц будет определяться их знаком, а

скорость движения и, следовательно, кинетическая энергия — напряженностью

электрического поля. При повышении разности потенциалов между электр'одами

(напряженности электрического поля) до нескольких десятков тысяч вольт кинетическая

энергия ионов и электронов возрастает настолько, что они при своем движении, сталкиваясь с

нейтральными газовыми молекулами, будут расщеплять их на положительные ионы и

свободные электроны. Вновь образовавшиеся заряды при своем движении также ионизируют

газ. В результате образование ионов происходит лавинообразно и газ полностью

ионизируется. Такая ионизация называется ударной.

При полной ионизации газа между электродами возникают условия для электрического

разряда. С дальнейшим увеличением напряженности

электрического поля возможен проскок искр, а затем электрический пробой и короткое

замыкание электродов. Чтобы избежать этого, создают неоднородное электрическое поле

путем устройства электродов б виде проволоки, натянутой по оси трубы (рис. 11, а), или

проволоки, натянутой между параллельными пластинами (рис. 11, б). Густота силовых линий и,

следовательно, напряженность поля в этих условиях наиболее высока у провода и постепенно

убывает по мере приближения к трубе или пластине. Напряженность поля непосредственно у

трубы (пластины) является недостаточной для искрообразования и электрического пробоя.

20

Рис.11. Расположение электродов для создания неоднородного электрического поля.

При напряженности поля, достаточной для полной ионизации, между электродами возникает

коронный разряд, сопровождающийся голубовато-фиолетовым свечением, образованием

«короны» вокруг каждого провода и характерным потрескиванием. Электрод, вокруг которого

образуется «корона», носит название коронирующего электрода, а другой, противоположно

заряженный электрод, выполненный в виде трубы или пластины — осадительного электрода.

Коронирующие электроды присоединяются к отрицательному полюсу источника тока, а осади

-тельные к положительному. При этом можно использовать более высокое напряжение без

появления искрового разряда между электродами.

При возникновении «короны» образуются ионы обоих знаков и свободные электроны. Под

действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и

нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к

осадитель-ному электроду. Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками,

находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают их к осудительному

электроду. В результате частицы пыли или тумана оседают на этом электроде. Основная масса

взвешенных в газе частиц пыли или тумана приобретает отрицательный заряд вследствие того,

что более подвижные отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь из

области «короны» к осудительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно

больше вероятность их столкновения со взвешенными в газе частицами. Лишь небольшая

часть частиц пыли или тумана, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в

области «короны», оседают на коронирующем электроде. Отрицательно заряженные ионы,

частицы пыли или тумана, попадая на осудительный электрод, отдают ему свои заряды, а

затем удаляются с электрода.

Степень очистки газа в электрофильтре в значительной степени зависит от проводимости пыли.

Если частицы хорошо проводят ток, а силы адге-зии (сцепления) невелики, то заряд отдается

мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания,

21

и частица вновь может попасть в газовый поток. Это приводит к увеличению уноса пыли из

электрофильтра и понижению степени очистки. Если пыль плохо проводит ток, то она

прижимается силой поля к электроду и образует на нем плотный слой отрицательно

заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака, т. е.

противодействует основному электрическому полю. Напряжение в порах слоя осевшей пыли

может превысить критическое и вызвать коронированиегаза у осудительного электрода —

«обратную корону». Это явление значительно снижает эффективность очистки газа.

Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, ее удаляют периодическим

встряхиванием электродов или увеличивают проводимость пыли путем увлажнения газа перед

входом в электрофильтр водой, не допуская, однако, снижения температуры газа ниже его

точки росы.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается

на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, а следовательно,

снижается сила потребляемого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3—0,6 м/сек)

значительно меньше скорости ионов (60—100м/сек). При падении силы потребляемого тока

до нуля степень очистки газа резко ухудшается — происходит полное «запирание короны». В

этом случае для борьбы со снижением силы тока уменьшают концентрацию взвешенных

частиц в газе (устанавливая перед электрофильтрами дополнительную газоочистительную

аппаратуру) или снижают скорость поступающего газа, уменьшая нагрузку электр фильтра.

Частицы жидкости обладают относительно невысоким удельным электрическим

сопротивлением и обычно хорошо смачивают поверхность электрода. Поэтому они быстро -

отдают электроду свой заряд и стекают по его поверхности.

Электрофильтры работают только на постоянном токе, так как при переменном токе

заряженные частицы, испытав ряд импульсов, направляющих их то в одну, то в другую

сторону, могут быть вынесены из аппарата ранее, чем они успевают достичь поверхности

осадительного электрода.

Устройство электрофильтров. Установка для электрической очистки газов включает обычно

электрофильтр и преобразовательную подстанцию с соответствующей аппаратурой. Для

питания установки выпрямленным током высокого напряжения используют электрические

агрегаты (рис. 12), состоящие из регулятора напряжения , повысительного трансформатора 2,

преобразующего переменный ток напряжением 380/220 в в постоянный ток напряжением

100кв, и высоковольтного выпрямителя 3. После выпрямителей ток подводится к электродам 4

и 5 электрофильтра 6. Корпус электрофильтра обычно имеет прямоугольную или цилиндриче-

скую форму и изготовляется из материалов, стойких к химическому и механическому

воздействиям очищаемой среды (сталь, кирпич, железобетон и др.).

Коронирующие электроды представляют собой проволоки круглого или звездообразного

сечения или элементы с иголками, а осадительные электроды — пластины специального

профиля либо трубы круглого или шестиугольного сечения. Осадительные электроды

22

выполняют из стали и других металлов, а также графита и пластмасс. Эти электроды

присоединяют к положительному полюсу выпрямителя и заземляют, а коронирующие

изолируют и соединяют с отрицательным полюсом. Напряженность электрического поля

изменяется регулятором напряжения питания.

Электрофильтры бывают вертикальные и горизонтальные. Их часто изготовляют из нескольких

секций, что дает возможность отключать одну из них для осмотра или ремонта, не

останавливая всего электрофильтра. В некоторых случаях для повышения степени очистки газа

секции электрофильтров располагают последовательно по ходу газа и снабжают само-

стоятельным электрическим питанием. Таким образом, электрические поля создаются в

каждой секции. В зависимости от числа электрических полей эти электрофильтры называют

двупольными или многопольными.

Рис. 12. Принципиальная схема установки для электрической очистки газов:

1 — регулятор напряжения; 2 — повысительный трансформатор; 3 — высоковольтный

выпрямитель; 4 — коронирующий электрод; 5 — осади-тельный электрод; 6 — электрофильтр.

Электрофильтры делятся на сухие, в которых улавливается сухая пыль, т. е. очистка газов

происходит при температуре выше точки росы, и мокрые — для удаления пыли, увлажненной

в результате конденсации паров влаги из очищаемого газа, а также для осаждения капель и

тумана.

Конструкции сухих и мокрых электрофильтров разнообразны. Институтом «Гипрогазоочистка»

разработаны конструкции сухих электрофильтров для очистки дымовых газов (с температурой

не более 250 °С) и для очистки кислых тазов (с температурой не более 425 °С), мокрые электро-

фильтры для неагрессивных и химически агрессивных холодных и горячих газов. При очистке

агрессивных газов корпус электрофильтра футеруют изнутри кислотоупорными материалами

(кислотоупорным кирпичом), а крышки аппарата защищают листовым свинцом либо

изготовляют из ферросилида или фаолита. Коронирующие и осадительные электроды

выполняют из свинца, освинцованной стали или ферросилида.

23

Для очистки промышленных газов в химической промышленности применяют однозонные

электрофильтры, в которых процессы ионизации газа и осаждения частиц пыли происходят в

одном и том же электрическом поле. Для тонкой очистки вентиляционного воздуха

используют двухзонные электрофильтры, в которых эти процессы протекают в отдельных

зонах аппарата.

В зависимости от формы осудительных электродов различают электрофильтры трубчатые и

пластинчатые.

Трубчатый электрофильтр (рис. 13) представляет собой камеру , в которой расположены

осудительные электроды 2, выполненные из труб диаметром 150—300 мм и длиной 3—4л«.

По оси труб натянуты коронирующие электроды 3 из проволоки диаметром 1,5—2 мм,

которые подвешены к раме 4, опирающейся на изоляторы 5. Для предотвращения колебаний

все электроды соединены снизу рамой 6. Загрязненный газ через газоход 7 попадает под

решетку 8 и равномерно распределяется по трубам.

Пройдя электрическое поле, газ очищается и выходит. В пластинчатом электрофильтре (рис.

14) между параллельными поверхностями осадительных электродов 2 подвешены

коронирующие электроды 3 из нихромовой (или фехралевой) проволоки. Сверху

коронирующие электроды подвешены к раме 4, а снизу соединены рамой 6. Очищаемый газ

по газоходу 7 подается под распределительную решетку 5, поднимается вверх между

параллельными листами осадительных электродов и очищенный удаляется через выходной

газоход 9. Частицы пыли или тумана отделяются в электрическом поле от газа и оседают на

поверхности осудительных электродов через газоход 9. Взвешенные частицы осаждаются на

внутренней поверхности труб и периодически удаляются. В сухих электрофильтрах пыль

удаляется периодически при помощи различных ударных механизмов встряхивания

электродов: молоткового, магнитно-импульсного и пр. В мокрых электрофильтрах осевшие

частицы удаляются периодической или непрерывной промывкой внутренней по верности

осудительных электродов водой, распыляемой брызгалами или форсунками. В некоторых

случаях промывная жидкость свободно стекает по внутренней поверхности электродов в виде

пленки, на которую оседают взвешенные частицы.

24

13

14

В пластинчатых электрофильтрах легче, чем в трубчатых, удаляется осевшая на электродах

пыль и меньше расходуется энергии на единицу длины проводов. Они более компактны,

требуют меньшего расхода металла и отличаются простотой монтажа. Вместе с тем трубчатые

электрофильтры позволяют получить большую напряженность электрического поля и

соответственно допускают большие скорости газа, т. е. более производительны. В них лучше

отделяется трудноулавливаемая пыль из газов умеренной влажности. Степень очистки

достигает 99%, а иногда 99,9%.

Степень очистки газа в электрофильтрах. Степень очистки цэ может быть выражена общим

уравнением:

где хг и х2 — содержание взвешенных частиц в газе соответственно на входе в электрофильтр и

выходе из него, кг/м3; — скорость движения заряженных частиц к поверхности электрода,

м/сек; % f — удельная поверхность осаждения, выражаемая отношением площади

осадительных электродов к объемному расходу очищаемого газа, м2/(м3/сек).

25

X2

для трубчатых электрофильтров ηэ=1- = 1-e- f

X1

для пластинчатых электрофильтров 2L

f= rv

где L — длина трубы или пластины, м; — радиусГтрубы осадительного электрода, м; Н—

расстояние между осадительным и коронирующим электродами, м; — скорость газа в

электрофильтре, м/сек.

Для точного определения степени очистки при заданном содержании взвешенных частиц до и

после очистки (х1 и х2) для выбранной конструкции коронирующих и осадительных электродов

необходимо правильно выбрать скорость заряженных частиц. Теоретически ее расчет мало

надежен, поэтому определяют опытным путем.

Коагуляция и укрупнение частиц, отделяемых при газоочистке

Степень очистки газов в аппаратах различных типов может быть повышена и процесс очистки

ускорен путем предварительного укрупнения (коагуляции) взвешенных частиц. Для этой цели

может быть применена акустическая коагуляция — воздействие на загрязненный газ упругих

акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Звуковые и ультразвуковые

колебания вызывают интенсивную вибрацию мельчайших взвешенных частиц, что приводит к

резкому увеличению числа их столкновений и укрупнению (коагуляции). Коагуляция частиц

происходит более интенсивно в поле стоячих волн.

Акустическую коагуляцию пыли и туманов используют лишь перед их очисткой под действием

сил тяжести или инерционных сил. В качестве примера на рис. 15 показана схема установки

для акустической коагуляции аэрозолей в процессе сепарации конденсата из попутных и при-

родных газов при их добыче. Газ, находящийся под избыточным давлением 10 000—20 000

кн/м2 (100—200 ат), вводится в сепарационную камеру через штуцер, в котором размещен

источник акустической энергии — механический вибратор, или свисток 2. За счет создания

перепада давлений в свистке получают необходимую акустическую мощность. Озвучивание

газа приводит к резкому укрупнению капелек конденсата, которые под действием силы

тяжести падают вниз и выводятся через штуцер 5. Очищенный газ удаляется через штуцер 4.

Акустическую обработку газов проводят при уровне звука не менее 145 — 150 об и частоте

колебаний 2 — 50 кец.

26

Аппараты для акустической коагуляции взвешенных частиц отличаются простотой и

компактностью. Они могут быть использованы для обработки горячих газов при температурах

вплоть до 550 °С, а также для обработки химически агрессивных и взрывоопасных газов.

Существенным недостатком этих аппаратов являются тяжелые условия труда обслуживающего

персонала (при работе на звуковых частотах).

Укрупнение взвешенных в газе частиц может быть осуществлено также посредством

конденсации на них водяных паров. Это может быть достигнуто перееыщением газа в

результате быстрого его охлаждения в поверхностных холодильниках или путем введения в

поток горячего газа тонкораспыленной холодной воды, подачи водяного пара в поток

холодного газа и т. д. непосредствен но перед его очисткой или в ходе самого процесса.

Рис. 15. Установка для предварительной акустической коагуляции частиц при газоочистке:

/ — сепарационная камера; 2 —свисток; 8 — штуцер для отвода

конденсата; 4 — штуцер для от. вода очищенного газа.

Сравнительные характеристики и выбор газоочистительной аппаратуры. При выборе

аппаратов для очистки газа следует принимать во внимание технико-экономические

показатели их работы, при определении которых необходимо учитывать степень очистки газа,

гидравлическое сопротивление аппарата, расход электроэнергии, пара и воды на очистку,

стоимость аппарата и стоимость очистки газа (обычно все расходы относят к 1000 м3

очищаемого газа). При этом должны быть приняты во внимание факторы, от которых зависит

эффективность очистки: влажность газа и содержание в нем пыли, температура газа и его

химическая агрессивность, свойства пыли (сухая, липкая, волокнистая, гигроскопическая и т.

д.), размеры частиц пыли и ее фракционный состав и пр.

Ниже приведены некоторые усредненные характеристики распространенных

газоочистительных аппаратов:

27

Как видно из этих данных, инерционные пылеуловители и циклоны пригодны лишь для

отделения сравнительно крупных частиц и могут быть использованы для предварительной,

грубой очистки от сухой, нелипкой и неволокнистой пыли. Вместе с тем эти аппараты не

требуют высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Их не рекомендуется применять для

отделения мелкой пыли с размерами частиц менее юмкм. Инерционные пылеуловители и

циклоны часто используют в качестве первой ступени очистки перед более эффективными

газоочистительным аппаратами, например перед электрофильтрами.

Циклоны и батарейные циклоны целесообразно применять для очистки газов с относительно

высоким содержанием пыли, причем батарейные циклоны рекомендуется использовать при

больших расходах очищаемого газа.

Рукавные фильтры применяют для тонкой очистки газов от сухой или трудноувлажняемой

пыли, размеры частиц которой превышают 1 мкм9 например для улавливания цемента, сажи,

окислов цинка и т. д. Они эффективно работают при очистке газов от волокнистой пыли,

например асбестовой, но не пригодны для удаления липкой и влажной пыли.

Для весьма полной очистки газов от мелкодисперсной пыли используют мокрые

пылеуловители и электрофильтры. Мокрые пылеуловители применяют тогда, когда

желательно или допустимо охлаждение и увлажнение очищаемого газа, а отделяемая пыль

химически не взаимодействует с орошающей жидкостью и может быть впоследствии

выделена из жидкости, если пыль является ценным продуктом. Эти пылеочистители до-

статочно просты в изготовлении, а стоимость аппаратуры и затраты на ее обслуживание

меньше, чем для электрофильтров.

При электрической очистке газов можно получить весьма высокую степень улавливания

взвешенных частиц. При этом расход энергии невелик вследствие малого потребления тока и

низкого гидравлического сопротивления электрофильтров. Расход энергии на очистку 1000

м3/ч газа составляет в них обычно 0,2—0,3 кетч. Для очистки сухих газов используют

преимущественно пластинчатые электрофильтры, а для отделения трудноулавливаемой пыли

и туманов — трубчатые. Электрофильтры являются относительно дорогостоящими и сложными

в эксплуатации аппаратами. Они мало пригодны для очистки газов от твердых частиц,

имеющих очень малое удельное электрическое сопротивление и в некоторых других случаях.

28

Вопросы для проверки

1. На какой процесс основана электрическая очистка газов 2. Что такое узорная ионизация 3. Понятие о коронирующих и осудительных электродах 4. От чего зависит степень очистки газов 5. На каком токе работает электрофильтры 6. Устройства электрофильтров электрофильтры 7. «Сухие и мокрые » электрофильтры 8. Трубочные и пластинчатые электрофильтры

ЛЕКЦИЯ 3 УСТАНОВКИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ План

1. Реакторы и регенераторы установок каталитического крекинга

2. Аппараты установок с циркулирующим шариковым катализатором

3. Аппараты установок с кипящим (псевдоожиженным) слоем пылевидного катализатора

Удельный вес высокоэффективных процессов, связанных с химическим превращением сырья в

нефтеперерабатывающей промышленности, постоянно увеличивается. Химическое превраще-

ние нефтяного сырья осуществляется в реакционных аппаратах, или реакторах. Процессы,

протекающие в них, обеспечивают получение многих нефтепродуктов улучшенного качества.

Конструкция реактора должна отвечать требованиям данного химического процесса. Реакция в

реакторе должна протекать с максимально допустимой скоростью при условии наибольшего

выхода целевой продукции. При известном технологическом процессе и данном катализаторе

этого добиваются поддержанием оптимальных значений температуры, давления в аппарате, а

также времени протекания химической реакции.

В промышленных реакторах в реакции участвуют две фазы и более. В реакторах, работающих

на твердых катализаторах, кроме скорости протекания собственно реакции превращения

должна быть обеспечена также скорость переноса реагирующих веществ между фазами. Все

известные конструкции реакционных аппаратов по общности принципов работы

подразделяются на реакторы полного смешения (периодического или непрерывного действия)

29

и реакторы полного вытеснения. По способу теплообмена в реакционной зоне различают

реакторы с теплообменом через стенку (перегородку) и непосредственно с катализатором

(адиабатические реакторы).

К реакторам с теплообменом через стенку относятся трубчатые реакторы, конструктивно

представляющие собой кожухо-трубчатый теплообменник. Катализатор заполняет трубное или

межтрубное пространство, теплоноситель (хладоноситель) омывает соответственно наружную

или внутреннюю поверхности труб.

Адиабатические реакторы просты по конструкции; в них отсутствует теплообмен с

окружающей средой, а выделение или поглощение незначительной теплоты реакции

приводит к несущественному отклонению температуры реакционной смеси по высоте

реакционной зоны.

Катализатор в реакторе может располагаться неподвижным слоем или находиться в

движении. Применяемые катализаторы отличаются адсорбционной и кинетической

характеристиками, кристаллической структурой, а также размерами гранул (зерен). Для

конструктивного оформления наибольшее значение имеют размеры гранул (фракционный

состав гранул).

Ниже рассмотрены конструкции и правила эксплуатации наиболее распространенных на

нефтеперерабатывающих заводах реакционных аппаратов.

Реакторы и регенераторы установок каталитического крекинга

Процесс каталитического крекинга протекает при температуре 450—500°С и давлении 0,05—

0,15 МПа. Сырьем для крекинга являются керосиновые и соляровые дистилляты и остаточные

продукты (например, мазут). Процесс предназначен для получения высокооктановых

бензинов, газов и газойля.

В настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах применяют установки

каталитического крекинга двух типов: 1) установки, на которых процессы химического

превращения сырья (крекинг сырья) и регенерации катализатора осуществляются в сплошном

слое катализатора (катализатор шариковый); 2) установки, на которых те же процессы

происходят в псевдоожиженном, или кипящем, слое катализатора (катализатор

порошкообразный).

На установках с циркулирующим катализатором процесс протекает в аппаратах шахтного типа,

через которые непрерывным потоком сверху вниз движутся шарики катализатора диаметром

3—5 мм. В прямоточных реакторах катализатор и сырье контактируют, двигаясь прямотоком.

Реакторный блок каждой установки состоит из реактора, регенератора и системы транспорта

катализатора.

30

Наибольшее распространение получают установки с порошкообразным или

микросферическим катализатором. Возможность создания режима кипящего слоя позволяет

упростить конструкцию реакционных аппаратов и систему транспорта катализатора.

Аппараты установок с циркулирующим шариковым

катализатором

Схемы реакторных блоков зависят от взаимного расположения реакторов и регенераторов по

высоте. На отечественных заводах получила распространение схема с однократным подъемом

катализатора. По этой схеме реактор размещают под регенератором или, наоборот,

регенератор под реактором. При ином расположении неизбежен двукратный подъем

катализатора (для подачи его в реактор и затем в регенератор).

Отличительной особенностью установок крекинга с однократным подъемом катализатора

является большая высота реакторного блока (около 100 м).

Реакторы. Прямоточные реакторы установок крекинга с шариковым катализатором имеют

шесть характерных зон, каждая из которых выполняет определенную функцию (рис. 16).

Из верхнего бункера через стояк катализатор самотеком поступает в верхнее

распределительное устройство, представляющее собой цилиндрическую обечайку. Оно

предназначено для равномерного распределения потока катализатора в зоне реакции

аппарата и с этой целью снабжено распределительными трубами, изогнутыми таким образом,

чтобы нижние концы их были расположены по трем или четырем концентрическим

окружностям, распределяемым равномерно по сечению реакционной

зоны. Такая конструкция позволяет изменять объем указанной зоны,

наращивая длину труб установкой специальных труб-удлинителей. В

сборник катализатора подают инертный газ для создания затвора и

предотвращения уноса продуктов реакции.

В зоне ввода сырья обеспечивается равномерное распределение его по

сечению реакционной зоны. Конструкция этой зоны зависит от качества

и состояния сырья, поступающего в аппарат. Необходимо, чтобы

шарики катализатора равномерно опыливались жидкой фазой сырья.

Рис. 16. Реактор установки крекинга с шариковым катализатором:

31

1 — ввод сырья; 2— ввод катализатора; 3 — вывод продуктов реакции; IV — вывод

катализатора; V — ввод водяного пара; 1 — распределительное устройство; 2 — реакционная

зона; 3 — сепарационное устройство; 4 — зона отпарки; 5 — сборное выравнивающее

устройство.

При работе на облегченном сырье его подают в пространство над устройством для рас-

пределения катализатора через два штуцера в верхнем сферическом днище корпуса реактора

(см. рис. 16). В случае тяжелого сырья такая конструкция ввода может привести к

закоксовыванию верхней части аппарата, поэтому трубы распределительного устройства

защищают от контакта с сырьем завесой из катализатора. Для этого распределитель сырья1

помещают посередине, под средним конусным распределителем катализатора (рис. 17).

Реакции каталитического крекинга происходят в пустотелой части аппарата, называемой

реакционной зоной, и сопровождаются поглощением тепла. Поэтому температура

катализатора и реакционной смеси при их прямоточном движении снижается. Прямоток

позволяет использовать избыточное тепло регенерированного катализатора для нагрева и

испарения сырья, предотвращая в то же время перегрев паров продуктов реакции. Объем

реакционной зоны должен быть таким, чтобы продолжительность контакта паров сырья с

катализатором была достаточной для достижения заданной глубины крекинга.

Ниже реакционной зоны расположена зона отделения продуктов реакции и паров

неразложившегося сырья от катализатора. Сепарационное устройство состоит из тарелки

(трубной решетки), в которую вмонтированы трубы для вывода паров продуктов реакции

(газосборньге трубы) и для ввода катализатора (преточные трубы). Жесткость тарелки

обеспечивается ребрами из листовой стали. Чтобы избежать спуска катализатора через щели,

тарелку по периферии снабжают уплотнением из асбестового шнура.

Рис. 17. Узел ввода тяжелого сырья и катализатора:— трубы

распределительного устройства; 2 — ввод сырья; 3 — ввод

катализатора.

32

Рис. 18. Сепарационное устройство реактора:

1 — тарелка; 2 — ребро жесткости; 3 — труба для вывода атализатора; 4 — труба для вывода

паров; 5 — отбойник; 6 — колокольчик.

Регенераторы. Регенераторы служат для восстановления (регенерации) отработанного

катализатора. Для этого необходимо выжечь кокс, покрывший поверхность катализатора. Тем-

пература катализатора после выжигания кокса очень высока, поэтому до подачи в реактор его

охлаждают до 500—560 °С.

Кокс выжигают подачей в слой закоксованного катализатора горячего воздуха, нагреваемого в

специальных топках под давлением до температуры 500 °С. Чем больше количество и выше

температура воздуха, тем интенсивнее выжигание. Процесс сопровождается выделением

большого количества тепла и, следовательно, повышением температуры среды. Для регули-

рования параметров процесса избыточное тепло отнимают пароводяной смесью

(соотношение пара и воды 1:5), циркулирующей в змеевике, который помещают в слое

регенерируемого катализатора.

Регенерация катализатора происходит при движении его в аппарате сверху вниз поочередно в

нескольких зонах, одинаковых по конструкции и назначению. В каждой зоне имеются

устройства для ввода воздуха и вывода дымовых газов, а также змеевик, по которому

движется охлаждающая смесь. Число зон зависит от кратности циркуляции катализатора. В

каждой зоне выжигают часть кокса и перед подачей в следующую зону катализатор

охлаждают. Скорость слоя катализатора в регенераторе не должна превышать 0,25 м/с, чтобы

предотвратить значительный механический износ футеровки и внутренних устройств.

33

Регенератор представляет собой цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат.

Вследствие высокой температуры среды (до 700 °С) корпус регенератора, изготовляемый из

стали марки СтЗ, изнутри футеруют огнеупорной кладкой в один кирпич (толщиной 250 мм).

Между футеровкой и стенкой корпуса прокладывают тепловую изоляцию (листовой асбест). К

стенкам корпуса приваривают полки, поддерживающие кладку (рис. 19); они снабжены

вырезами, воспринимающими температурные деформации. С той же целью зазоры между

полками и нижним слоем футеровки заполняют асбестовым шнуром. Внутренние устройства

регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т.

На рис. 20 представлена конструкция сварного вертикального регенератора квадратного

сечения с пятью зонами выжигания. Верхнее распределительное устройство, выполненное из

труб, вынесено за аппарат и установлено над ним. Нижнее распределительное устройство, как

и в реакторе, состоит из нескольких ярусов сборных воронок. Над первым рядом воронок

расположена колосниковая решетка, что способствует измельчению комков спекшегося

катализатора. Скорость движения катализатора регулируют шибером, установленным на

общем выводе катализатора из регенератора.

Рис. 19. Футеровка регенератора:

1 — корпус аппарата; 2 —асбестовая изоляция; 3 — опорная полка; 4 —

асбестовый шнур; 5 — кирпич.

В некоторых конструкциях регенераторов выравнивающие устройства потока катализатора

делают выносными, т. е. устанавливают под корпусом аппарата.

Корпус регенератора рассчитывают на избыточное рабочее давление 0,01 МПа и на давление

от катализатора. Для большей прочности корпус опоясывают горизонтальными и верти-

кальными ребрами из двутавровых балок или швеллеров.

Все зоны выжигания (или регенерации) снабжены системами для равномерного

распределения воздуха по сечению аппарата, а также сбора и вывода дымовых газов. Кроме

того, они оборудованы охлаждающим змеевиком. Поверхность охлаждающих змеевиков

зависит от расположения зоны выжигания. Например, в верхней части регенератора, где

температура катализатора на начальной стадии процесса низкая, змеевик отсутствует; внизу

же, где регулируется температура выводимого из аппарата сильно нагретого катализатора,

поверхность змеевика наибольшая.

Конструкция системы распределения воздуха и сбора газов должна быть разборной и легко

34

воспринимать температурные деформации. Воздух подается в регенератор, и газы выводятся

из него через центрально- расположенные коробчатые коллекторы (рис. 21). В обе стороны от

аппарата отходят подвижно соединенные с ним открытые снизу короба, которые по перифе-

рии опираются на корпус. Короба газосборного устройства должны быть такими, чтобы вместе

с газом через них не уносился катализатор. Для более равномерного распределения воздуха в

регенераторе нижние кромки коробов снабжены треугольными прорезями.

Подаваемый в аппарат воздух движется прямотоком с катализатором или противотоком к

нему в зависимости от расположения коллектора по отношению к газосборному устройству.

Весьма ответственным узлом является соединение воздушного или газосборного коллектора

со штуцерами корпуса регенератора, осуществляемое свободным ниппелем, введенным

внутрь центрального коллектора.

Воздухораспределительные и газосборные устройства, состоящие из коробов с открытым

дном и центрального коробчатого коллектора, имеют следующие недостатки: 1) только 40%

площади сечения аппарата используется для сепарации газа, поэтому скорость его

искусственно снижают, чтобы предотвратить унос катализатора; 2) не обеспечивается

достаточно равномерное распределение воздуха по сечению регенератора;

3) трудно достигается необходимая герметичность крепления элементов.

Рис. 20. Регенератор установки каталитического крекинга с шариковым

катализатором:

1 — коллектор ввода воздуха; 2 — коллектор вывода дымовых газов; 3 — охлаждающие

змеевики; 4 — распределительное устройство; 5 — сборное выравнивающее устройство;

6 — колосниковая решетка; 7 — воздухораспределительный короб; 8 — газосборный короб.

35

Рис. 21. Соединение коробов с центральным коллектором:

а — ниппельное; б — с воротником; 1 — центральный коллектор; 2 — короб.

Аппараты установок с кипящим (псевдоожиженным) слоем пылевидного катализатора

Установки каталитического крекинга с кипящим слоем пылевидного или микросферического

катализатора работают на синтетическом или естественном активизированном

36

алюмосиликатном катализаторе, размер частиц которого 20—80 мкм.

Преимуществами данного вида крекинга по сравнению с крекингом, в котором используют

шариковый катализатор, являются: 1) возможность простого регулирования в широких

пределах степени превращения сырья и циркуляции катализатора; 2) интенсивное

перемешивание в реакторе и регенераторе, исключающее местные перегревы и

обеспечивающее высокие коэффициенты теплопередачи; 3) меньшие энергетические затраты

на транспортирование катализатора; 4) более простые конструкции основных аппаратов.

Особенностью процесса является то, что крекинг и регенерация протекают в кипящем слое

катализатора, т. е. в слое взвешенных мелких частиц его, находящихся в постоянном дви-

жении. Кипящий слой образуется при пропускании газов через слой катализатора. Если

скорость газов достаточна, частицы катализатора, отрываясь от слоя, начинают хаотически

перемещаться. Интенсивность движения частиц и, следовательно, размеры пор между ними

определяются скоростью газов. Чем больше скорость, тем больше высота кипящего слоя при

одинаковом объеме спокойного катализатора. Пылевидный катализатор в слое становится

подвижным подобно жидкости, поэтому такой слой называют также псевдоожиженным.

Дальнейшее увеличение скорости (может привести к режиму пневмотранспорта т. е. к уносу

катализатора. При снижении скорости плотность кипящего слоя увеличивается, объем умень-

шается, и катализатор может прийти в спокойное состояние, при котором пары или газы

проходят через пустоты между его частицами, не перемещая их и не перемешивая слоя (такой

режим создается, например, в стояках реакторов и регенераторов).

Крекинг в псевдоожиженном слое протекает при температуре 460—510 °С и избыточном

давлении до 0,18 МПа. Скорость потока катализатора в кипящем слое составляет 0,3—0,75 м/с,

причем в 1 м3 смеси содержится 400—560 кг катализатора.

Схемы реакторных блоков. Установки крекинга с кипящим слоем катализатора работают по

следующей принципиальной технологической схеме. Нагретое до 400 °С сырье смешивают с

горячим восстановленным катализатором, ссыпающимся из регенератора через стояк, и

направляют смесь в реактор. Поток катализатора, паров сырья и воды равномерно

распределяется по сечению аппарата, в котором поддерживают определенные высоту и

температуру кипящего слоя. Смесь паров углеводородов, полученных в результате реакции,

водяных паров и уносимых с ними частиц катализатора, не осевших в отстойной зоне реактора

(пустотелой части аппарата), поступает в циклонные сепараторы. В циклонах улавливается

катализаторная пыль, возвращаемая по стояку в кипящий слой. Пары из сепараторов

направляют в ректификационную колонну.

Закоксованный катализатор из реактора подают в регенератор, где также поддерживается

кипящий слой соответствующей высоты. В слое происходит выжигание кокса воздухом при

температуре 580—650 °С. Температуру регулируют отбором избыточного тепла

установленными в кипящем слое змеевиками пароперегревателя. Регенерированный

катализатор вновь направляют в реактор.

37

Схема реакторного блока определяется взаимным расположением реактора и регенерат^ра, а

также системой подачи (транспорта) в них катализатора. От выбранной схемы зависит

давление в этих аппаратах. Различают четыре основные схемы реакторного блока.

1. Схема с двукратным подъемом катализатора, когда регенератор расположен выше

реактора, а катализатор транспортируется в разбавленной фазе. Регенератор размещают на

такой высоте по отношению к реактору, чтобы вес катализатора в спускном стояке обеспечивал

преодоление давления в реакторе.

При этом условии катализатор транспортируется непрерывно.

2. Схема с двукратным подъемом катализатора при расположении реактора и регенератора на

одном уровне. Реакторный блок работает при одинаковом давлении в обоих аппаратах, что

приводит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха.

3. Схема с расположением реактора и регенератора на одном уровне. Катализатор

транспортируется в плотной фазе под действием разности весов в нисходящей и восходящей

ветвях, при этом учитывается столб катализатора внутри аппаратов. Количество

циркулирующего катализатора регулируют изменением плотности его в подъемных стояках,

для чего варьируют количество подаваемого в стояки водяного пара или воздуха.

4. Схема с сросным расположением реактора и регенератора и однократным подъемом

катализатора в разбавленной фазе. По этой схеме реактор может быть размещен над

регенератором и под ним. На рис. 22 показаны оба варианта расположения реактора и

регенератора, выполненных в одном блоке.

Недостаток крекинга в кипящем слое заключается в том, что вследствие интенсивного

перемешивания сырье в реакторе смешивается с продуктами реакции, а восстановленный

катализатор в регенераторе — с закоксованным катализатором, т. е. отсутствуют противоток и

более полная регенерация и обработка катализатора. Поэтому в реакционных устройствах

кипящий слой разделен на несколько секций с ограниченным смешением газовой фазы и

катализатора в каждой секции.

38

Рис. 22. Схемы взаимного расположения реактора и регенератора установки каталитического

крекинга с пылевидным катализатором:

а — реактор над регенератором; б — регенератор над реактором; 1 — реактор; 2 — реге-

нератор; 3 — стояки; 4 — транспортная линия; 5 — циклоны; 6 — распределительная ре-

шетка;» 7 — перегородка; 8 — клапан стояка; 9 — клапан транспортной линии; / — сырье; // —

водяной пар; /// — продукты реакции; IV — газы регенерации; V — воздух.

Рис. 23. Схема реактора с пылевидным катализатором:

39

/ — зона распределения сырья и катализатора; 2 — реакционная зона; 3 — отстойная зона; 4 —

циклоны; 5 — отпарная зона; / — сырье и катализатор; // — продукты реакции; /// — вывод

катализатора; IV — водяной пар.

Рис. 24. Реактор установки крекинга с пылевидным катализатором:

/ — корпус; 2 — сборная камера; 3 — подвеска -для циклонов; 4 — циклон второй ступени; 5 —

циклон первой ступени; 6 — люк; 7 — стояк циклона; 8 — хлопушка стояка; 9 —

распределительная решетка; 10, 15 — форсунки; 11 — стояк; 12, 13 — каскадные конусы; 14 —

штуцер подачи сырья; 16 — опора; 17 — люк; 18 — изоляция; / — .сырье; //, IV — катализатор;

/// — продукты реакции.

Реакторы современных установок крекинга с кипящим слоем катализатора представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты с коническими или полушаровыми днищами диаметром 2500—12000 мм и высотой до 50000 мм. Температура среды в работающем реакторе обычно составляет 450— 480 °С. Корпус аппарата выполняют из углеродистой стали или биметалла. На рис. 23 приведена схема реактора, в котором обозначены пять характерных зон: распределения смеси паров сырья и катализатора, реакционная, отстаивания, циклонов и отпарки. На рис. 24 схематически показана конструкция среднего по производительности реактора с такими же характерными рабочими зонами. Он представляет собой цилиндрический аппарат различных диаметров но высоте, с коническим сопряжением частей. Сверху он закрыт полушаровым днищем. Корпус аппарата внутри изолирован жаростойким Жетоном, нанесенным на панцирную сетку. Катализатор из регенератора, смешавшись в нижней части ствола с сырьем и водяным паром, поднимается по стволу, как по пневмоподъемнику, и через распределительную решетку поступает в кипящий слой. Из кипящего слоя катализатор непрерывно попадает в суженную часть аппарата — десорбер, куда навстречу ему подают водяной пар для отпарки продуктов реакции. Каскадные пер-форированные конусы, установленные в зоне десорбции, предотвращают нарушение спокойного течения катализатора вниз, т. е. создание поршневого режима. Пар для продувки катализатора вводят по штуцеру в нижнем конусном днище с помощью форсунок. Реакционная зона является пустотелой частью аппарата. Иногда для ограничения интенсивности внутренней циркуляции сырья, продуктов реакции и катализатора здесь размещают трубные решетки. Высота зоны отстаивания обычно не менее 4,5 м, чтобы увлеченные парами мелкие частицы катализатора успели осесть и вновь попасть в кипящий слой, высоту которого поддерживают в пределах 6—8 м.

40

Пары вместе с не осевшей в отстойной зоне катализаторной пылью, поднимаясь вверх, поступают в двухступенчатый батарейный циклонный сепаратор, состоящий из восьми циклонов (по четыре в каждой ступени). В каждом циклоне можно установить самостоятельный стояк для возвращения отсепарирован-ного катализатора в кипящий слой. Однако, учитывая, что в циклонах второй ступени улавливается меньше катализатора, часто выходные трубы их объединяют в общий бункер с одним стояком. Концы стояков, погруженные в кипящий слой, снабжают клапанами-хлопушками, предотвращающими прорыв паров из этого слоя в стояки. Внутренние поверхности циклонов защищены от эрозии футеровкой из специального бетона с ко-рундным наполнителем на фосфатной связке. Циклонные батареи со стояками подвешивают в верхней части аппарата за элементы, приваренные к корпусу. Стояки циклонов прикрепляют к нему тягами, не препятствующими свободной компенсации температурных деформаций. Пары из циклонов направляют в сборную камеру реактора и по шламовым трубам отводят в ректификационную колонну. Отработанный катализатор, на поверхности которого содержится 1,1—1,3% кокса, удаляют из аппарата через штуцер в нижней части десорбера и соединенный с ним стояк. Диаметр трубопроводов для подвода к реактору и отвода от него сырья, продуктов реакции и катализатора составляет до 1 м. Эти труопроводы необходимо присоединять к корпусу таким образом, чтобы температурные деформации их не передавались аппарату. Все внутренние устройства реактора работают в условиях высоких температур и сильной эрозии потоком катализатора, поэтому их изготовляют из сталей марок 08X13 и Х18Н9Т Рабочие параметры. Основными эксплуатационными показателями реактора являются температура и давление. Средняя температура в реакционной зоне определяется количеством введенных в аппарат сырья и катализатора, их температурой и свойствами. Температурный режим работы реактора при неизменных сырье и катализаторе регулируют изменением температуры предварительного нагрева сырья и кратности циркуляции катализатора. Кратностью циркуляции называют отношение количества регенерированного катализатора, введенного в аппарат, к количеству поступающего вместе с ним сырья. Это отношение регу-лируют увеличением скорости подачи катализатора или уменьшением количества поступающего в реактор сырья. Кратность циркуляции катализатора обычно принимают в пределах 4—6. При высокой кратности циркуляции средняя температура в реакционной зоне возрастает, и осуществляется более глубокий крекинг. Вместе с тем высокие кратности циркуляции приводят к сильному абразивному износу оборудования и некоторым другим технологическим трудностям. Вопросы для проверки

1. Каким требованиям должен отвечать реакторы химических процессов 2. Реакторы полного смешения 3. Реакторы полного вытеснения 4. По способу теплообмена как подразделяются реакторв 5. Какие типы установок каталитического крекинга применяют на

нефтеперерабатывающих заводах 6. Как создается режим кипящего слоя

41

7. Почему в регенератор катализаторов крекинга подается воздух 8. Преимущества установок с кипящим слоем катализатора 9. Какие схемы взаимного расположения реактора и регенератора существуют на

производстве 10. Как осуществляется транспорт шариковых катализаторов.

ЛЕКЦИЯ 4 УСТРОЙСТВО РЕАКТОРОВ План

4. Реакторы установок каталитического риформинга

5. Реакторы установок гидроочистки дизельных топлив

6. Реакторы гидрокрекинга

В реакторах установок каталитического риформинга осуществляется превращение исходных

бензиновых фракций, содержащих нафтеновые и парафиновые углеводороды нормального

строения, в продукты, богатые ароматическими углеводородами и высокооктановыми

изопарафинами.

В нефтеперерабатывающей промышленности каталитический риформинг получает все более

широкое распространение. Например, риформинг бензина является основой для улучшения

свойств автомобильных бензинов и производства ароматических углеводородов (бензола,

толуола, ксилолов и этилбензола).

Для каталитического риформинга применяют главным образом платиновый катализатор (0,5—

0,6 масс. % платины, нанесенной на поверхность оксида алюминия). Используют также

молибденовый катализатор, представляющий собой оксид молибдена, нанесенный на

шрхность оксида алюминия.

Реакционная секция установки риформинга на платиновом катализаторе (платформинга)

работает по следующей схеме. Предварительно нагретое в теплообменниках и печи сырье

вместе с водородсодержащим циркулирующим газом поступает в первый реактор, где

температура снижается вследствие поглощения тепла в процессе реакции. Газосырьевой

поток, выходящий из этого реактора, нагревают во втором змеевике печи и направляют

последовательно во второй реактор, в третий змеевик печи и в третий реактор. Продукты

реакции из последнего реактора подают через теплообменники и конденсационно-

42

холодильное оборудование в газовый сепаратор, откуда часть газов возвращают в систему для

поддержания

циркуляции, избыток сбрасывают в газоотводную сеть, а жидкие продукты направляют на

установку стабилизации.

Повышенное давление водорода способствует интенсификации реакции гидрирования и тем

самым препятствует закоксовыванию катализатора.

Платиновый катализатор медленно покрывается коксом и сернистыми соединениями и со

временем теряет свою активность. Регенерацию катализатора проводят выжиганием кокса и

сернистых отложений смесью инертного газа и воздуха под давлением 1 МПа. Выжигание

осуществляют в тех же реакторах в три ступени при температуре 300 — 350 °С — в первой

ступени, 380— 420 °С — во второй и 450— 500 °С — в третьей.

Устройство реакторного блока. Реакторные блоки большинства установок состоят из трех и

более реакторов.

Основными реакционными аппаратами являются адиабатические реакторы — пустотелые

аппараты, заполненные одним слоем катализатора. Встречаются также политропические реак-

торы — многослойные аппараты со встроенными адиабатическими секциями;

Рис. 25. Адиабатический реактор установки каталитического риформинга:

1 — днище; 2 — корпус; 3, 16 — термопары; 4 — опорное кольцо; 5 — шамотный порошок; 6 —

43

люк для выгрузки катализатора; 7 — люк; 8 — эжек-ция газов; 9 — опорная решетка; 10—12, 14

— шарики; 13 — катализатор; 15 — футеровка; 17, 19 — ввод и вывод парогазовой смеси; 18 —

распределитель.

Газосырьевой поток в адиабатических реакторах может двигаться в двух направлениях:

аксиальном сверху вниз и радиальном — от периферии к центру (для парогазово-го сырьевого

потока).

Реакторы представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты со сферическими

днищами, в которых помещен катализатор. В зарубежной практике встречаются также

реакторы сферической формы.

Корпуса реакторов, используемых на отечественных заводах, имеют внутреннюю защитную

футеровку из жаростойкого бетона для сохранения прочности металла и стойкости его к

водородной и сульфидной коррозии в условиях высоких температур. Такие реакторы можно

изготовить из углеродистой стали; если же футеровка отсутствует, то корпус выполняют

целиком из высоколегированных сталей или двухслойной стали (основной слой —

хромомолибденовая сталь, внутренний слой — нержавеющая сталь).

На рис. 25 показан адиабатический реактор установки каталитического риформинга. Корпус

аппарата изготовлен из стали марок 22К или 09Г2ДТ и покрыт изнутри торкрет-бетонной

футеровкой. Качество футеровки должно быть высоким во избежание появления на ней

трещин в процессе эксплуатации (особенно уязвимы в этом отношении верхние участки

реактора в области штуцеров). Герметичность футеровки может нарушиться также вследствие

резких изменений температуры в отдельных зонах реактора или всей установки. Участки

корпуса, где надежная работа футеровки не гарантирована, следует выполнять из.

хромомолибденовых сталей марок 12МХ или 12ХМ, устойчивых при повышенных температу-

рах и в водородсодержащих средах. Внутренние устройства реактора изготовляют из сталей

марок ЭИ496 и Х5М.

Сырье (парогазовая смесь) подается в реактор через верхний штуцер с помощью

распределителя, обеспечивающего равномерное заполнение верхней пустотелой части

аппарата, и проходит через слой фарфоровых шариков диаметром 20 мм, а также слой

таблетированного алюмоплатинового катализатора высотой до 4 м.

Катализатор удерживается на перфорированной опорной решетке, поверх которой для

равномерного приема сырья насыпаны три слоя фарфоровых шариков диаметром 20, 13 и б

мм. Продукты реакции, скапливающиеся под решеткой, выводят по парогазовому стояку через

верхний штуцер диаметром 300 мм.

Для установки трехзонной термопары через штуцер в верхнем днище реактора пропущена

труба диаметром 50 мм. На нижнем днище расположены люк диаметром 500 мм, которым!

44

пользуются при ревизии и ремонте аппарата, и два люка диаметром 175 мм для выгрузки

катализатора. На нижнем днище имеется также штуцер диаметром 100 мм, через который

эжек-тируют газы перед началом процесса регенерации и в случае необходимости при

ремонтных работах. Для защиты застойных зон реактора от воздействия высоких температур и

водорода все свободные пространства люков и штуцеров заполнены легкой шамотной

мастикой.

Реакторы установок гидроочистки дизельных топлив

Каталитическую гидроочистку дизельных топлив применяют для уменьшения содержания в

них серы до 0,2% (масс.) и ниже, для повышения их термической стабильности и улучшения

других свойств. Процесс гидроочистки сопровождается реакциями насыщения олефиновых

углеводородов и деструктивной гидрогенизации сернистых, кислородных и азотных

соединений с образованием парафиновых углеводородов, сероводорода, воды и аммиака.

Гидроочистка осуществляется в присутствии водородсодер-жащего газа при температуре 360—

425 °С и давлении 2—5МПа. Степень обессеривания и глубина гидрирования непредельных

соединений повышаются с ростом температуры и давления процесса, а также с увеличением

кратности циркуляции водо-родсодержащего газа. Для ускорения процесса применяют раз-

личные катализаторы, однако особенно часто — алюмокобальт-молибденовый

таблетированный катализатор.

Реакции гидрирования протекают с выделением тепла, избыток которого отводят с помощью

хладоагентов (холодного циркуляционного газа, сырья или гидрогенизата).

На отечественных заводах гидроочистку дизельных топлив сернистых нефтей осуществляют на

двухблочных установках, реакторные блоки которых работают следующим образом. Сырье

после смешения с очищенным циркуляционным газом и свежим техническим водородом

нагревают сначала в теплообменниках, затем в трубчатой печи (до 360—380 °С) и направляют в

реакторы. По мере снижения активности катализатора температуру подогрева сырья

повышают. При этом необходимо следить за тем, чтобы максимальная температура в зоне

реакции не превышала 435 °С. В противном случае ускоряется за-коксовывание поверхности

катализатора и повышается газообразование, являющееся результатом термического крекинга

сырья.

Газопродуктовый поток, представляющий собой смесь паров гидрогенизата, газов реакции,

сероводорода и циркуляционного газа, поступает из реакторов в сепаратор после

предварительного охлаждения в теплообменниках и секционных холодильниках до 50 °С. В

сепараторе смесь газов и паров при давлении 4,5 МПа разделяется на гидрогенизат и

циркуляционный газ, которые далее перерабатывают в .соответствующих аппаратах.

Отработанный катализатор в конце реакции содержит 10— 13% (масс.) кокса и до 7% (масс.)

серы. Активность катализа тора восстанавливают путем окислительной газовоздушной

45

регенерации. Перед регенерацией систему продувают под давлением 0,8 МПа инертным

газом, который затем удаляют из аппарата через вытяжную трубу. Газы регенерации содержат

до 0,2% (об.) диоксида серы. Процесс восстановления катализатора начинают с выжигания

кокса газами при температуре 420—430 °С и давлении 4 МПа и заканчивают прокаливанием

катализатора в течение'четырех часов при температуре 520— 550 °С и давлении 2 МПа. Чтобы

сохранить/прочность металла коммуникационных труб при высокой температуре, давление в

процессе прокаливания постепенно снижают. Продолжительность выжигания составляет 48—

60 ч в зависимости от количества кокса и серы.

Общая продолжительность цикла регенерации катализатора равна 100—150 ч, поэтому

данную операцию совмещают во времени с планово-предупредительными ремонтами.

Периодичность регенерации определяется качеством сырья и глубиной очистки топлива и

составляет от трех месяцев до двух лет.

Реакторы устанавливают на железобетонных постаментах таким образом, чтобы обеспечить

выгрузку катализатора самотеком через соответствующие люки.

На рис. 26 показан политропический (многослойный, многосекционный) реактор установки

гидроочиетки дизельных топлив. Он представляет собой вертикальный цилиндрический

аппарат диаметром 1400 мм, высотой 14000 мм с эллиптическими днищами. Корпус реактора

изготовлен из двухслойной стали 12ХМ + ЭИ496 толщинойг40 мм, штуцера из стали Х5М.

Изнутри корпус футеруют жаропрочным торкрет-бетонном толщиной обычно 125—200 мм.

Футеровка должна быть монолитной и состоять из двух слоев: термоизоляционного —

непосредственно у корпуса и эрозионное - стойкого — внутреннего. Состояние футеровки

проверяют путем измерения температуры стенок корпуса аппарата поверхностными

термопарами. Превышение допустимой температуры (200 °С) свидетельствует о нарушении

герметичности футеровки на данном участке.

46

Рис. 27. Реактор гидроочистки дизельного топлива: / — корпус; 2 — стаканы распредели-

тельной тарелки; 3 — распределительная тарелка; 4 — фарфоровые шары; 5 — корзина; 5 —

монтажный штуцер; 7 — колосниковая решетка; В — коллектор пара; 9 — опорное кольцо; 10

— опора; 11 — сетка дренажной трубы; 12 — выгрузка катализатора; 13 — штуцера для

термопар.

Рис. 26. Политропический реактор установки гидроочистки дизельных топ-лив:

/ — корпус; 2 —футеровка; 3 — катализатор; 4 — опорное кольцо; 5 — штуцера для термопары;

6 — вывод газосырьевой смеси; 7 —днище; 8 — нижний штуцер; 9 — муфта для манометра- 10

47

— ввод охлаждающего газа; //— опора; 12 — штуцер для предохранительного клапана; 13 —

воздушник; 14 — люк; 15 — штуцер ввода газосырьевой смеси; 16 — съемная колосниковая

решетка; 17 — опорный перфорированный лист.

Внутри аппарата имеется шесть съемных колосниковых решеток, на которые насыпан

таблетированный алюмокобальтмолибденовый катализатор. Колосники устанавливают на

кольцевые опоры, приваренные к корпусу реактора. Все внутренние устройства аппарата

выполнены из стали ЭИ496.

Над каждым слоем катализатора расположен маточник из хромоникелевых труб для подачи

охлаждающего циркуляционного газа. Это позволяет поддерживать в каждой секции не-

обходимую/температуру с постепенным повышением ее по ходу парогазовой смеси. Таким

образом, в любой секции протекает адиабатический процесс, а в реакторе в целом —

политропический.

Таблетированный катализатор в количестве 12 м загружают в аппарат через верхний люк

диаметром 450 мм, на крышке которого имеется воздушник для отвода продувочных газов.

Над блоком реакторов сооружают специальные площадки. С них катализатор по гибкому

рукаву засыпают в соответствующую секцию (снизу вверх), где рабочий, находящийся внутри

аппарата, соблюдая требования техники безопасности для работы в закрытых сосудах,

выравнивает вручную слой катализатора. Газосырьевая смесь поступает в верхнюю секцию по

штуцеру в верхней части аппарата, последовательно проходит через слой катализатора во всех

секциях и по штуцеру под нижней секцией выводится из реактора.

Реактор гидроочистки дизельных топлив, показанный на рис.27, отличается»меньшим

отношением высоты аппарата к диаметру и наличием всего двух слоев катализатора (верхний

высотой 2,6 м и нижний высотой 4,7 м). Верхний слой катализатора засыпается на

колосниковую решетку, нижний — на фарфоровые шарики, которыми заполняется

сферическая часть нижнего днища.

Сырье, подаваемое через штуцер в верхнем днище, равно-• мерно распределяется по всему

сечению, затем для задержания механических примесей проходит через фильтрующее устрой-

ство, состоящее из сетчатых корзин, погруженных в верхний слой катализатора. Промежутки

между корзинами заполнены фарфоровыми шарами.

Эксплуатация реакторов установок каталитического риформинга и гидроочистки. Реакторы

установок каталитического риформинга и гидроочистки работают в условиях химической и

электрохимической ррозии, а также механического износа металла аппаратов катализатором.

Химическая коррозия реакторов обусловлена содержанием в высокотемпературных газовых

потоках сероводорода и водорода, а электрохимическая коррозия — содержанием в

циркулирующих дымовых газах регенерации паров воды и диоксида серы.

Сероводородная коррозия металла аппаратов реакторного» блока установок тем сильнее, чем

48

больше концентрация серы в сырье и чем выше содержание сероводорода -в циркулирующем

газе.

Рис. 28. Контактно-распределительное устройство реактора гидрокрекинга:

/ — катализатор; 2 — фарфоровые шары; 3 — колосниковая решетка; 4 — смеситель; 5 —

сливная тарелка; 6 — распределительная тарелка.

Водород, циркулирующий в системе реакторного блока, вызывает межкристаллитную

коррозию металла, сопровождающуюся снижением его прочности и увеличением хрупкости.

Межкристаллитное растрескивание, образование раковин и вздутий в металле оборудования

под действием водорода усиливаются при повышении температуры и давления в системе.

Сульфидная коррозия практически протекает очень медленно, однако продукты коррозии

засоряют катализатор, забивают поры между таблетками, а также трубы теплообменников, что

нарушает технологический режим процесса гидроочистки или каталитического риформинга,

ухудшает теплопередачу и приводит к недопустимому возрастанию гидравлического со-

противления. По возникновению большого перепада давления между входом в реактор и

выходом из него часто судят о степени сульфидной коррозии.

Реактор и катализатор засоряются также из-за присутствия в газовых потоках кислорода,

хлоридов и азотсодержащих соединений. Кислород способствует окислению сернистых сое-

динений, поэтому его концентрация в циркулирующем газе должна быть ограничена (0,0002—

0,0006%). Хлориды и азотсодержащие соединения при взаимодействии с водородом образуют

соответственно хлористый водород и аммиак, которые, связываясь, превращаются в хлорид

аммония, выпадающий в виде осадка. Осадок удаляют периодической промывкой, для чего в

процессе эксплуатации установки по ходу продуктов реакции от реактора до сепаратора в

систему впрыскивают воду. Промывку продолжают до тех пор, пока перепад давления не

уменьшится до значения, определенного технологической картой.

49

Гидрокрекинг тяжелых нефтяных дистиллятов производят в реакторах со стационарным слоем

катализатора при давлении 15 МПа и температуре 450 °С. Они представляют из себя вер-

тикальные цилиндрические аппараты, состоящие по высоте из одной фильтрующей и

нескольких реакционных зон. Нефтяной дистиллят в смеси с водородом проходит сверху вниз

через фильтрующую зону, где освобождается от примесей, затем последовательно через все

реакционные зоны к нижнему штуцеру. Конструкция контактной зоны, показанная на рис. 28,

обеспечивает равномерное распределение вступающих в контакт парогазовой и жидкой фаз.

Корпус аппарата многослойный и изнутри изолирован жаростойким торкрет-бетоном (при

регенерации катализатора температура стенок повышается до 560 °С). Все внутренние уст-

ройства и катализатор размещены в стакане (гильзе), изготовленной из стали марки

12Х18Н10Т. Кольцевое пространство между стенкой аппарата и стаканом продувается

водородом.

Вопросы для проверки

1. Катализаторы процесса риформинга 2. Схема работы реакционной секции установки риформинга на платиновом катализаторе 3. Почему теряет активность платиновый катализатор 4. Устройство реакторного блока установки каталитического риформинга 5. Как определяется температура в реакторе 6. Для чего нужна футеровка внутреннюю стенку реактора 7. Катализаторы процесса гидроочистки 8. Работа реакторного блока установки гидроочистки 9. Периодичность регенерации катализатора 10. Устройство реактора гидрокрекинга

ЛЕКЦИЯ 5 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ План

1. Расчет теплообменных аппаратов

2. Кожухотурубные теплообменники

3. Теплообменники «труба трубе»

50

Тепловой расчет. Поверхностный теплообменный аппарат предназначен для отбора определенного количества тепла от горячего потока и передачи его холодному потоку. Если при этом нет тепловых потерь, т,е, в идеальном случае, выделяемое (Q1) и получаемое ( Q2) количества тепла должны быть равны. Практически всегда имеется потери в пределах 2-8%, поэтому уравнение теплового баланса записывается с учутом коэффициента использования тепла в виде Q1 =Q2 (VII.I) . Если подставить вместо Q1 и Q2 их значения, то уравнение можно записать в виде (VI.2): G1(q t1 - q t2) = G2 (q

't2 - q

't1 ) (VI.2)

Где G1, G2 - расход потоков, соответственно выделяющих и воспринимающих тепло; q t1, q t2 - энтальпия (теплосодержание) потока, выделяющего тепло соответственно при начальной температуре t1 и конечной температуре t2 ; qt1

' , qt2' - то же для потока, воспринимающего

тепла. Значения энтальпий для различных потоков приведены в справочной литературе. При определении энтальпии необходимо учитывать агрегатное состояние потока, чтобы в расчет были включены скрытая теплота парообразования (конденсация) и теплота плавления (застывания). Поверхность теплообмена через плоскую стенку или через стенку трубы, когда толщина ее пренебрежимо мало по сравнению с диаметром, определяют из основного уравнения теплопередачи: Q = KF tср (VI.3) откуда F = Q/K tср (VI.4) Где F - поверхность теплообмена, Q - количество передаваемого тепла; K - коэффициент теплоотдачи; Mср-средняя разность температур между теплообменивающимися средами. Коэффициент теплопередачи находят из уравнения К = -----------1----------------- 1/ + 1/ + ( ) где коэффициент теплоотдачи с каждой стороны стенки, через которую происходит теплообмен; толщина отдельных слоев стенки; - коэффициент теплопроводности слоев стенки. Коэффициент теплопроводности зависит от материала стенки, через которую происходит теплообмен, и от характера отложений (загрязнений) на этих стенках, появляющихся при эксплуатации. Ниже приведены значения дя некоторых наиболее часто встречающихся

51

материалов и отложений: Материал Материал Сталь Свинец……………34,9 углеродистая…………46,5 Накипь,…………..1,1-3,5 нержавеющая ………..17,5 Стекло……………0,7-0,84 Алюминий…………………..203,5 Кокс………………0,2-0,84 Медь…………………………384 Парафин………….0,67-0,1 Латунь………………………..93 Нефтепродукты….0,08-0,21 Если толщина стенки мала, а теплопроводности ее высока, то коэффициент теплопередачи приближенно можно определять по формуле Определение коэффициентов теплоотдачи- самая трудоемкая часть технологического расчета аппарата. Значения их зависят от характера движения теплообменивающихся потоков. При движении жидкости в трубе скорость потока неравномерна, она изменяется от максимальной в центре до нуля около стенки.Чем толще неподвижный слой жидкости вблизи поверхности, через которую происходит теплообмен, тем хуже передается тепло, так как теплопроводность жидкостей и газов, особенно нефтепродуктов, очень мала. Толщина неподвижного слоя жидкости, определяемая характером ее движения, зависит от скорости и вязкости жидкости, а также от диаметра трубы, по которой она движется Характер движения потока устанавливают по значению критерия Рейнольдса (где -линейная скорость движения потока; d- диаметр трубы; -динамическая вязкость потока). Различают следующие режимы движения потоков: ламинарный (Re < 10000); турбулентный (Re > 10000); переходный (2300 <="" 10000).<="" b=""> Коэффициент теплоотдачи для каждого конкретного случая теплообмена находят в зависимости от режима движения теплообмениващихся потоков по формулам и номограммам, приведенным в специальной литературе по теплопередаче. С увеличением турбулентности потоков теплоотдача возрастает Однако для создания высокой турбулентности необходимы высокие скорости потоков, что не всегда может быть оправдано: потребуются повышенный расход энергии на привод насоса, а также толстостенные аппараты, работающие под давлением. В теплообменных аппаратах в зависимости от их конструктивного исполнения возможны следующие схемы взаимного движения потоков: прямоток (оба потока движутся в одном направлении); противоток (потоки движутся навстречу друг другу); перекрестный ток (направления потоков пересекаются) и смешанный ток (на отдельных участках направления взаимного движения изменяются). При прочих равных условиях направления движения потоков влияют на тепловую нагрузку теплообменных аппаратов.

52

На рис 1 видно, что при прямотоке температурный напор все время уменьшается по ходу движения потоков, наибольший напор наблюдается в начале теплообмена, а наименьший - в конце. Следовательно, тепловая нагрузка поверхности теплообмена изменяется в больших пределах. Конечная температура нагревающегося потока всегда ниже конечной теипературы нагревающего (охлаждающегося) потока.Наибольшая разность температур (на входе в аппарат) наименьшая разность (на выходе из аппарата). При противотоке температурный напор по ходу потоков более равномерный, чем при прямотоке, и тепловая нагрузка поверхности теплообмена распределяется также равномерно. Это весьма сушественно как для эффективного использования поверхности теплообмена, так и для создания мягких условий работы, при которых уменьшается опасность отложения кокса и грязи на отдельных участках поверхности с большой теплонапряженностью. Важно и то, что при противотоке конечная температура нагреваемой среды может быть выше конечной температуры нагреваюшего потока. В результате можно добиться более высоких температур нагреваемой среды и, следовательно, более полной регенерации тепла (или экономии хладоагента-воды, воздуха и др.). Все сказанное свидетельствует о предпочтительности противотока перед прямотоком,поэтому на практике всегда стремятся соблюдать противоточную схему движения потоков, за исключением тех случаев, когда этот вариант не сообразуется с технологической схемой установки. Движущей силой процесса передачи тепла является средняя разность температур теплообменивающихся сред. Средный температурный напор для прямотока и противотока определяют по формуле где -соответственно большая и меньшая разность температур потоков на концах теплообменного аппарата В практических расчетах для некоторых теплообменных аппаратов, применяемых в нефтеперерабатывающей промышленности, часто пользуются следующими приближенными значениями коэффициента теплопередачи: Аппараты Теплообменныки трубчатые жидкостные…………………………………40-420 пародистиллятные………………………….100-250 Нагреватели трубчатые для нагрева паров жидкого нефтепродукта………………..80-350 Конденсаторы воздушные для бенз.фр……….100-200

53

Кипятильники обогреваемые жидким н/пр………………..120-300 обогрев.водяным паром……………………250-750 Вопросы для проверки

1. Уравнение теплового баланса для теплообменников 2. От чего зависит коэффициент теплопроводности 3. Перечислите возможные схемы движения потоков в теплообменных аппаратах и какой

из них наиболее эффективен. 4. Типы кожухотрубчатых теплообменников 5. Конструкция теплообменников с плавающей головкой 6. Преимущества и недостатки кожухотрубчатых теплообменников 7. Теплообменники "труба в трубе" 8. Конструкция теплообменников "труба в трубе" 9. Преимущества и недостатки теплообменников "труба в трубе" 10. Ламинарные и турбулентные режимы движения потоков жидкости.

ЛЕКЦИЯ 6

АБСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ

План

1. Абсорбция. Общие сведения

2. Устройство абсорбционных аппаратов

3. Насадочные абсорберы

1. Общие сведения Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ ( а б с о р б т и в) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не

54

обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей. Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SО3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция МН3, паров С6Н6, Н2S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т. п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от 5О2; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т. д.). 2. Равновесие при абсорбции Равновесие между фазами. При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси). В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф-2), число компонентов равно трем (К-3) и, согласно правилу фаз число степеней свободы системы равно трем. Для данной системы газ — жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление рА растворенного газа пропорционально его мольной доле хA в растворе или растворимость газа(поглощаемого компонента А) X●

A =ExA (22) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью 1

X●A = PA (22а)

E где рА — парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х, (в мол. долях); х●

А— концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно рA; Е — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри. Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и

55

газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе. Зависимость Е от температуры выражается уравнением

φ

nE= - + C (23) RT где φ — дифференциальная теплота растворения газа; R — газовая постоянная; С — постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя. Для идеальных растворов на диаграмме р — х (рис.36) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е — коэффициенту Генри. Из рис. 36 и уравнения (23) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е и соответственно уменьшается, согласно уравнению (22а), растворимость газа в жидкости. Если уА — мол. доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р — общее давление в системе, то парциальное давление рд, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью РА = РУА (24) Подставив значение рА в уравнение (22), получим Б

●

А= ХА Р или закон Генри может быть представлен в форме у●

А = mx (25) где т — Е / Р- коэффициент распределения, или константа фазового равновесия. Уравнение (25) показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен т. Числовые значения величины т зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности. Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с

56

достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент т в уравнении (25) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Рис. 36. Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t1 > t2 > 1 > Е2 > Eз).

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение (25) применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем. При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом: где fо — фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления. E

m =

fo Устройство абсорбционных аппаратов Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие. Следует отметить, что аппараты большинства конструкций, приводимых ниже, весьма широко применяются и для проведения других массообменных процессов. Поверхностные и пленочные абсорберы

57

В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки. Поверхностные абсорберы. Эти абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рис. 31). Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой. Более совершенным аппаратом такого типа является абсорбер (рис. 38), состоящий из ряда горизонтальных труб, орошаемых снаружи

37 38 водой. Необходимый уровень жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2. Пластинчатый абсорбер (рис. 39) состоит из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2 меньшего сечения — охлаждающий агент (как правило, вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.

58

40 39

Поверхностные абсорберы имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости. Пленочные абсорберы. Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости. Трубчатый абсорбер (рис. 40) сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент. Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рис. 41). Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой в виде вертикальных листов из различного материала (металл, плас-тические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с

59

обеих сторон. Абсорбер с восходящим движением пленки (рис. 42) состоит из труб, закрепленных в трубных решетках 2. Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные сносно с трубами . Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т. е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера.

41 42 Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух или более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В аппаратах с восходящим движением пленки, вследствие больших скоростей газового потока (до 30— 40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико. Посадочные абсорберы Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис. 13) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части

60

колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м, и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

43 44 В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в на-садочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перете-кании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2/м3) и

свободной объем (м3 /м3). Величину свободного объема для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему,

занимаемому насадкой, дает величину . В соответствии с формулой (dэ= ) эквивалентный

диаметр насадки. dэ= = Вопросы для проверки

1. Физическая абсорбция 2. Химическая абсорбция 3. Поверхностные абсорберы, устройство

61

4. Пленочные абсорберы, устройство 5. Насадочные абсорберы, принцип работы 6. Куда укладывается насадка в колонне 7. Что такое пристеночный эффект в насадочной колонне 8. Основные характеристики насадки 9. Чем отличается трубчатый абсорбер от пластинчатого 10. Что является общим в принципе работы поверхностных и пленочных абсорберах

ЛЕКЦИЯ 7 ТАРЕЛЬЧАТЫЕ АБСОРБЕРЫ План

1. Барботажные (тарельчатые)абсорберы

2. Колпачковые тарелки

3. Клапанные и балластные тарелки

Барботажные (тарельчатые) абсорберы Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки—тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с тарелок барботажные абсорберы можно подраз-делить на колонны: 1) с тарелками со сливными устройствами и 2) с тарелками без сливных устройств.

62

Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств — сливных тру-бок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

45

Принцип работы колонн такого типа виден из рис. 45, где в качестве примера показан

абсорбер с сетчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, сливается с

тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ

поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки

каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на

тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и

теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних

тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире

применяют сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных

порогом — переливом.

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпач-ковые, клапанные и

балластные, пластинчатые.

Гидродинамические режимы работы тарелок. Эффективность тарелок любых конструкций в

значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Поэтому до

описания основных конструкций тарелок рассмотрим эти режимы.

- В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных

гидродинамических режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный,

или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в

основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также величину поверх-

63

ности контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой режим наблюдается при небольших скоростях газа, когда он

движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на

тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные

пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места

истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием

большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная

система — пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения

подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит на

поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в

большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из

барботажного слоя и разрушении их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз

на барботажных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых

струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и

образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях

гидродинамического режима резко снижается.

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с сетчатыми

тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с

колпачковыми тарелками (рис. 46). Газ на тарелку поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем

прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто

выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через

слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При

движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в

жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых

тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

На рис. 47 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей,

причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Сечение и форма

прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких

прорезей, так как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что способствует

увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхности контакта

фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на

небольшом расстоянии друг от друга.

64

48

Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости.

Тарелка с радиальным переливом жидкости (рис. 49, а) представляет собой стальной диск 1,

который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на

тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по

периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по

центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т. д.

46

65

47

Тарелка с диаметральным переливом жидкости (рис. Х1-21, б) представляет собой срезанный с

двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена

приемным порогом 5, а с другой — сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи

которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр

слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями,

ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

49

На рис.50 показана распространенная конструкция штампованного капсюльного колпачка. Он

состоит из патрубка ), который развальцован в отверстии тарелки 2, и планки 3, приваренной к

верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80—150

мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и

жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость,

низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление,

трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются

новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

Клапанные и балластные тарелки (рис. 51). Эти тарелки получают за последнее время все

66

более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся

скоростей газа.

Принцип действия клапанных тарелок (рис. 51, а, б) состоит в том, что свободно лежащий над

отверстием в тарелке круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически

регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа

и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.

При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной

тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой

кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис. 51, в)

работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок

которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке. Круглые клапаны

имеют диаметр 45—50 мм, отверстия под клапаном делают диаметром 35—40 мм при шаге

между ними 75—150 мм. Высота подъема клапанов 6,5—8 мм.

50

51

Балластные тарелки (рис. 51, г) отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между

легким круглым клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках,

опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься

при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в

балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более

равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей

газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность

по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком

67

интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и бал-

ластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок

следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом

клапана или балласта. Известны разновидности клапанных и балластных тарелок,

отличающиеся конструкцией клапанов (балластов) и ограничителей.

Вопросы для проверок

1. Типы барботажных абсорберов 2. Тарельчатые абсорберы со сливными устройствами 3. Гидродинамические режимы работы тарелок 4. Колпачковые тарелки, принцип работы 5. Колпачковые тарелки с радиальным переливом жидкости 6. Колпачковые тарелки с диаметральным переливом жидкости 7. Принцип работы клапанных тарелок 8. Принцип работы балластных тарелок 9. Достоинства клапанных и балластных тарелок

ЛЕКЦИЯ 8 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ План

1. Адсорбция, общие сведения

2. Характеристика адсорбентов и их виды

3. Активные угли, силикагели и цеолиты

Адсорбция общие сведения Под адсорбцией мы будем понимать процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата, или адсорбтива. Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение процесса десорбции. Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что

68

извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-экономический эффект. Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию. Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих растворителей) и т. д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах; в настоящее время ее используют для очистки аммиака перед контактным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, выделения ароматических углеводородов из коксового газа и для многих других целей. В ряде случаев после адсорбции поглощенные вещества выделяют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто сопутствуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например при каталитическом окислении двуокиси серы в трехокись на поверхности платинового катализатора и др. Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. При адсорбции, или хемосорбции, в результате химической химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь. При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующейся в результате конденсации паров (капиллярнаяконденсация). Конденсация происходит вследствие понижения давления пара над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах. 2. Характеристики адсорбентов и их виды В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы — поры, которые условно могут быть разделены на макропоры (более 2-10~4 мм), переходные поры (6-10~6—2-10~4 мм), микропоры (2-10~6—6- 10~в мм). Характер процесса адсорбции определяется размером пор. Удельная поверхность макропор относительно очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется ничтожное количество вещества. Макропоры играют роль лишь транспортных каналов для адсорбируемых молекул. На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значительно превышают размеры

69

адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция). Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых молекул и адсорбция в микропорах приводит к заполнению их объема. Вследствие этого предположение об образовании слоев поглощенного вещества на поверхности микропор не имеет физического смысла. Обычно микропоры пересекаются макро- и переходными парами, что сокращает путь, проходимый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению адсорбции. В больших порах диаметром более 2- 10~мм и малых порах, сравнимых с диаметром молекул поглощаемого вещества, явление капиллярной конденсации отсутствует. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Поглотительная способность адсорбента по отношению к данному веществу зависит от температуры и давления, при которых производится адсорбция, и от концентрации поглощаемого вещества. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента условно называется его равновесной активность. В промышленности в качестве поглотителей применяют главным образом активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические ионообменные смолы (иониты). Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродсодержащих веществ (дерева, костей и др.) и активирования полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием угля при температурах 900°С, а также другими способами, например удалением из пор угля, смол и некоторых других продуктов сухой перегонки путем их экстрагирования органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Для повышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.). Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700 м2г. Размер гранул некоторых стандартных марок активных углей для адсорбции газов и паров составляет 1—5 мм (уголь БАУ) и 1,5—2,7 мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 350 и 380—450 г/ж3 соответственно. Применение углей того или иного вида зависит от разновидности процесса адсорбции, в котором они используются (поглощение газов, рекуперация летучих растворителей и т. д.). Активные угли лучше поглощают пары органических веществ, чем воды, однако с повышением содержания влаги в активных углях их способность поглощать пары органических веществ снижается. Они применяются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть. Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Удельная поверхность силика-

70

гелей изменяется от 400 до 770 м2/г. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7 мм, насыпная плотность составляет 100—800 кг/м3. Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Поглотительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей. Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Относительно недавно были получены цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Эти цеолиты проявляют молекулярно ситовое действие, которое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых больше диаметра пор. Молекулярно – ситовыми свойствами обладают также некоторые природные цеолиты, например натролит. Молекулярно-ситовое действие цеолитов часто используют в промышленной практике для разделения некоторых веществ, например нормальных и изопарафиновых углеводородов. Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осушки газов, содержащих небольшие количества влаги. Размер гранул цеолитов составляет от 2 до 5 мм, Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли и др. Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молекулярные сита (цеолиты с правильной кристаллической структурой), ионообменные смолы, активированные минералы и органические вещества и др. Иониты практически нерастворимы в воде, а также в обычных растворителях и обладают подвижными ионами, способными обмениваться на эквивалентное количество ионов (с зарядом того же знака) из раствора электролита, с которым поглотитель взаимодействует. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами, а иониты, содержащие активные основные группы и обменивающиеся подвижными катионами — катионитами. Существуют также амфотерные иониты, способные к катионному и анионному обмену одновременно. Типичные реакции ионного обмена: 1. Реакция анионного обмена где К — молекула ионита, связанная с подвижным ионом. 2. Реакция катионного обмена, причем в обоих уравнениях выделены формулы веществ, составляющих твердую фазу. Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. Так, например, иониты с кристаллической решеткой содержат в ее углах ионы, удерживаемые электростатическими силами; под действием этих сил и происходит в основном ионный

71

обмен. Свойства многих ионитов связаны с их способностью к набуханию в водных растворах; набухание обычно сопровождается весьма значительным повышением давления. Ионообменные смолы обладают большой обменной емкостью, избирательностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Поэтому сейчас они являются наиболее распространенными ионитами, практически вытеснившими в промышленных условиях иониты других типов. Изменением состава активных групп при синтезе ионообменных смол, можно получить иониты с весьма разнообразными свойствами. Вопросы для проверок

1. Понятия о процессе адсорбции 2. Объясните названия адсорбент, адсорбат или адсорбтив 3. Чем отличается механизм процесса адсорбции от механизма абсорбции 4. Область применения адсорбции 5. Характеристика адсорбентов, какие вещества применяются в качестве адсорбентов 6. Активные угли, получение и свойства 7. Силикагели, получение и применение 8. Цеолиты, состав и применение 9. Иониты, состав и свойства 10. Что такое аниониты и катиониты

ЛЕКЦИЯ 9 ДЕСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ План

1. Процесс десорбции

2. Устройство адсорберов

3. Схемы адсорбционных установок

Десорбция

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (десорбция) является

необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в

замкнутом цикле. Стоимость десорбции оказывает большое влияние на общую экономичность

72

проведения процессов разделения и очистки веществ адсорбционными методами.

К числу основных методов десорбции (регенерации адсорбента) относятся:

вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих

более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты;

испарение поглощенных компонентов, обладающих относительно высокой летучестью, путем

нагрева слоя адсорбента.

В некоторых случаях для удаления из адсорбента смолообразных и других продуктов,

образующихся в результате побочных процессов, окончательную очистку адсорбента

осуществляют выжиганием этих компонентов (окислительная регенерация адсорбента).

Выбор того или иного способа десорбции производится на основе технико-экономических

соображений, причем часто указанные выше способы применяются в комбинации друг с

другом.

На практике процессы десорбции обычно осуществляют путем пропускания пара или газа, не

содержащего адсорбтива, через слой адсорбента после завершения прямого процесса

(адсорбции). Для повышения скорости извлечения десорбцию проводят наиболее часто при

повышенных температурах, например, пропуская через слой адсорбента предварительно

нагретый десорбирующий агент.

В качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной

пар, пары органических веществ, а также инертные газы. После проведения процесса

десорбции слой адсорбента обычно подвергают сушке и охлаждению.

Десорбцию острым водяным паром наиболее часто применяют в процессах рекуперации

летучих растворителей на активном угле. При этом основная масса поглощенного вещества

выделяется из поглотителя в начале десорбции. По мере приближения к концу процесса

скорость его значительно снижается, а расход водяного пара на единицу десорбируемого

продукта сильно возрастает. Поэтому из технико-экономических соображений адсорбируемое

вещество извлекают из поглотителя не полностью, оставляя некоторое количество его в

адсорбенте.

Часть водяного пара, называемая греющим паром, расходуется при десорбции на нагревание

всей системы, десорбцию поглощенных веществ из угля и компенсацию тепловых потерь в

окружающую среду. Греющий пар полностью конденсируется в адсорбере. Некоторая часть

пара расходуется на компенсацию отрицательной теплоты смачивания угля водой и также

полностью конденсируется в адсорбере.

Десорбированные из угля вещества выдуваются из угольного слоя динамическим паром,

который, не конденсируясь, выходит из адсорбера в смеси с парами десорбированных

73

веществ.

Расходы греющего пара и пара, идущего на компенсацию теплоты смачивания, находятся

расчетом. Расход динамического пара зависит от условий проведения процесса и с

достаточной надежностью определяется лишь опытным путем. При ориентировочных расчетах

расход динамического пара можно принимать в среднем 3—4 кг на 1 кг десорбируемого

вещества.

Регенерацию цеолитов наиболее часто проводят путем продувания сквозь слой адсорбента

нагретого сухого газа, причем удаление поглощенных веществ из цеолитов обычно более

затруднительно, чем из активных углей.

Процессы десорбции, подобно процессам собственно адсорбции, осуществляют не только в

неподвижном, но также в движущемся и кипящем слоях адсорбента.

6. Устройство адсорберов и схемы адсорбционных установок

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем

адсорбента) и непрерывно — в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента, а

также в аппаратах с неподвижным слоем — в установке из двух или большего числа

адсорберов, в которых отдельные стадии процесса протекают не одновременно.

Адсорберы с неподвижным слоем поглотителя. Наиболее часто применяются

цилиндрические адсорберы вертикального (рис.52, а) и горизонтального (рис.52, б) типов.

Адсорберы со слоем поглотителя кольцевого сечения (рис. 52, в) используются сравнительно

редко.

Периодические процессы адсорбции часто проводятся четырехфазным способом, при котором

процесс проходит в четыре стадии.

Первая стадия — собственно адсорбция, т. е. насыщение поглотителя адсорбируемым

компонентом. Парогазовая смесь подается в корпус /аппарата (рис. 52) через штуцер 2,

проходит через слой поглотителя (на рисунке заштрихован) и выходит через штуцер 3.

Вторая стадия — десорбция поглощенного компонента из поглотителя. Подача парогазовой

смеси прекращается, и в аппарат подается водяной пар через барботер 4 (рис.52, а, б) или

через штуцер 3 (рис.52, б). Смесь паров десорбированного компонента и воды удаляется через

штуцер 5. Конденсат пара отводится из аппарата после десорбции через штуцер 6 (рис. 52, а, б)

или 5 (рис. 52, в).

Третья, стадия — сушка поглотителя. Перекрывается вход и выход водяного пара, после чего

влажный поглотитель сушится горячим воздухом, поступающим в аппарат через штуцер 2 и

выходящим из аппарата через штуцер 3.

74

Четвертая стадия — охлаждение поглотителя. Прекращается подача горячего воздуха, после

чего поглотитель охлаждается холодным воздухом, поступающим в аппарат также через

штуцер 2 отработанный воздух удаляется через штуцер

По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата начинается снова. Загрузку и выгрузку

поглотителя производят периодически через люки 7 и 8.

В случае отсутствия одной из последних двух стадий (охлаждение угля или его осушка) метод

проведения процесса будет называться трехфазным.

Рис. 52. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя: а —

вертикальный: б — горизонтальный; в — кольцевой; / — корпус; 2 — штуцер для подачи паро-

газовой смеси (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 3 — штуцер для отвода

отработанного газа (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 4 — барбо-тер для

подачи острого пара при десорбции; 5 — штуцер для отвода паров при десорбции; 6—штуцер

для отвода конденсата; 7 — люки для загрузки поглотителя; 8 — люки для выгрузки

поглотителя; 9 и 10 — внутренняя и внешняя цилиндрические решетки.

Существует также двухфазный метод, при котором в прошедший регенерацию водяным паром

горячий и влажный уголь подаются последовательно горячая и холодная паро-воздушная

смесь (первая стадия). При этом процессы сушки и охлаждения угля идут одновременно с

процессом поглощения. По окончании первой стадии осуществляется десорбция поглощенных

веществ водяным паром (вторая стадия).

Выбор метода работы производится на основании технико-экономических показателей.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду (при десорбции и сушке поглотителя)

адсорберы покрывают тепловой изоляцией.

Установки для периодической адсорбции, помимо основного аппарат адсорбера, включают

вспомогательное оборудование. На рис. 53 приведена схема установки для улавливания паров

75

органических веществ из их смеси с воздухом. Перед поступлением в адсорбер паро-

воздушная смесь проходит через фильтр, где очищается от пыли. Это предотвращает

засорение трубопроводов и быстрое снижение активности поглотителя.

Смеси паров органических веществ с воздухом часто взрывоопасны (при определенных

соотношениях паров и воздуха). Поэтому после фильтра смесь проходит огнепреградитель 2 —

емкость, заполненную материалом с высокой теплоемкостью (обычно гравием). В случае

загорания смеси в этом аппарате поток охлаждается до температуры, значительно меньшей

температуры ее воспламенения, и этим предотвращается распространение пламени внутри

установки. Далее смесь проходит через предохранительное устройство 3, основной частью

которого является обычно, мембрана, разрывающаяся при увеличении давления в

трубопроводе сверх допустимого.

Выходящая из предохранительного устройства паровоздушная смесь при адсорбции (первая

стадия) вентилятором или газодувкой 4 подается смесь в адсорбер 5. При десорбции (вторая

стадия) выходящие из адсорбера пары конденсируются в конденсаторе 6. Получаемый

конденсат (называемый рекуператом) разделяется ректификацией или путем расслаивания в

сепараторе, если десорбируемый компонент не смешивается с водой. При сушке адсорбента

(третья стадия) в адсорбер вентилятором 7 подается воздух, предварительно нагретый в

калорифере 8. При охлаждении адсорбента (четвертая стадия) подаваемый в адсорбер

вентилятором 7 воздух проходит по обводной линии 9, минуя калорифер.

Рис. 53. Схема промышленной углеадсорбцнонной установки для улавливания (рекуперации)

паров органических веществ из их смеси с воздухом:

1— фильтр; 2 — гравийный огнепреградитель; 3 — предохранительное устройство с

разрывными мембранами; 4, 7 — вентиляторы; 5 — адсорбер; 6 — конденсатор; 8 —

калорифер; 9 — обводная линия.

Несмотря на то, что адсорбер в описанной установке работает периодически, вся установка в

целом может работать непрерывно при наличии нескольких (минимально — двух)

адсорберов, включаемых поочередно и работающих со сдвигом стадий (например, при

76

адсорбции в одном аппарате в другом может происходить десорбция).

Адсорберы с движущимся слоем поглотителя. Принцип работы адсорберов этого типа был

указан в главе 11 (см. стр. 109). Исходная газовая смесь поступает в колонну под

распределительную тарелку (рис. 54), представляющую собой трубную решетку с

направленными вниз патрубками. Через патрубки газовая смесь поднимается в

адсорбционную зону, где взаимодействует с движущимся слоем активного угля, охлажденного

в трубах холодильника 2. В зоне 1 поглощаемые компоненты извлекаются углем, а

непоглощенная часть смеси (легкая фракция) от водится через штуцер, расположенный под

распределительной тарелкой.

Из зоны 1 уголь проходит в нижерасположенную ректификационную зону 11, ограниченную

распределительными тарелками 1 и 4. В зоне 11 поднимающиеся из нижней части колонны

пары вытесняют из угля менее сортируемые компоненты, образуя при этом смеси

Рис.54 Схема адсорбционной

установки с движущимся слоем

активного угля:

/ — адсорбционная зона; // — ректификационная зона; /// — десорбционная зона; Л 3, 4. 4а —

распределительные тарелки; 2 — холодильник; 5 — разгрузочное устройство; 6 —

77

гидрозатвор; 7 — газовый подъемник; 8 — клапан; 9 — сборник газового подъемника; 10 —

вентилятор или газодувка; II — бункер; 12 — реактиватор.

различных составов (промежуточные фракции). На схеме показан отбор одной промежуточной

фракции из-под третьей (сверху) тарелки (4а). Состав промежуточной фракции зависит от места

ее отбора (по высоте ректификационной зоны). В некоторых случаях по высоте зоны //

отбирают несколько промежуточных фракций. Из зоны // уголь поступает через рас-

пределительную тарелку 4 в десорбционную (или отпарную) зону ///, где он проходит по

трубам, обогреваемым снаружи чаще всего парами высокотемпературных теплоносителей.

Одновременно уголь в трубах продувают острым перегретым водяным паром. Острый пар, не

конденсируясь, выдувает из угля десорбируемые вещества.

Эти вещества в смеси с водяным паром (тяжелая фракция) отводятся под распределительной

тарелкой 4. Часть тяжелой фракции направляется в зону // для выделения из угля менее

сорбируемых компонентов и образования промежуточных фракций. Распределительные

тарелки обеспечивают более равномерное распределение газа и угля по сечению колонны и

уменьшение уноса частиц угля выходящими газами.

Нагретый уголь выводится из аппарата через разгрузочное устройство 5. Далее уголь проходит

гидрозатвор 6, который предотвращает выход пара из аппарата и попадание его с углем в

газовый подъемник 7. В последний уголь поступает через регулирующий клапан 8 и проме-

жуточный сборник Р. В токе воздуха (или другого газа), нагнетаемого вентилятором (или

газодувкой) 10, уголь подается в бункер //, из которого ссыпается в водяной холодильник 2 и

затем в зону / адсорбционной колонны. Описанный цикл работы адсорбера повторяется снова.

Для компенсации потерь угля вследствие его истирания, а также для поддержания постоян-

ного уровня загрузки в бункере // в него добавляют свежий уголь.

Разделяемый газ может содержать труднодесорбируемые вещества, не выделяющиеся в

десорбционной зоне из угля и, следовательно, снижающие его активность. В этих случаях часть

угля из бункера направляют в реактиватор 12 — аппарат, нагреваемый до температуры более

высокой, чем десорбер колонны. В реактиваторе, так же как и в десорбционной зоне колонны,

обрабатывают уголь острым водяным паром. Продукты реактивации и водяной пар отводят из

верхней части реактиватора. При дополнительной обработке в реактиваторе активность угля

не снижается даже при длительной работе установки.

Адсорберы с кипящим слоем поглотителя. В кипящем слое размеры частиц адсорбента

меньше, чем размеры его частиц в неподвижном слое, что способствует уменьшению

внутридиф-фузионного сопротивления твердой фазы и приводит к существенному увеличению

поверхности контакта фаз. В кипящем слое при прочих равных условиях интенсивность

внешнего массопереноса также выше, чем в неподвижном слое, вследствие больших

скоростей газа, движущегося через слой.

78

Вместе с тем проведение процессов адсорбции в кипящем слое связано с трудностями выбора

механически прочного адсорбента, способного выдержать достаточное число циклов работы в

условиях повышенной исти-раемости при интенсивном механическом перемешивании частиц

в самом аппарате и пневмотранспортных трубах.

В промышленности обычно применяются непрерывно действующие многокамерные

адсорберы с кипящим слоем.

На рис. 55 показан однокамерный адсорбер с кипящим слоем, в котором газ непрерывно

движется через корпус снизу вверх, поддерживая находящийся на газораспределительной

решетке слой адсорбента в псевдоожиженном состоянии. Газ удаляется из аппарата через

циклонное устройство 2, служащее для выделения из газа захваченных им мелких частиц

адсорбента.

В однокамерных аппаратах такого типа интенсивное перемешивание твердых частиц приводит

к значительной неравномерности времени пребывания в слое и соответственно различию

степени их насыщения поглощаемым компонентом. В этих аппаратах, работающих по

принципу прямотока фаз, не удается достичь концентрации адсорбтива в газовой фазе

меньшей, чем равновесная, которая соответствует средней концентрации адсорбента в слое.

Указанные недостатки, присущие и другим одноступенчатым (односекционным)

массообменным аппаратам, можно в значительной мере преодолеть при использовании

многосекционных аппаратов, в которых взаимодействие фаз приближается к противоточному.

В многокамерном адсорбере с кипящим слоем (рис.56) газ последовательно проходит через

перфорированные тарелки (газораспределительные решетки), имеющие переточные трубы 2,

по которым твердые частицы адсорбента «стекают» со ступени на ступень, противотоком к

потоку газа. При псевдоожиженном адсорбенте на каждой ступени взаимодействие фаз

приближается к режиму идеального смешения, в то время как для аппарата в целом это

взаимодействие близко к режиму идеального вытеснения. В таких условиях газ более

равномерно распределяется по площади поперечного сечения аппарата, сводится к минимуму

«проскок» газа без взаимодействия с адсорбентом и увеличивается время взаимодействия

фаз. В результате достигается более равномерная и полная «отработка» зерен адсорбента.

На рис. 57 приведена схема установки, в которой и адсорбция и десорбция осуществляются в

псевдоожиженном слое поглотителя. Адсорбер 1 и десорбер 2 имеют цилиндрический корпус

с коническим днищем. Выходящий из десорбера регенерированный поглотитель увлекается

потоком исходной парогазовой смеси и подается в адсорбер по трубе 3. Скорость газа в

адсорбере должна быть такой, чтобы зернистый поглотитель находился в нем в

псевдоожиженном состоянии.

Непоглощенная часть газовой смеси через сепаратор 4 и циклон 5 удаляется из аппарата.

Отработанный поглотитель отводится из нижней части адсорбера, нагревается в

теплообменнике 6 и поступает в трубу 7, где увлекается адсорбирующим агентом (например,

79

перегретым водяным паром) и подается в десорбер, снабженный обогревательной рубашкой.

Рис. 57. Схема установки для

адсорбции и десорбции в псевдо-

ожиженном слое поглотителя:

/ — адсорбер; 2 — десорбер; 3 — труба для подачи регенерированного адсорбента; 4 —

сепаратор; 5 — циклон; 6 — подогреватель; 7 — труба для подачи отработанного поглотителя в

десорбер; 8 — обогревательная рубашка; 9 — холодильник; 10 — штуцер для отвода в

конденсатор смеси паров.

80

Адсорбент Газ

\ \

Газ и \ли перегретый пар \

\

Рис. 56. Многокамерный адсорбер с кипящим слоем поглотителя:

/ — перфорированные тарелки; 2 — переточные трубы; 3 — труба для ввода адсорбента: 4

— штуцер для подачи па-ро-газовой смеси; 5 — штуцер для отвода отработанного газа; 6'

— труба для вывода отработанного адсорбента

\

Газ Адсорбент

Рис. 55. Однокамерный адсорбер с кипящим слоем поглотителя:

/ — корпус аппарата; 2—циклонное устройство

В десорбере скорость десорбирующего агента должна быть такой, чтобы поглотитель

находился в псевдоожиженном состоянии. Регенерированный поглотитель отводится из

нижней части десорбера, охлаждается в теплообменнике 9, поступает в трубу 3 и цикл

начинается снова. Смесь паров воды и десорбированных веществ выходит из десорбера через

сепаратор 4 и циклон 5, поступает в качестве нагревающего агента в теплообменник 6, а затем

выходит через штуцер 10 в конденсатор.

Вопросы для проверок

81

1. Методы регенерации (десорбция) адсорбента 2. Какие вещества используются в качестве десорбирующих агентов 3. Как осуществляется десорбция острым водяным паром 4. Адсорберы с неподвижным слоем поглотителя 5. Из каких стадий состоит процесс адсорбции с неподвижным слоем поглотителя или

периодический процесс 6. Типы адсорберов периодического действия (рисунки) 7. Схема промышленной углеадсорбционной установки для улавливания паров

органических веществ из воздуха,описание 8. Адсорберы с движущимся слоем поглотителя,принцип работы 9. Адсорберы с кипящим слоем поглотителя,принцип работы. 10. Одно- и многокамерные абсорберы с кипящим слоем поглотителя

ЛЕКЦИЯ 10 ПРОЦЕСС РЕКТИФИКАЦИИ И АППАРАТЫ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ План

1. Простая перегонка

2. Простая перегонка с дефлегмацией

3. Принцип ректификации

Простая перегонка

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости,

находящейся друг в друге. В перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и

конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в

кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята,

который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько

фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с по-

лучением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной,

перегонкой.

В периодически действующей установке для фракционной перегонки (рис. 58) исходную смесь

загружают в перегонный куб, снабженный змеевиком для обогрева, и доводят до кипения.

Пары отводят в конденсатор-холодильник 2. Фракции дистиллята поступают через смотровой

фонарь 3 в отдельные сборники 4—6. По окончании операции остаток сливают из куба, после

82

чего в него вновь загружают разделяемую смесь.

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый

момент времени т содержится кг перегоняемой смеси, имеющей текущую концентрацию х (по

низкокипящему компоненту). Количество НК в жидкости в этот момент равно х.

Пусть за бесконечно малый промежуток времени испарится кг смеси и концентрация жидкости

в кубе уменьшится на величину их. При этом образуются кг пара, равновесного с жидкостью и

имеющего концентрацию у количество НК в паре будет равно . Соответственно остаток

жидкости в кубе составит Раскрывая скобки и пренебрегая произведением х, как бесконечно»

малой величиной второго порядка, после разделения переменных получим

Рис.58 Схема установки для фракционной перегонки. 1-перегонный куб; 2_- конденсатор-холо-

дильник; 3 — смотровой фонарь; 4—6 — сборник уравненииемники фракций дистиллята.

Раскрывая скобки и пренебрегая произведением , как бесконечно» малой величиной второго

порядка, после разделения переменных получим.

Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано-в пределах изменения

количества жидкости в кубе от начального = Р до конечного = (где Р—количество исходной

смеси, или питания, и количество остатка) и соответствующего падения ее концентрации от хр

до xv за всю операцию перегонки:

В результате интегрирования получим Для ряда значений х в пределах от хр до х находят из

диаграммы у — х равновесные им значения у и по размеру площади под кривой,

ограниченной абсциссами хр и х^, определяют (с учетом масштабов диаграммы) величину

искомого интеграла.

По уравнению (26), зная количество Р загруженной в куб смеси и ее состав хр, агакже заданный

состав остатка х^, находят количество остатками.

Количество перегнанной жидкости составляет Р — Н7.

83

Средний состав ( р)ср получаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального

баланса по низкокипящему компоненту:

Расчет простой перегонки обычно имеет целью определить количество жидкости, которое

необходимо перегнать для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят

требуемого среднего состава.

Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя

сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделять

термически малостойкие смеси и, вследствие понижения температуры кипения раствора,

использовать для обогрева куба пар более низких параметров.

Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделения смеси перегонку

осуществляют, дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного

куба 1 (рис. 59) поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара

конденсируется преимущественно В К и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары,

обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются.

Дистиллят собирается в сборниках 4 — 6. Окончание операции контролируют по температуре

кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка.

Последний удаляется из куба через штуцер 7.

Перегонка в токе носителя (перегонка с водяным паром). Понижение температуры кипения

разделяемой смеси может быть достигнуто не только при перегонке под вакуумом, но также

путем введения в эту смесь дополнительного компонента (носителя). Если компоненты

исходной смеси не растворимы в воде, то ее используют в качестве дополнительного

компонента, который вводят в куб обычно в виде острого пара.

При перегонке высококипящих веществ, не растворимых в воде, с водяным паром

температура кипения смеси должна быть ниже температуры кипения воды при данном

давлении. Таким образом, при атмосферном давлении (Р ~ 1 ат) температура перегонки будет

ниже 100 °С.

Этим способом обычно разделяют (или очищают от примесей) смеси веществ, кипящих при

температурах, превышающих 100 °С, что и обусловливает необходимость подачи воды в куб в

виде острого перегретого пара.

Исходная смесь загружается в куб 1, обогреваемый глухим паром через рубашку. Внутрь куба

через барботер 2 подается острый пар. Пары,

образующиеся при испарении смеси, направляются в конденсатор

холодильник 3. Образующийся здесь конденсат через смотровой фонарь 4 поступает на

разделение в сепаратор 5. Снизу сепаратора через гидравли-реский затвор удаляется,

например вода, а сверху — отогнанный, не растворимый в воде более легкий компонент,

84

который сливается в сборник 6.

Практически перегонка с водяным паром протекает в неравновесных условиях. В данном

процессе острый пар играет двоякую роль — тепло- вид функции у =(х) определяется формой

кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая

перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения (26) проводят графически —

путем построения зависимости (у— х) от х носителя и агента, снижающего температуру

кипения. Поэтому пар надо вводить в количестве, большем его теоретического расхода на

процесс собственно отгонки выделенного вещества.

Процесс можно рассматривать как перегонку в токе носителя — водяного пара, которая может

проводиться периодически (как показано на рис. 60) или непрерывно. Общий расход тепла при

перегонке с водяным паром больше, чем при простой перегонке на количество тепла, уда-

ляющееся с носителем (водяным паром).

Перегонка с инертным газом. При перегонке смесей, вместо водяного пара, иногда используют

инертные газы, например азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе

неконденсирующегося инертного газа позволяет более значительно снизить температуру

испарения разделяемой смеси, чем при перегонке в токе водяного пара, где это снижение

ограничено температурой его конденсации. Вместе с тем, присутствие инертного газа в парах,

поднимающихся из куба, приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи в

конденсаторе-холодильнике и соответственно — к значительному возрастанию поверхности

теплообмена. Кроме того, конденсация парогазовых смесей часто сопровождается

туманообразованием. Это весьма затрудняет разделение смесей и вызывает заметный унос

конечного продукта с инертным газом.

Ряс.59 Схема установки для перегонки с водяным паром:

1 — куб с паровой рубашкой; 2 — барбо-

тер для острого пара; 3 — конденсатор»

холодильник; 4 — смотровой фонарь; 5 —

сепаратор; 6 — сборник продукта.

85

Рис.60 Схема установки для простой перегонки с дефлегмацией: / — перегонный куб; 2 —

дефлегматор: 3— конденсатор-холодильник; 4—6 — сборники; 7—штуцер для удаления

остатка; 8 — смотровой фонарь.

Теоретический расход водяного пара или инертного газа может быть найден из соотношения

(27). Обычно пар полностью не насыщается извлекаемым компонентом. Поэтому, учитывая

степень насыщения пара (газа), которая определяется коэффициентом насыщения ф = 0,5—0,9,

расход носителя рассчитывают по уравнению где все обозначения величин те же, что и в

уравнении (27).

Уравнением (28) не учитывается расход носителя, который требуется для нагревания смеси до

температуры перегонки, испарения смеси и компенсации потерь тепла в окружающую среду.

Чтобы избежать чрезмерно большого расхода носителя и разбавления им паров, тепло для

указанных выше целей подводят в куб с помощью глухого пара или другого теплоносите.

Температуру перегонки с инертным газом или водяным паром можно определить, пользуясь

графиком зависимости давления паров чистых компонентов от температуры (рис.61). Нанося

на график кривую давления паров рв носителя (например, водяного пара) «обращение», т. е.

не от нуля, а от давления, равного атмосферному, вниз и находят точку, а пересечения кривых

давлений насыщенных паров носителя и соответствующей жидкости. Абсцисса точки

пересечения указывает искомую температуру перегонки.

Равновесная перегонка. Этот вид перегонки применяется, например в нефтепере-

рабатывающей и нефтехимической промышленности, в основном для предварительного

(перед ректификацией) разделения сложных смесей, содержащих летучие компоненты.

Исходная смесь нагревается и однократно испаряется в трубчатой печи , показанной на рис. 62

(О — количество пара, остальные обозначения — прежние). Да конца процесса пары

длительно соприкасаются с неиспарившейся жидкостью и приходят в равновесие с ней. После

86

достижения конечной температуры смесь пара и жидкости через дроссельный вентиль 2

направляется в сепаратор 3, где образовавшиеся1 пары отделяются от неиспарившейся

жидкости. В таком процессе не достигается четкого разделения смеси. Поэтому получаемые

продукты обычно подвергаются последующей ректификации.

Рис. 61. К определению температуры перегонки с водяным паром.

Рис. 62. Схема установки для равновесной перегонки:

1 — трубчатая печь; 2 — дроссельный вентиль; 3 — сепаратор.

Молекулярная перегонка

Для извлечения дорогостоящих компонентов из смесей, где они содержатся в небольших

количествах, или для тщательной очистки термически нестойких смесей от примесей

используют молекулярную перегонку, проводимую' в условиях глубокого вакуума. Этот

процесс отличается специфическими особенностями, требует применения специальной

аппаратуры и будет рассмотрен ниже.

Ректификация

Принцип ректификации. Как отмечалось, достаточно высокая степень разделения

однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации.

Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом

результаты можно-проследить с помощью I — х — у - диаграммы (рис.63).

Нагрев исходную смесь состава хг до температуры кипения получим находящийся в

равновесии с жидкостью пар (точка Ь). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава

обогащенную НК (х2 > л). Нагрев эту жидкость до температуры кипения, получим пар (точка й)

конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т.

д. Проводя, таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и

конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой

87

практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости 4, путем проведения

ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость

(остаток), состоящую почти целиком из В К.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой

установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает

на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей

ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней

паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при

котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после

отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую

фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако

выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того,

описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую

среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты

достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах —

ректификационных колоннах.

Рис.63 Изображение процесса разделения бинарной смеси путем

ректификации на диаграмме —х—у.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между

неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массою теплообмен обусловленные

стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты

перераспределяются между фазами:

пар несколько обогащается ПК, а жидкость — В К. Многократное контактирование приводит к

практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз)

88

при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их

контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных

давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей

высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения

смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей

Непрерывно действующие установки. Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в

ректификационных колоннах непрерывного действия (рис. 64), которые наиболее широко

применяются в промышленности.

Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены

контактные устройства в виде тарелок или насадки (используемые конструкции тарелок и типы

насадок не отличаются от описанных в главе XI). Снизу вверх по колонне движутся пары,

поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.

е. является выносным (как показано на рисунке 64), либо размещается непосредственно под

колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары

проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя

нумерацию тарелок условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а

её температура t1. В результате взаимно действия между жидкостью и паром, имеющим более

высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимуще-

ственно Н К. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1 > х2.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара

конденсируется и переходит в жидкость преимущественно В К, содержание которого в

поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При

равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК

необходимо сконденсировать I моль В К, т. е. фазы на тарелке обмениваются

эквимолекулярными количествами компонентов.

89

Ркс.64. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

нижнего продукта); 8, 9 — сборники; 10 — насосы.

второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и

соответственно кипит при более низкой температуре. Соприкасаясь с ней, пар состава у2

частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея

состав у 2 > X2, и т. д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый В К, по

мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает

верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью

переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость

разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку

колонны. Следовательно, с помощью, дефлегматора в колонне создается нисходящий поток

жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК-

Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается В К,

конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится

практически, чистым В К и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим

теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется

исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того

чтобы уменьшить, тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно

нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В

90

верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно,

большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись

пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется

укрепляющей. В нижней части 16 (от питающей до нижней тарелки) необходимо в

максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в

кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому В К. Соответственно эта часть

колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо

только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом

случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят

(ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется

в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары

одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте

работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу В К) также делится на две части.

Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний

продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

На рис. 64 приведена лишь принципиальная схема непрерывно действующей

ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-

измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и

проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем

автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и

температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей

воды.

Периодически действующие установки. В производствах небольшого масштаба используются

ректификационные установки периодического действия (рис.65). Исходную смесь загружают в

куб, снабженный нагревательным устройством. Смесь подогревается до кипения и ее пары

поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 2. Поднимаясь по колонне, пары

обогащаются НК, которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора

3 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор 5, где они пол-

ностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с

помощью делителя 4 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в

холодильнике 5 и направляют в сборники 6.

Рис. 65. Схема периодически действующей ректификационной установки: 1 — куб; 2 —

ректификационная колонна; 3 — дефлегматор;

4 — делитель флегмы; 5 — холодильник; 6 — сборники дистиллята.

91

После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (об этом судят по температуре

кипения жидкости в нем), остаток сливают, загружают

куб исходной смесью и операцию повторяют.

Сопоставляя периодически действующую колонну (см. рис.65) с ректификационной колонной

непрерывного действия (см. рис. 64), можно заметить, что первая работает, подобно верхней

части непрерывно действующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб играет

роль исчерпывающей части.

Вопросы для проверки

1. Фракционная перегонка,способы осуществления 2. Простая перегонка с дефлегмацией, схема и описание 3. Перегонка в токе носителя (с водяным паром),схема и описание 4. Равновесная перегонка,схема и ее описание 5. Принцип процесса ректификации 6. В чем преимущество многократного контактирования между жидкой и паровой фазами

в процессе ректификации 7. Схема непрерывно действующей ректификационной установки и ее описание 8. Что такое орошение колонны и его назначение 9. Схема периодически действующей ректификационной установки и принцип работы 10. В чем разница между периодически и непрерывнодействующими установками

ЛЕКЦИЯ 11 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ План

1. Тарельчатые колонны, устройство

92

2. Схема работы простой тарельчатой колонны

3. Сложная колонна

Тарельчатые колонны Принципиальное устройство тарельчатой колонны обусловлено тем, что в ней процесс ректификации осуществляется путем многократного ступенчатого контактирования паровой и жидкой фаз. Для этой цели она оборудована специальными устройствами тарелками, на которых в основном и происходит массообмен, если не считать незначительного массообмена в свободном объеме колонны. Тарелки монтируют горизонтально внутри колонны. Известно множество различных тарелок, отличающихся конструктивным оформлением и составом элементов. Для наиболее часто применяемых тарелок имеются соответствующие ГОСТ или . Простая колонна. Схема работы простой тарельчатой колонны, предназначенной для разделения смеси на две фракции ректификацией, приведена на рис. 66. Сырье предварительно нагревают до определенной температуры в специальных нагревательных аппаратах, а затем в виде жидкости, паров или смели паров и жидкости подают в питательную секцию колонны. Питательная секция условно делит колонну на две части (или секции): верхнюю — обогащенную, при концентрационную, и нижнюю — отгонную, или отпаривающую. В концентрационной и отгонной секциях установлено необходимое число тарелок, на которых происходит контактирование между восходящими снизу парами и стекающей сверху жидкостью. Встречное движение паров и жидкости внутри колонны обеспечивается температурным режимом процесса, т. е. поддержанием необходимой температуры вводимого в колонну сырья, в верхней и нижней частях колонны.

Расм. 66 Схема работы простой тарельчатой ректификационной колонны: 1 _ ввод сырья; 2—т вывод паров; З—вывод жидкости; 4 — отвод тепла; 5 — подвод тепла. Поверхности всех работающих ректификационных тарелок залиты жидкостью, стекающей вниз по колонне. Устройство тарелок таково, что лишнее количество жидкости стекает с них на

93

нижележащую тарелку. Жидкость на тарелке (флегма) состоит из обоих компонентов, на которые необходимо разделить вводимую в колонну смесь. Количественное соотношение этих компонентов на данной тарелке зависит от ее расположения по отношению к питательной секции и к другим тарелкам. Разделяемые компоненты должны иметь разные температуры кипения, причем чем выше разность этих температур, тем проще разделение смеси на заданные компоненты. Разделяемые компоненты условно называют высококипящими (тяжелыми) и низкокипящими (легкими). В результате ректификации в колонне получают два продукта, один из которых в виде паров, содержащих низкокипящие компоненты, отводится из колонны сверху, а другой в виде жидкости, содержащей в основном высококипящие компоненты, откачивается из колонны снизу. Разделение смеси на высококипящий и низкокипящий компоненты в простой тарельчатой колонне происходит следующим образом. В результате массообмена между жидкой и паровой фазами концентрации низкокипящих и высококипящих компонентов в этих фазах по «высоте колонны непрерывно изменяются. Поднимающиеся с низа колонны пары, проходя через слой жидкости на тарелке, отдают ей часть тепла. Вследствие этого температура жидкости повышается, и она частично испаряется, освобождаясь от низкокипящего компонента, который присоединяется к восходящей паровой фазе. Одновременно с этим паровая фаза, смешавшись с холодной жидкостью на каждой тарелке и охладившись, частично конденсируется, при этом в жидкости (флегме) остаются высококипящие компоненты. Это, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации высококипящих в жидкой фазе и низкокипящих — в паровой. Таким образом, в результате теплообмена между паровой фазой и жидкостью на каждой тарелке происходит непрерывное частичное испарение жидкости и частичная конденсация паров, что обеспечивает определенное изменение концентрации компонентов в жидкой и паровой фазах. Пары движутся снизу вверх, и на каждой последующей тарелке концентрация низкокипящих фракций в них увеличивается, а концентрация высококипящих уменьшается. Жидкость же при движении сверху вниз на каждой последующей тарелке обогащается высококипящими и обедняется низкокипящими компонентами. Для поддержания процесса ректификации необходимо, чтобы температура в колонне убывала от тарелки к тарелке в направлении движения паров (т. е. кверху) и возрастала в направлении движения жидкости (т. е. книзу). Для этого наверху колонны устанавливают парциальный конденсатор, в котором отнимается тепло паров, и часть их конденсируется, что обеспечивает непрерывный ноток жидкости, перетекающей с тарелки на тарелку. В настоящее время отвод тепла чаще всего осуществляется холодным острым орошением, при котором часть парового потока, отводимого с верха колонны в качестве готовой продукции (целевой компонент), после конденсации и охлаждения в специальных конденсаторах холодильниках возвращается в колонну на верхнюю тарелку. Острое орошение, во первых, снижает температуру верха колонны, вследствие чего конденсируется часть паров, и, во вторых, присоединяется к нисходящему жидкому потоку, создавая необходимое количество флегмы. Температуру в нижней части колонны поддерживают вводом в нее определенного количества тепла. Для этого в отгонной части устанавливают специальный кипятильник или подают в нее водяной пар, который одновременно необходим для поддержания наиболее благоприятного режима эксплуатации ректификационной колонны. Благодаря вводимому теплу из жидкости, стекающей в отгонную часть колонны, испаряются низкокипящие компоненты, которые

94

присоединяются к восходящему паровому потоку. Число тарелок, т. е. число ступеней контактирования паровой и жидкой фаз, должно быть таким, чтобы в паре наверху колонны и в жидкости в нижней ее части концентрации низкокипящих и высококипящих компонентов достигли заданных значений. Число тарелок, необходимых для разделения данной смеси, определяют графически или аналитически. Для графического определения необходимо иметь кривую равновесия фаз и кривые концентраций для верхней и нижней частей колонны. Методика определения числа идеальных контактов, или числа так называемых теоретических тарелок, дана в литературе, где приведен расчет массообменных процессов. Под теоретической тарелкой понимают такую, на которой массообменивающиеся фазы полностью уравновешиваются. Это допущение условно. Практически на тарелках даже самой совершенной конструкции невозможно достигнуть полного равновесия фаз, поэтому число реальных тарелок всегда больше числа теоретических: (29) где N- реальное число тарелок в колонне; #т — теоретическое число тарелок; >1 — средами к.п.д. тарелок. Средний к.п.д. тарелок зависит от различных факторов, в первую очередь от конструкции тарелки и режима ее работы. Значение к. п. д. обычно устанавливают на основе экспериментальных данных, реже — путем приближенных расчетов. Оно колеблется в довольно широких пределах, например для желобчатых тарелок т) = 0,4—0,7. Сложная колонна. В простой колонне, показанной на рис. 66, можно разделить смесь только на две фракции. В практике нефтепереработки чаще требуется разделить смесь углеводородов на несколько фракций с разными температурами кипения. Например, в процессе перегонки нефти необходимо разделить углеводороды на фракции бензина, лигроина, керосина, солярового масла и мазута. Сделать это в одной простой колонне невозможно. Для такого разделения требуется несколько последовательно работающих простых тарельчатых колонн. Число их, очевидно, должно быть на единицу меньше числа целевых фракций (продуктов), так как в каждой простой колонне смесь фракционируется только на два компонента. Такая установка громоздка и неудобна. Поэтому разделение нефтяного сырья на три фракции и более проводят 1 одной сложной колонне, представляющей собой несколько простых колонн, объединенных в одном корпусе и расположенных одна над другой. На рис.67 показана принципиальная схема сложной тарельчатой колонны, предназначенной для разделения смеси па четыре компонента. Она состоит из трех последовательно соединенных простых колонн, расположенных одна над другой на единицу меньше числа разделяемых компонентов. Преимущество такой колонны перед тремя отдельно стоящими простыми колоннами состоит в том, что она занимает втрое меньшую площадь и острое орошение в нее сырье

95

Рис.67 Принципиальная схема сложной тарельчатой ректификационной колонны с выносными отпорными секциями: 1 - основная колонна; 2 — колонна с отпорными секциями (стриппиаг-колонна).

Рис.68 Устройство тарельчатой ректификационной — колонны: / — штуцер вывода паров по шлемовым трубам; 2 — штуцер верхнего орошения; 3 — люки; 4 — штуцера отбора боковых погонов; 5 — отбойники; б — гидравлический затвор; 7 — штуцера ввода сырья; 8 — улита; 9 — тарелка; 10 :— корпус; // — трубчатый .маточник для подачи водяного пара; 12 — опора; 13 — штуцер вывода нижнего остатка.

96

подают только на самую верхнюю тарелку, в то время как в каждую простую колонну подают свое орошение. Сложная колонна имеет выносные отпорные секции, число которых также на единицу меньше числа разделяемых компонентов. В большинстве случаев все выносные отпорные секции объединены в одном корпусе и расположены одна над другой в тоже порядке, что и простые колонны. Секции разделены перегородками (днищами). Колонны, объединяющие отпорные секции, на заводах называют стриппинг-колоннами. Они небольшого диаметра и обычно установлены рядом с основной ректификационной колонной. Каждая. Секция снабжена несколькими ректификационными тарелками. Процесс разделения смеси на фракции в сложной колонне происходит следующим образом. Смесь, нагретая до нужной температуры, поступает в питательную часть первой (нижней) простой колонны. Паровой поток смеси отделяется в первой колонне от фракции, которая должна отводиться с низа колонны как самая высококипящая, и поднимается в следующую, вторую колонну. Здесь от смеси в виде остатка отделяется вторая фракция. Пары, в которых частично содержится и вторая фракция, поступают в третью колонну, где отделяются в виде остатка третья фракция и в виде паров с верха колонны четвертая фракция. Парциальный конденсатор (или острое орошение) отбирает тепло от паров наверху колонны. При этом часть паров конденсируется, образуя флегму, которая с верха сложной колонны перетекает по всем тарелкам третьей (самой верхней) простой колонны. С нижней тарелки этой колонны часть флегмы длится на отварку в стриппинг - секцию, а оставшееся количество ее перетекает во вторую колонну, играя роль флегмы-орошения. Аналогичный процесс происходит и во второй колонне. Полученные на нижних тарелках каждой простой колонны фракции содержа некоторое количество пограничных фракций. Для получения заданной фракции отведенную с тарелок отбора флегму отпаривают в стриппинг-секциях. Отварку осуществляют водяным паром, подаваемым в низ каждой секции. Водяной пар вместе с отпаренными от флегмы парами низкокипящих фракций возвращается в простую колонну выше участка, откуда была отобрана флегма. Отпаренную флегму отводят с низа каждой стриппинг-секции в качестве целевого продукта. Остаток в нижней части основной колонны отпаривают так же, как в простых колоннах, т. е. без выносных секций, подавая пар непосредственно в нижнюю часть колонны. Вопросы для проверки

1. Принципиальное устройство тарельчатой колонны 2. Схема работы простой тарельчатой колонны 3. Разделение смеси на высококипящий и низкокипящий компоненты в простой

тарельчатой колонне 4. Как должна меняться температура по высоте колонны чтобы происходила

ректификация 5. Каким образом поддерживается температура в нижней части колонны 6. Как осуществляется разделение нефтяного сырья на три и более фракции 7. Схема сложной тарельчатой ректификационной колонн и принцип работы 8. Устройство тарельчатой ректификационной колонны

97

9. Что такое стриппинг-колонны и как они работают 10. Процесс разделения смеси на фракции в сложной колонне.

ЛЕКЦИЯ 12 КОНСТРУКЦИЯ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ План

1. Введение

2. Насадочные колонны

3. Режим работы насадочных колонн

Ректификационные колонны Ректификационными колоннами называют вертикальные цилиндрические аппараты, предназначенные для четкого разделения смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целевых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение обеспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двухсторонний массообмен между двумя фазами растворов, одна из которых паровая, другая — жидкая. Диффузионный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при условии, что температуры кипения этих жидкостей различны. Для осуществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше контактировать между собой, двигаясь в ректификационной колонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом сверху вниз, пары — снизу вверх. В результате противоточного контактирования паровая фаза обогащается низкокипящими компонентами, а жидкая высококипящими. Из свойств равновесной системы известно, что при контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз система стремится к состоянию равновесия в результате массообмена и теплообмена между этими фазами. Следовательно, для протекания ректификации необходимо, чтобы контактируемые жидкость и пары при одном и том же давлении не были равновесными. Иными словами, нужно, чтобы температура жидкости была ниже температуры паров. Для обеспечения эффективного контактирования фаз ректификационные колонны снабжены внутренними устройствами. В зависимости от конструкции этих устройств осуществляется непрерывное (в насадочных колоннах) или ступенчатое (в тарельчатых колоннах) контактирование фаз.

98

Насадочные колонны Насадочная ректификационная колонна, наиболее простая по конструкции, представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный по всей высоте или на отдельных участках так называемой насадкой — определенных размеров и конфигурации телами из инертных материалов. На рис. 71- показано несколько типов встречающихся на практике наса-док. Насадка предназначена для создания большой поверхности контакта между стекающей по ней жидкостью и поднимающимся потоком паров и интенсивного перемешивания их. Контакт и массообмен между фазами в насадочной колонне происходят непрерывно на всем участке аппарата, заполненном насадкой. Этим и отличается работа насадочной и тарельчатой колонн. В насадочных колоннах практически невозможно добиться равномерного распределения стекающей сверху вниз жидкости по всем поперечным сечениям аппарата. Особенно неравномерно распределяется жидкость при больших диаметрах колонн. Именно поэтому контактирование фаз в них недостаточно, вследствие чего трудно достигнуть четкого разделения. В настоящее время насадочные колонны для ректификации применяют редко, их вытеснили тарельчатые колонны. Конструкции их представляют интерес скорее для проведения про-цессов абсорбции, экстракции и т. д. Однако в тех случаях, когда для разделения смеси в тарельчатой колонне требуется

Рис. 71. Типы насадок для колонных аппаратов: в —кольца Рашига внавал; б — кольца с крестообразными перегородками с упорядоченной укладкой; в — керамические седла Берля; г — шарообразная насадка; д — деревянная хордовая насадка; е — пропеллерная насадка.

большое число тарелок (см. ниже), применение насадочных ректификационных

99

колонн может оказаться оправданным. На практике встречаются тарельчатые ректификационные колонны, у которых одна или несколько тарелок — насадочные (обычно над участком ввода сырья или в верхней части аппарата). Такие насадочные тарелки в колоннах чаще всего играют роль. Отбойников, хотя на них также происходит ректификация. Важным качеством работы насадочных колонн являются небольшие по сравнению с тарельчатыми колоннами гидравлические сопротивления. Благодаря этому создаются более благоприятные условия для ректификации в них жидкостей с большими температурами кипения, обычно осуществляемой при высоком вакууме. На рис. 72 показана схема насадочной ректификационной колонны высоковакуумной установки для получения дистиллята цилиндрового масла из гудрона. Колонна представляет собой: вертикальный цилиндрический аппарат с верхним и нижним эллиптическими днищами, разделенный по высоте внутренними устройствами на несколько секций. По трубному коллектору 1, снабженному специальными распылителями 2, сырье, предварительно нагретое до нужной температуры, вместе с перегретым водяным паром поступает в колонну. Коллекторы и распылители предназначены для создания

Рис.72. Насадочная ректификационная колонна: 12 / — сырьевой трубный коллектор; 2 — распылители; 3, 6, 7, в, 10 — слои насадки; 4, 9 — тарелки отбора продукта; 5 — переходная труба; //—ороситель; 12 — штуцер отвода паров

10

0

через шлемовую трубу. одинаковой, равномерной нагрузки по всему сечению колонны. Первый слой насадки 3 высотой 0,75—1,20 м расположен непосредственно над участком ввода сырья и водяного пара и служит одновременно для контактирования фаз и отделения от устремленного вверх потока сырья тяжелых капель жидкости, которые опускаются в нижнюю часть колонны, не попадая в ее верхнюю часть, т. е. играют роль отбойника (см. ниже). С отборной тарелки 4, снабженной несколькими переходными трубами 5, сконденсировавшиеся пары целевого масляного дистиллята, образовавшегося в результате ректификации при прохождении через слои насадок Зкб, откачиваются насосом. Легкие пары нефтепродуктов вместе с водяными парами, поднимаясь вверх, проходят слои насадок 7 и 8. Жидкость, отбираемая с тарелки 9, охлаждается в теплообменниках и холодильниках и насосом возвращается в колонну через ороситель 11 в качестве потока орошения (см. ниже). Изменяя количество орошения, регулируют температурный режим верхнего участка колонны и предотвращают тем самым унос из колонны высококипящих компонентов. Часть легких сконденсировавшихся компонентов откачивается с отборной тарелки 9 в виде готового дистиллята, остальная часть переливается с нее вниз, являясь жидкой фазой в диффузионном процессе. Несконденсировавшиеся пары через шлемовую трубу 12, расположенную в верхней части колонны, поступают в барометрический конденсатор (см. ниже), где частично конденсируются, а частично отсасываются вакуумсоздающими устройствами. С низа колонны остаток от перегонки (гудрон) насосом откачивается в резервуар. При определении диаметра насадочных колонн обычно руководствуются допустимыми скоростями движения паров по колонне, и в частности в каналах насадки. Скорость паров должна быть ниже той, при которой жидкость не стекает по насадке, а вытесняется из нее скоростным напором потока пара, движущегося снизу вверх, создавая так называемый режим захлебывания. Режим захлебывания вызывает резкое повышение сопротивления движущимся парам, т. е. давление в колонне, поэтому при заданной производительности диаметр колонны должен быть таким, чтобы скорость восходящих паров не нарушала постоянного противоточного движения жидкой и паровой фаз. Однако слишком малые скорости движения паров не обеспечивают хорошего массообмена. Если значительно уменьшить-производительность колонны при одном и том же ее диаметре, эффективность процесса ректификации резко снизится. Таким образом, наилучшим режимом работы насадочной колонны является режим, непосредственно предшествующий захлебыва-нию. Такой режим называют режимом подвисания. При режиме подвисания движение жидкости вниз тормозится потоком газа, и последний начинает барботировать через-жидкость. Скорость паров, соответствующую началу режима подвисания, определяют по эмпирическим формулам в зависимости от плотности пара и жидкости, диаметра применяемой: насадки и других данных. По установленной оптимальной скорости пара (газа) находят диаметр поперечного сечения колонны с учетом того, что свободное сечение меньше из-за наличия насадки и стекающей по ней жидкости. Практически наступление режимов подвисания и захлебывания определяют сравнением давлений (разрежений) над и под слоем насадки. Если перепад давления (разрежения) резко-повышается, это свидетельствует о начале захлебывания, и скорости паров необходимо

10

1

снизить уменьшением производительности колонны по сырью или изменением теплового режима работы. Интенсивность массообмена и сопротивление движущимся потокам паров и жидкости во многом зависят от применяемой насадки. Высоту насадки и размеры ее элементов устанавли-вают на основании экспериментальных данных и накопленного практического опыта. Насадка малых размеров и сложной конфигурации имеет большую поверхность контакта, но создает повышенные сопротивления. Кроме того, при выборе размеров насадки необходимо знать, что мелкая насадка менее прочна и быстрее забивается твердыми отложениями (коксом, грязью). Практикой установлено, что в ректификационных колоннах проявляет достаточную прочность и стойкость к коррозии и эрозии керамическая насадка размерами (мм) 50x50x8; 80X80X8; 100ХЮО. Х10. Насадку укладывают беспорядочно на колосниковую решетку (колосник), представляющую собой тарелку, составленную из перфорированных (дырчатых), просечено вытяжных металли-ческих листов или пластинчатых решеток. Колосники должны быть прочными и долговечными. Их монтируют из отдельных секций на жестком металлическом каркасе или на полке из стального уголка, приваренного к внутренней стенке колонны. Рис. 73. Секция пластинчатого колосника насадочной колонны: / — продольные пластины; 2 — поперечные накладки; 3 — монтажные упоры.

Секции колосника должны быть таких размеров, чтобы можно было легко извлекать их из колонны и вставлять в нее через люк нормальных размеров. На рис. 73 показана конструкция секции пластинчатого колосника, обеспечивающего достаточную жесткость. Эксплуатация насадочных колонн несложна. Необходимо поддерживать оптимальные для данных условий температурный режим и скорость паров, а также предотвращать закоксовывание насадки, особенно сильное в слое насадки, находящемся непосредственно над участком ввода сырья. При ремонтах закоксованную насадку выгружают из колонны и заменяют новой. Это довольно трудоемкая операция, поэтому всегда стремятся как можно дольше поддерживать работоспособность насадки. Вопросы для проверки

10

2

1. Определение ректификационных колонн 2. Условие протекания ректификации 3. Как обеспечивается эффективное контактирование фаз в ректификационных колоннах 4. Роль насадки в колонне 5. Типы насадок 6. Почему в насадочных колоннах четкость разделения хуже чем в тарельчатых 7. Преимущество насадочных колонн по сравнению с тарельчатыми 8. Схема насадочной ректификационной колонны и принцип работы 9. Роль орошения в насадочных колоннах 10. Что такое режим подвисания, объясните

ЛЕКЦИЯ 13 ЭКСТРАКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ План

1. Общие сведения

2. Методы экстракции

3. Устройство экстракционных аппаратов

Экстракция

Экстракцией в широком смысле называют процессы извлечения одного или нескольких

компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей

(экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только

извлекаемые компоненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются

остальные компоненты исходной смеси.

В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами более распространена, чем

экстракция из твердых тел. Экстракция из твердых веществ или квазитвердых материалов

(например, из тканей растительного сырья) применяется главным образом в лесохимической,

пищевой и фармацевтической промышленности. В химической технологии используют в

основном экстракцию из твердых пористых веществ водой или водными растворами кислот и

щелочей (процессы выщелачивания).

Как следует из главы X, процесс массоотдачи в твердой фазе существенно отличается от

массоотдачи в жидкостях, поэтому процессы экстракции в системах жидкость — жидкость и в

10

3

системах жидкость — твердое тело Должны рассматриваться раздельно.

Процессы экстракции в системах жидкость

1. Общие сведения

Процессы экстракции в системах жидкость — жидкость находят широкое применение в

химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической и других отраслях

промышленности. Они эффективно используются для выделения в чистом виде различных

продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и

рассеянных элементов, очистки сточных вод и т. д.

Экстракция в системах жидкость — жидкость представляет собой диффузионный процесс,

протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно жидких растворимых

фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Так,

например, очистку сточных вод производят экстракцией бутилацетатом, в который

предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы.

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт,

осуществляемый обычно многократно. В результате взаимодействия фаз получают экстракт —

раствор извлеченных веществ в экстр агенте и рафинат — остаточный исходный раствор, из

которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные

жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются

друг от друга отстаиванием, иногда центрифугированием или другими механическими

способами. После этого производят, извлечение целевых продуктов из экстракта и

регенерацию экстрагента из, рафината.

Соответствующие компоненты выделяются из экстракта либо ректификацией, либо путем

реэкстракции, например перевода их в водный раствор. Во избежание потерь экстрагента,

растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент выделяют ректификацией или

экстракцией другим растворителем и возвращают для последующего использования.

Принципиальная схема процесса непрерывной экстракции приведена нарис.74, а. Процесс

собственно экстракции происходит в колонном экстракторе 1, после чего производится

выделение извлеченных веществ из экстракта (в ректификационной колонне 2) и экстрагента

из рафината (в ректификационной колонне 3).

10

4

Рис. 74. Принципиальные схемы процесса экстракции в системах жидкость —жидкость:

а — непрерывная экстракция; б — экстракция солей металлов; 1 — колонный экстрактор; 2- ре-

ктификационная колонна для выделения извлеченных веществ из экстракта; 3 —

ректификационная колонна для регенерации экстрагента из рафината; 4 — колонный

экстрактор; 5 —колонна для реэкстракции. I

На рис.74, б показана типичная схема экстракции солей металлов, отличающаяся тем, что

после колонного экстрактора 4 соли извлекаются из экстракта путем перевода их в водный

раствор (реэкстракции) в колонне 5. Экстрактор 4 может иметь, как видно из рисунка,

промывную, секцию для дополнительной отмывки экстракта от нежелательных примесей.

В ряде случаев процесс экстракции усложняется, в частности вследствие химической реакции,

протекающей в объеме или на поверхности раздела фаз. При определенных условиях для

лучшего разделения исходного раствора применяют специфические способы экстракции. Гак,

например, исходный раствор, представляющий собой смесь органических веществ,

оказывается целесообразным обрабатывать двумя взаимно нерастворимыми экстр агентами,

между которыми распределяются извлекаемые компоненты. Для облегчения перехода

экстрагируемых компонентов, например солей металлов, в органическую фазу иногда

применяют высаливание, осуществляемое путем добавки соли с одноименными ионами в

исходный водный раствор, а также регулируют кислотность или рН раствора, концентрацию

экстрагента в инертном разбавителе, служащим для уменьшения его вязкости, и т. д.

Основным достоинством процесса экстракции по сравнению с другими процессами

разделения жидких смесей (ректификацией, выпариванием и др.) является низкая рабочая

температура процесса который проводится наиболее часто при нормальной (комнатной)

температуре. При этом отпадает необходимость в затратах тепла на испарение раствора.

Кроме того, при экстракции обычно возможно из многочисленных растворителей подбирать

высокоизбирательный экстрагент, отличающийся по химическим свойствам от компонентов

исходной смеси и часто позволяющий достичь более полного разделения, чем это осуще-

ствимо с помощью других массообменных процессов. Вместе с тем применение

10

5

дополнительного компонента — экстрагента и необходимость его регенерации приводит к

некоторому усложнению аппаратурного оформления и удорожанию процесса экстракции.

При извлечении летучих веществ экстракция может успешно конкурировать с ректификацией в

тех случаях, когда разделение ректификацией либо затруднено, а иногда и практически

невозможно (разделение смесей, состоящих из близкокипящих компонентов и азеотропных

смесей), либо сопряжено с чрезмерно высокими затратами (извлечение вредных примесей

или ценных веществ из сильно разбавленных растворов). Так, например, извлечение уксусной

кислоты из ее малоконцентрированных водных растворов экстракцией этилацетатом (или

смесью этилацетата и бензола) является значительно более экономичным, чем выделение

ректификацией, так как, несмотря на довольно большую разность температур кипения воды и

кислоты, относительная летучесть их невелика. Кроме того, необходимость испарения очень

больших количеств воды весьма удорожает ректификацию.

Экстракция незаменима для разделения смесей веществ, чувствительных к повышенным

температурам, например антибиотиков, которые могут разлагаться при разделении их

ректификацией или выпариванием. Применение экстракции часто позволяет эффективно

заменять такие процессы, как разделение высококипящих веществ с использованием глубо-

кого вакуума, например молекулярной дистилляцией, или разделение смесей методом

фракционированной кристаллизации.

Экстракция может служить также экономичным и эффективным методом разделения сложных

смесей на классы соединений одинакового химического состава, температуры, кипения

которых перекрывают друг друга (разделение ароматических и предельных углеводородов,

кипящих в том же интервале температур).

Весьма перспективно применение экстракции для разделения смесей неорганических

веществ, когда другие способы разделения неприменимы. Процессы жидкостной экстракции в

настоящее время успешно используются для переработки ядерного горючего, получения

циркония и гафния и многих других редких металлов. С помощью экстракции можно получать

высокочистые цветные и благородные металлы.

В ряде случаев значительный эффект достигается при сочетании экстракции с другими

процессами разделения. Примерами подобных комбинированных процессов являются:

разделение близкокипящих и азеотропных смесей с помощью экстрактивной ректификации,

предварительное концентрирование разбавленных растворов посредством экстракции перед

выпариванием и ректификацией, которые проводятся при этом с меньшим расходом тепла.

Методы экстракции При экстракции неорганических веществ обычно извлекают одно или несколько веществ из водной фазы одним экстрагентом. При разделении экстракцией смесей органических веществ в зависимости от числа применяемых экстрагентов различают:

10

6

1) экстракцию одним экстрагентом в системах, состоящих минимум из трех компонентов (двух разделяемых компонентов исходного раствора и экстрагента); 2) экстракцию двумя экстрагентами (фракционная экстракция) в системах, состоящих минимум из четырех компонентов (двух компонентов исходного раствора, распределяющихся между двумя несмешивающимися экстрагентами). Экстракция одним экстрагентом наиболее распространена. Рассмотрим разные варианты этого процесса на примере ступенчатой экстракции, различные способы осуществления которой приведены ниже. Одноступенчатая (однократная) экстракция. Этот простейший метод заключается в том, что исходный раствор F и экстрагент S перемешиваются в смесителе, после чего разделяются на два слоя: экстракт Е и рафинат R. Разделение обычно происходит в сепараторе-отстойнике 2. При таком однократном взаимодействии экстрагента и исходного раствора при достаточном времени контакта могут быть получены близкие к равновесным составы экстракта и рафината. Таким образом, количество экстрагируемого вещества фиксировано законом равновесного распределения, и степень его извлечения является относительно низкой. Степень извлечения можно повысить путем увеличения количества используемого экстр агента, но с увеличением объемного соотношения потоков экстрагента и исходного раствора снижается концентрация экстракта, что удорожает извлечение конечного продукта. По этим причинам одноступенчатую экстракцию применяют в промышленной практике лишь в тех случаях, когда коэффициент распределения очень высок. Процесс может проводиться как периодически, так и непрерывным

75 способом — при непрерывном возврате экстрагента в смеситель (после его регенерации). Устройство экстракционных аппаратов В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: 1) ступенчатые, где изменение состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени, из, которых состоит аппарат; 2) дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непрерывному. Обычно в экстракторах для создания возможно большей поверхности контакта фаз и,

10

7

соответственно, для увеличения скорости массопередачи одна из жидкостей (дисперсная фаза) распределяется в другой жидкости (сплошная фаз а) в виде капель. В зависимости от ис-точника энергии, используемой для диспергирования одной фазы в другой и перемешивания фаз, экстракторы каждой из указанных выше групп могут быть подразделены на аппараты, в которых диспергирование осуществляется за счет собственной энергии потоков (без введения дополнительной' энергии извне), и аппараты с введением внешней энергии во взаимодействующие жидкости. Эта энергия подводится посредством механических мешалок, сообщения колебаний определенной амплитуды и частоты (пульсаций или вибраций), путем проведения экстракций в поле центробежных сил и другими способами. В экстракторах после каждого процесса перемешивания следует разделение (сепарация) фаз. В зависимости от рода сил, под действием которых осуществляется сепарация, различают экстракторы с разделением фаз в поле сил тяжести — под действием разности удельных весов фаз (гравитационные экстракторы) и экстракторы с разделением фаз в поле центробежных сил (центробежные экстракторы). Вместе с тем по принципу организации процесса все экстракторы могут быть разделены на периодически действующие и непрерывно действующие. В настоящее время аппараты периодического действия применяются главным образом в лабораторной практике и сравнительно редко — в промышленных установках малой производительности. Приведенная классификация не отражает всех конструктивных особенностей аппаратов одного и того же типа; важнейшие из этих особенностей будут отмечены ниже при рассмотрении экстракторов различных типов. Ступенчатые экстракторы Смесительно-отстойные экстракторы. Экстракторы этого типа относятся к числу старейших экстракционных аппаратов. Каждая ступень смесительно-отстойного экстрактора состоит из смесителя, где жидкости перемешиваются до состояния, возможно более близкого к равновесному, и отстойника, где происходит отделение экстракта от рафината. В пределах ступени фазы движутся прямотоком друг к другу, но установка в целом, состоящая из любого числа последовательно соединенных ступеней, работает при противоточном движении фаз. Ступени аппарата располагаются в одной горизонтальной плоскости или устанавливаются в виде каскада. Принцип работы смесительно-отстойного экстрактора виден из рис.76, на котором для простоты изображены только две ступени аппарата. Легкая фаза а подается в смеситель первой ступени, куда параллельным током поступает тяжелая фаза из отстойника 2 следующей (второй) ступени. После смешения фазы расслаиваются в отстойнике первой ступени, из которого тяжелая фаза отводится в качестве конечного продукта в, а легкая фаза направляется во вторую ступень. Здесь она смешивается со свежей тяжелой фазой б и отделяется от нее в отстойнике 2 второй ступени. Из этого отстойника сверху удаляется легкая фаза (конечный продукт г), а снизу отводится тяжелая фаза, поступающая на смешение в первую ступень.

10

8

Рис. 76. Схема смесительно-отстойного экстрактора: 1— смеситель; 2 — отстойник; а — легкая фаза; б — тяжелая фаза; в — конечный продукт (тяжелая фаза); г — конечный продукт (легкая фаза). Перемещение и смешение жидкостей может производиться не только с помощью механических мешалок (как показано на рис. 76), но и посредством насосов, инжекторов и другими способами. Точно также разделение фаз можно осуществлять не только в гравитационных отстойниках (рис. 76), но и в сепараторах центробежного типа, например в гидроциклонах или центрифугах. Поэтому число вариантов конструкций смесительно-отстойных экстракторов велико. Так, для того чтобы уменьшить площадь, занимаемую аппаратом, применяют компактные ящичные экстракторы. В ящичном экстракторе (рис. 77) все ступени расположены в общем, корпусе прямоугольного сечения. Тяжелая фаза поступает в смеситель, расположенный в правом верхнем углу корпуса, и удаляется снизу из крайнего отстойника с левой стороны корпуса. Как видно из рисунка, в аппарате легкая фаза движется противотоком к тяжелой. Тяжелая фаза (см. сечение по А—А) удаляется через гидравлический затвор из нижней части отстойника в следующий смеситель, а легкая фаза переливается через порог и отводится из верхней части отстойника. В смесительно-отстойных экстракторах достигается интенсивное взаимодействие между фазами, причем эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделения. Эти аппараты хорошо приспособлены для обработки жидкостей при значительно отличающихся объемных расходах фаз, например при соотношениях расходов, 10:1 и более. Для уменьшения объемного соотношения фаз иногда используют частичную рециркуляцию фазы с меньшим объемным расходом из отстойника в смеситель каждой ступени, как показано пунктиром на рис. 77. Важным достоинством смесителей-отстойников является возможность их эффективного применения для процессов экстракции, требующих большого числа ступеней. Смесительно-отстойные экстракторы занимают большую площадь, чем колонные аппараты, но зато требуют меньшей высоты производственного помещения (при горизонтальном расположении ступеней). Недостатком смесителей-отстойников многих конструкций является медленное отстаивание в них жидкостей, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных или легковоспламеняющихся веществ. Кроме того, наличие мешалок с приводом в каждой ступени усложняет конструкцию аппарата и приводит к повышению капитальных затрат

10

9

Рис. 77. Схема ящичного смесителыю-отстойного экстрактора: 1 — смеситель; 2 — отстойник. и эксплуатационных расходов. В связи с этим за последние годы наметилась тенденция к применению колонных экстракторов с единым приводом для всех перемешивающих устройств, расположенных по высоте колонны (см. ниже), в том числе вертикальных ящичных экстракторов. Дифференциально-контактные экстракторы Гравитационные экстракторы (без подвода внешней энергии) Распылительные колонны. Распылительный колонный экстрактор представляет собой полую колонну, внутри которой имеются лишь устройства для ввода легкой и тяжелой фаз. На рис. 78 показан распылительный экстрактор, в котором диспергируется легкая фаза, поступающая в корпус через распределитель 2. Проходя через отверстия распределителя, легкая фаза в виде капель движется снизу в верх сквозь тяжелую фазу, заполняющую смесительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают отстойные зоны, обычно имеющие больший по сравнению со смесительной зоной диаметр для лучшего отстаивания жидкостей. В верхней отстойной зоне капли сливаются и образуют слой легкой фазы, которая отводится сверху колонны. Тяжелая жидкость поступает через трубы 3 и движется в виде сплошной фазы сверху вниз. Она удаляется из колонны через гидравлический затвор 4, с помощью которого достигается полное заполнение жидкостью корпуса колонны. В соответствии с высотой перелива тяжелой жидкости устанавливается положение уровня раздела фаз в колонне. Снижая высоту перелива, можно перемещать уровень раздела в любое сечение смесительной зоны, а также в нижнюю отстойную зону колонны. Обычно в промышленных экстракторах положение уровня раздела фаз автоматически регулируется вентилем 5, установленным на выходе тяжелой жидкости из колонны, который соединяется с датчиком, контролирующим положение уровня раздела. Каждой скорости тяжелой жидкости должна соответствовать некоторая предельно-допустимая скорость легкой жидкости, и наоборот. С увеличением скорости легкой жидкости возрастает число капель в единице объема аппарата, и их движение происходит во все более стесненных

11

0

условиях. В результате увеличивается объемная доля диспергируемой фазы (ее задержка в аппарате), что уменьшает долю поперечного сечения, свободного для прохода сплошной фазы. Это, в свою очередь, вызывает возрастание локальных скоростей сплошной фазы, которая начинает уносить все большее число капель в направлении, обратном направлению движения дисперсной фазы. Возникают циркуляционные токи дисперсной фазы, т. е. обратное перемешивание (см. стр. 123), которое существенно уменьшает движущую силу и соответственно интенсивность массопередачи в распылительных экстракторах.

Рис.78. Распылительный колонный экстрактор: 1—корпус; 2—распылитель легкой жидкости (дисперсной фазы); 5 —трубы для ввода тяжелой жидкости (сплошной фазы); 4— гидравлический затвор; 5 — регулирующий вентиль. Возрастание уноса приводит, в конечном счете, к образованию второй поверхности раздела фаз в нижней отстойной зоне (см. рис.78), нарушению противотока и «захлебыванию» колонны. Аналогичное влияние оказывает уменьшение доли поперечного сечения аппарата распределителем для диспергируемой фазы: капли укрупняются и легко увлекаются сплошной фазой. Для того чтобы по возможности свести к минимуму явления, ускоряющие «захлебывание», распределитель дисперсной фазы устанавливают в нижней расширенной части колонны, где скорость сплошной фазы уменьшается, а сплошную фазу вводят, как показано на рис. ХШ-19, чтобы устранить возмущение потока на входе в колонну. Распылительные экстракторы отличаются высокой производительностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью массопередачи, обусловленной обратным (продольным) перемешиванием. Величина ВЕП в них достигает нескольких метров. Это является основной причиной весьма ограниченного промышленного применения распылительных колонн. Полочные колонные экстракторы. Полочные экстракторы представляют собой колонны с тарелками-перегородками различных конструкций. Перегородки имеют форму либо

11

1

чередующихся дисков и колец (рис. 79), либо глухих тарелок с закраинами и сегментными вырезами, которые устанавливаются так же, как в барометрических конденсаторах (см. рис. 79, а), либо форму дисков с вырезами, показанных на рис. 79, б. Расстояние между соседними полками составляет обычно 50—150 мм. Капли, коалесцируя, обтекают перегородки в виде тонкой пленки, омываемой сплошной фазой. Интенсивность массопередачи в полочных колоннах несколько выше, чем в распылительных, главным образом за счет их секционирования посредством перегородок, что приводит к уменьшению обратного перемешивания. Насадочные и сетчатые колонные экстракторы. Эти экстракторы по существу не отличаются от обычных насадочных и ситчатых колонн, широко применяемых для процессов абсорбции и других массообменных процессов. В насадочных экстракторах насадка обычно располагается на опорных колосниковых решетках слоями высотой от 2 до 10 диаметров колонны. При таком размещении насадки жидкости дополнительно перемешиваются в пространстве между ее слоями. Одна из фаз диспергируется с помощью распределительного устройства и движется в колонне противотоком к сплошной фазе. Проходя через насадку, капли многократно коалесцируют и вновь дробятся. Их окончательная коалесценция и образование слоя диспергируемой фазы происходят в отстойной зоне колонны по выходе из слоя насадки. Соответственно в одной из отстойных зон (верхней или нижней) поддерживается уровень поверхности раздела фаз.

Рис. 79. Полочные колонные экстракторы: а—с полками типа диск—кольцо; б—с чередующимися полками типов I и II. В качестве насадки наиболее часто используют керамическую насадку (кольца Рашига). Важное значение для гидродинамических условий работы насадочных экстракторов имеет смачиваемость материала насадки жидкостями. Для того чтобы поверхность контакта фаз определялась поверхностью капель диспергированной фазы, сплошная фаза должна лучше смачивать насадку, чем диспергированная. В противном случае капли сливаются в пленки; при этом поверхность контакта фаз ограничивается геометрической поверхностью самой насадки.

11

2

В ситчатом экстракторе диспергируемая фаза, например легкая, как показано на рис.80, проходя через отверстия ситчатых тарелок, многократно дробится на капли и струйки, которые, в свою очередь, распадаются на капли в межтарелочном пространстве. После взаимодействия со сплошной фазой капли коалесцируют и образуют слой легкой фазы под каждой вышерасположенной тарелкой. В случае если диспергируется тяжелая фаза, то слой этой жидкости образуется над тарелками. Когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для преодоления сопротивления отверстий тарелки, жидкость, проходя через отверстия тарелки, диспергируется вновь. Сплошная фаза(в данном случае — тяжелая жидкость) перетекает с тарелки на тарелку через переливные патрубки. Все гравитационные экстракторы отличаются простотой конструкции, обусловленной отсутствием движущихся частей. Соответственно стоимость этих аппаратов и расходы, связанные с их эксплуатацией, относительно невелики. Однако в большинстве случаев (исключая процессы обработки систем жидкость — жидкость с низким межфазным натяжением) интенсивность массопередачи в гравитационных экстракторах низка. Это объясняется тем, что дл» систем Тяжелая жидкость Легкая жидкость

Легкая жидкость Рис. 80. Ситчатый колонный экстрактор. Легкая жидкость

ж идкость — жидкость разность плотностей фаз значительно меньше, чем для систем пар (газ) — жидкость и обычно недостаточна для тонкого диспергирования одной жидкой фазы в другой, необходимого для создания значительной поверхности контакта фаз. Гравитационные экстракторы мало пригодны для работы с большими соотношениями расходов фаз.

11

3

Вопросы для проверки

1. Общие сведения о процессе экстракции и область применения 2. Что такое экстрагент, экстракт и рафинат. 3. Схема процесса экстракции в системах жидкость-жидкость и ее описание 4. Достоинство процесса экстракции по сравнению с другими процессами разделения

жидких смесей 5. Использование процесса экстракции при извлечении летучих вешеств 6. Методы экстракции смесей органических веществ взависимости от числа применяемых

экстрагентов 7. Одноступенчатая экстракция, схема и описание 8. Схема и принцип работы ступенчато-отстойного экстрактора 9. Схема и принцип работы распылительного колонного экстрактора 10. Полочные колонные экстракторы

Литература Фарамазов С.А. Оборудование нефтерперерабатывающих заводов и его эксплуатация, -М., Химия, 1984 Рудин М.Г.,Смирнов Г.Ф. Проектирование нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов - Л.,Химия, 1984 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.,Химия, 1971. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. М.,Химия, 1980 Кузнецов А.А.,Кагерманов С.М.,Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Л.,Химия,1974 Эмирджанов Р.Т.,Лемберанский Р.А. Основы технологических расчетов в нефтепереработке и нефтехимии. М.,Химия, 1989

2.2 Методические указания к выполнению

практических работ

КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ

НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДОВ

11

4

Все процессы, осуществляемые на нефтеперерабатывающих производствах, в зависимости от основных

законов, объединяющих их, подразделяют на следующие группы:

1) гидромеханические процессы (перемещение жидкостей и газов, разделение жидких и газовых

неоднородных систем, перемешивание жидкостей);

2) массообменные процессы (объединены законами масс - передачи и включают перегонку,

ректификацию, абсорбцию, адсорбцию, экстракцию, кристаллизацию и сушку);

3) тепловые процессы (объединены законами теплопередачи и включают нагревание, охлаждение и

конденсацию, выпаривание) ;

4) механические процессы (измельчение, транспортирование, классификация и смещение твердых

веществ);

5) химические процессы (объединены законами химической кинетики и включают разнообразные

химические реакции).

Все перечисленные процессы протекают в соответствующих аппаратах и машинах, конструкция которых

определяется наиболее целесообразным способом и конкретными условиями осуществления данного

процесса.

Однотипные физические, физико-химические и химические процессы в основном характеризуются

общими закономерностями и в различных производствах осуществляются в машинах и аппаратах,

работающих по одному принципу.

Классификация технологического оборудования в соответствии с процессами, которые в нем

протекают, удобна не только для изучения, «о и для комплексного технологического и механического

расчета каждого аппарата или машины.

Проведение гидромеханических процессов обеспечивается насосами (для перемещения жидкостей),

компрессорными машинами (для перемещения и сжатия газов), отстойниками (для осаждения под

действием сил тяжести твердых частиц или капелек воды, распределенных в жидкой фазе), фильтрами

(для разделения суспензий, содержащих мелкие взвешенные частицы, которые задерживаются

пористыми перегородками), центрифугами (для разделения эмульсий и суспензий в поле центробеж-

ных сил), мешалками (для получения однородных растворов, эмульсий, суспензий, а также для

интенсификации диффузионных и тепловых процессов) и другими машинами и аппаратами.

Для осуществления тепловых процессов применяют трубчатые печи огневые нагреватели, в которых

тепло сжигаемой топлива передается сырью, и теплообменные аппараты, в которых регенерируется

тепло нефтеперерабатывающих установок или конденсируются пары и охлаждаются отходящие от

установок дистилляты.

Для массообменных процессов применяют главным образа колонные аппараты: ректификационные

колонны, абсорберы адсорберы, десорберы, экстракторы и т. д.

11

5

Механические процессы осуществляются в дробилках, мельницах, классификаторах и дозаторах

твердых материалов.

Химические процессы протекают в реакционных аппаратах различных конструкций — реакторах.

По способу организации основного технологического процесса аппараты подразделяют на аппараты

периодического и непрерывного действия.

Аппараты периодического действия через определенные промежутки времени сначала загружают

исходными сырьем и материалами, а после завершения процесса разгружают от конечного продукта.

Такой цикл повторяется в течение всего времени осуществления технологического процесса.

Особенностью аппаратов непрерывного действия является непрерывное поступление исходных сырья

и материалов и непрерывная выгрузка целевых продуктов. При установившемся процессе загрузка и

разгрузка аппарата происходят единовременно, без циклов.

Методы и последовательность расчета оборудования

Изготовлению каждого аппарата (или машины) предшествует его проектирование (конструирование). В

зависимости от значимости оборудования, его изученности, наличия типовых проектов или

апробированных решений проектируют его в одну или две стадии. В большинстве случаев

оборудование проектируют в одну стадию, при этом проектная организация выдает заказчику

технология рабочий проект, содержащий всю необходимую документацию (схемы, чертежи, сметы)

для изготовления, данного оборудования.

Оборудование, не имеющее прототипа, мало изученное, играющее основную роль в технологическом

процессе, проектируют в две стадии. Первая стадия - технический проект. На этой стадии решаются

принципиальные вопросы и проводятся укрупненные расчеты. Технический проект содержит

подробные разработки и конкретные решения конструкции оборудования, что позволяет тщательно

разработать и проанализировать проект, чтобы избежать возможных ошибок. На базе уточненного и ут-

вержденного технического проекта составляют рабочие чертежи (вторая стадия проектирования).

Основными данными для проектирования являются: производительность, режим работы, расходные

нормы, условия нормальной работы, коррозионные и токсические свойства сырья. И получаемых

продуктов, а также требования техники безопасности при проведении данного процесса.

Производительность может быть задана по сырью, целевому продукту, полуфабрикатам, реагентам,

тепло и хладоносителям и т. д. Режимом работы предусматривается продолжительность. Работы

непрерывно действующего оборудования или продолжительность отдельных операций и циклов для

периодически действующего оборудования. Некоторые данные находят расчетным путем, например

выход целевого продукта или полуфабрикатов, если задано их качество.

Проектирование аппаратов и машин включает их технологический и механический расчет.

Технологический расчет

Технологический расчет необходим для определения основных размеров оборудования,

обеспечивающих оптимальный режим его работы. Для этого рассчитывают массовые потоки перера-

батываемых материалов, энергетические затраты, необходимые для осуществления процесса. Путем

11

6

анализа кинетических закономерностей находят такие оптимальные условия процесса, при которых

размеры оборудования, минимальны. Например, при проектировании теплообменных аппаратов

можно при различных размерах поверхностей теплообмена обеспечить равное количество

передаваемого тепла за счет соответствующих скоростей движения теплообменивающихся сред. Чем

больше эти скорости, тем меньше требуемая поверхность теплообмена, но тем выше затраты энергии

на преодоление гидравлических сопротивлений, вызванных увеличением скорости. Поэтому при про-

ектировании рассчитывают несколько вариантов, чтобы был возможен выбор наиболее эффективных

условий работы при наименьших затратах.

Вопросы для проверки

1. На какие группы подразделяются процессы осуществляемые на нефтеперерабатывающих производствах

2. Гидромеханические процессы на НПЗ

3. Массообменные процессы на НПЗ

4. Тепловые процессы на НПЗ

5. Мезанические процессы на НПЗ

6. Химические процессы на НПЗ

7. Аппараты периодического и непрерывного действия, отличительные особенности аппаратов непрерывного действия

8. Основные данные необходимые для проектирования

9. Определение основных размеров оборудования

10. Технологический расчет

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА АППАРАТА

Технологический расчет оборудования проводят в определенной последовательности. Сначала на

основе законов сохранения массы и энергии составляют материальный и энергетический (тепловой)

балансы по следующим уравнениям:

Gн= Gk+ Gн.n (7) Qн= Qk+ Qn (8)

где Gн — масса исходных (начальных) материалов; Gк — масса целевых (конечных) продуктов; Он.п —

масса необратимых потерь вещества; 2<2н — вводимое (начальное) тепло; Qк — тепло, уходящее

11

7

из аппарата с продуктами (конечное); Qп — потери тепла в окружающую среду.

Материальный баланс для непрерывных процессов составляют

на единицу времени, для периодических — на одну операцию.

Вводимое тепло включает тепло, вносимое с исходными веществами, тепло, подводимое извне, и

тепловой эффект физических или химических превращений. Тепловой эффект является положительной

величиной, если процесс сопровождается выделением тепла, и отрицательной — если в ходе процесса

тепло поглощается.

Материальный и энергетический (тепловой) балансы для удобства составляют в виде схем или таблиц,

где указывают все статьи поступления и расхода. В случае сложных аппаратов материальный и

энергетический балансы составляют для отдельных частей (участков) аппарата.

После составления материального и энергетического (теплового) балансов находят движущую силу и

скорость процесса, протекающего в аппарате, чтобы определить основные размеры последнего.

Известно, что всякий процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия.

Например, при контакте двух тел, имеющих разные температуры, процесс завершится тогда, когда

температура обоих тел станет одинаковой; т. е. наступит состояние равновесия. Разность температур

тепло-обменивающихся тел является движущей силой процесса теплообмена. Чем больше эта

разность, т. е. чем больше отличается состояние системы от условий, соответствующих равновесным,

тем интенсивнее протекает процесс. Таким образом, степень отличия системы от равновесной

представляет собой движущую силу процесса.

При расчете каждого аппарата необходимо определить движущую силу процесса, исходя из величин,

характеризующих рабочие и равновесные параметры. Связь между размерами аппарата, движущей

силой процесса и его скоростью можно выразить уравнением

M/(F )=K (9)

где М — количество передаваемого вещества или тепла; F — поверхность, через которую они

передаются; т — время, за которое осуществляется эта передача; — движущая сила процесса; К. —

коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса (выбирают на основании

экспериментальных данных либо определяют расчетным путем).

Из уравнения (9) находят рабочую поверхность аппарата, обеспечивающую протекание процесса при

всех остальных заданных величинах, входящих в уравнение. Из этого уравнения можно также

определить рабочий объем аппарата V, зная, что F =аV (где а — поверхность, приходящаяся на единицу

объема аппарата).

При известных объеме среды, находящейся в аппарате в единицу времени V сек, и линейной скорости

движения среды в аппарате можно найти площадь поперечного сечения аппарата S по

соотношению (10). Зная S, определяют линейные размеры поперечного сечения аппарата, исходя из

формы сечения. Для цилиндрических аппаратов находят их диаметр D по соотношению (11). Высоту

11

8

(длину) аппарата H определяют из соотношения (12).

S=Vсех/ (10) Д=2 (11) H=V/S (12)

Расчетную высоту (длину) аппарата уточняют в зависимости от размеров устройств, которые должны

быть в нем размещены, а также с учетом необходимости проведения ремонтных работ и удобства

обслуживания.

При технологическом расчете аппаратов периодического действия необходимо учитывать время на

подготовку процесса перед каждым циклом, т. е. время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку,

промывку и другие вспомогательные операции, не имеющие прямого отношения к тому процессу, для

которого предназначен аппарат.

Рабочий объем V периодически действующего аппарата определяют по формуле (13). Если при расчете

получился очень большой рабочий объем V, то, задавшись объемом одного аппарата Vа, определяют

число необходимых для процесса однотипных аппаратов п по формуле (1.8):

V=cyr K/(24 ) (13) n=V/Va (14)

где Усут — суточная производительность аппарата или группы аппаратов, предназначенных для данного

процесса; т — продолжительность технологического цикла, состоящего из собственно процесса и всех

вспомогательных операций; k — коэффициент, запаса производительности; F- коэффициент заполнения

аппарата.

Коэффициент запаса производительности R, учитывающий непроизводительные простои аппарата на

ремонт, наладку и т. д., принимают равным 1,1 — 1,15. Коэффициент заполнения обычно

принимают равным 0,4 — 0,9, причем нижний предел принимают для аппаратов с перемешивающими

устройствами, а также для аппаратов, в которых возможно образование пены, а верхний предел — для

аппаратов, в которых поверхность среды относительно спокойна.

При определении объема аппарата следует учитывать, что ГОСТ устанавливает следующий ряд

номинальных объемов (м3) сосудов и аппаратов: 0,010; 0,016; 0,025; 0,040; 0,063; 0,100; 0,125; 0,160;

0,200; 0,250; 0,32; 0,40; 0,50; 0,63; 0,80; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 3,2; 4,0; '5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0;

20,0; 25,0; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500.

Внутренний объем крышек, люков, штуцеров, а также объем защитной футеровки и других покрытий

при определении номинального объема аппарата не учитывается.

Для газгольдеров, емкостей под нефтепродукты, аппаратов колонного типа, теплообменников и

некоторых других аппаратов приведенный выше нормальный ряд объемов не обязателен.

Зная объем аппарата, нетрудно определить его размеры. Для этого задаются площадью сечения и

определяют высоту (длину) аппарата или, наоборот, задавшись высотой (длиной), определяют площадь

поперечного сечения и, следовательно, диаметр аппарата. ТОСТ предусматривает геометрические

размеры аппарата, подбираемые по его емкости.

11

9

Наряду с основными размерами аппарата при проведении технологического расчета определяют или

задают тепловой режим, расход теплоносителей, потери напора, потребные мощности и другие

параметры, без которых невозможно проектирование оборудования.

Механический расчет

Процессы, для которых проектируется оборудование нефтеперерабатывающих заводов, отличаются

чрезвычайным разнообразием параметров. Основными эксплуатационными параметрами являются

температура, давление и физико-химические свойства среды. Следует учитывать, что технологическое

оборудование непосредственно контактирует с рабочими средами, а при широком интервале

параметров процесса часто проявляется сильное агрессивное воздействие среды, зависящее от её

физического . состояния и химических свойств.

Оборудование должно быть надежным и безопасным в эксплуатации. Повышенные взрыва и

пожароопасность среды, высокая производительность и продолжительная непрерывная работа

оборудования нефтеперерабатывающих заводов обусловили дополнительные требования к его

конструкции. Оборудование считается надежным, если оно полностью соответствует технологическому

назначению в пределах заданных параметров рабств!, если исключена возможность нарушения

целостности и пригодности всей конструкции, ее узлов и деталей и, следовательно, возможность

аварий.

Автоматическое регулирование и поддержание заданного режима технологического процесса в

сочетании с разнообразными частными решениями (например, установка предохранительных

клапанов, систем сигнализации и др.) обеспечивают работу оборудования в строго определенных

пределах параметров. Поэтому надежность оборудования обусловлена, прежде всего, его

конструкцией и уходом задним в процессе эксплуатации.

Надежность конструкции обеспечивается механическим расчетом, т. е. расчетом на прочность

оборудования в целом, его узлов и деталей. Для изготовления оборудования выбирают такие

конструкционные материалы, свойства которых на протяжении установленного срока непрерывной

эксплуатации не ухудшаются и соответствуют допускаемым для каждого конкретного случая нормам.

Конструкция должна обеспечить наибольшую долговечность оборудования, т. е. продолжительность

сохранения минимально допустимой надежности в условиях эксплуатации и принятой системы

обслуживания (ухода и ремонтов). Однако при повышении долговечности конструктивным путем

(увеличением толщины стенки аппарата, диаметра вала машины и т. д.) или путем применения

высококачественных конструкционных материалов возрастает стоимость оборудования, что не всегда

целесообразно. Следует, помнить, что в связи с совершенствованием технологических процессов

переработки нефти требуется частое переоснащение технологических установок и целых комплексов. В

этих случаях оборудование списывают не из-за потери надежности, а ввиду того, что оно устаревает

морально. Поэтому при установлении проектной долговечности следует исходить из перспективности

технологического и конструктивного решения каждого вида оборудования.

Конструкция оборудования должна быть технологичной. В изготовлении, удобной для

транспортировки, монтажа и ремонта, а также максимально экономичной, что определяется, прежде

всего, минимальным расходом конструкционных материалов, особенно дефицитных, дорогостоящих.

Только правильно проведенный расчет на прочность или жесткость может удовлетворить всем

12

0

требованиям, предъявляемым к конструкции оборудования.

После определения всех конструктивных размеров аппарата или машины составляют рабочие чертежи,

по которым на машиностроительном заводе изготовляют данное оборудование.

Несмотря на многообразие процессов, и видов оборудования в нефтеперерабатывающей

промышленности, за последние годы проведена большая работа по унификации ряда аппаратов и

машин, а также узлов и деталей к ним. Это значительно облегчило их проектирование и изготовление и

повысило эффективность использования.

На многие аппараты и машины утверждены Государственные стандарты (ГОСТ), надругие

распространены отраслевые стандарты (ОСТы) и отраслевые нормали (ОН). При проектировании

необходимо строго придерживаться нормативных материалов, область действия которых постоянно

расширяется.

Вопросы для проверки

1. Уравнение материального баланса

2. Уравнение теплового баланса

3. Что такое движущая сила процесса

4. Материальный баланс для непрерывных и периодических процессов

5. Уравнение зависимости размера аппарата от движущей силы процесса

6. Формула расчета площади поперечного сечения аппарата

7. Формула расчета рабочего объема периодически действующего аппарата

8. Как обеспечивается надежность конструкции оборудования

9. Требования к конструкции оборудования

10. Как можно определить размеры аппарата зная его объем

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Корпус ректификационной колонны

На рис.68 представлена схема устройства ректификационной колонны. Колонна состоит из

вертикального корпуса с юбкой, которая закрепляется на фундаменте болтами. Сверху и снизу корпус

12

1

колонны закрыт сферическими или эллиптическими днищами. Внутри колонны смонтированы

ректификационные тарелки, улита, отбойник, паровой маточник. Колонна снабжена штуцерами для

отвода целевого продукта паров в конденсатор-холодильник, откачки отпаренного остатка, ввода верх-

негр острого орошения, ввода сырья, отвода боковых погонов, возврата паров из стриппинг колонны,

подачи боковых орошений и др.

Конструктивное исполнение корпусов колонн зависит от их назначения и режима работы. В

зависимости от давления в процессе эксплуатации колонны подразделяются на атмосферные,

вакуумные и находящиеся под давлением. В двух последних давление (вакуум) зависит от выбранного

технологического режима. В атмосферных же колоннах незначительное давление (обычно не

превышающее 0,05 МПа) является результатом сопротивления движению паров и жидкости внутри

колонны и в коммуникациях после колонны.

Диаметр колонны определяют из уравнения расхода по объему поднимающихся паров и допустимой

их скорости:

где V — максимальный объемный расход паров, поднимающихся по рассчитываемому сечению

колонны; уд — допустимая линейная скорость паров в свободном сечении колонны; О —

максимальный массовый расход паров.

Максимальные объем или вес паров находят из материального баланса колонны. Для различных

сечений колонны объемы паров неодинаковы, поэтому расчет ведут по максимальным объемам.

Однако в тех случаях, когда объемы паров для различных сечений значительно отличаются друг от

друга, для экономного использования металла, уменьшения веса аппарата и поддержания

рационального режима эксплуатации колонну выполняют с разными диаметрами по высоте.

Диаметр колонны тем меньше, чем больше допустимые скорости паров. Поэтому выбор скоростей —

весьма ответственный этап расчета колонны. Следует иметь в виду, что увеличение скоростей, в

конечном счете, вызывает необходимость неоправданного увеличения числа тарелок.

Допустимые скорости движения паров определяют по уравнениям и графикам. Значения их зависят от

различных факторов, в том числе от конструкции тарелок, расстояния между ними, плотностей жидкой

и паровой фаз в рассматриваемом сечении, поверхностного натяжения и т. д. Подробные сведения и

методики определения допустимых скоростей даны в специальной литературе, где приведен

технологический расчет аппаратов. Например, для колонн с колпачковыми тарелками (при расстоянии

между ними 0,7—0,8 м) допустимую, линейную скорость определяют по формуле

(30)

где ржи рп — плотность, жидкости и пара в рассматриваемом сечении колонны.

При скоростях, существенно превышающих рассчитанную по формуле (У.в), может произойти унос

потоком пара капелек жидкости с данной тарелки на вышележащую. На практике условия эксплуатации

принято считать нормальными, если скорости паров находятся в пределах 0,5—1,2 м/с в атмосферных

колоннах и 1,5—3,5 м/с в вакуумных колоннах.

Для колонн с сетчатыми или решетчатыми тарелками провального типа диаметр определяют из

12

2

условия, что скорости паров в колонне находятся в пределах между минимальной и максимальной

допустимыми скоростями, при которых обеспечивается необходимый слой жидкости на поверхности

тарелки и в то же время не происходит захлебывания. Полученный расчетом диаметр округляют до

ближайшего, большего диаметра, предусмотренного действующими нормалями. В процессе экс-

плуатации обычно приходится выполнять проверочный расчет для данного режима работы колонны.

Для этого при известном диаметре колонны определяют фактическую линейную скорость паров и

сравнивают ее с допустимой.

Высоту колонны находят, зная число реальных тарелок и принятое расстояние между ними, а также

высоту участков питательной секции и высоту свободных объемов между днищами и крайними

тарелками. Размеры указанных участков принимают в зависимости от конструкции внутренних

устройств, возможности их монтажа и ремонта, а также с учетом необходимости отбора некоторого

количества жидкого остатка внизу колонны:

где Я — общая высота колонны (без юбки); 1Т — расстояние между соседними тарелками (обычно

постоянное для одной секции); Н\ — расстояние от верхнего днища до самой верхней тарелки; Лг —

расстояние от нижнего днища до самой нижней тарелки; Лп — высота питательной секции.

Колонны выполняют как одно целое с юбкой (опорой). Высота юбки обеспечивает необходимый

подпор жидкого остатка в колонне на всасывающей линии насоса, откачивающего его. Из этих

соображений юбки вакуумных колонн выполняют высотой до 10 м.

В остальных случаях высота юбки должна обеспечить свободный доступ обслуживающего персонала к

разъемным соединениям под днищем колонны для осмотра и ремонта.

Колонны работают при высоких температурах, содержащаяся в них среда огне и взрывоопасна и иногда

вызывает интенсивную коррозию и эрозию металла. Поэтому корпуса ректификационных колонн

относятся к весьма ответственным конструкциям. Их рассчитывают на совместное действие давления

(внутреннего или внешнего) и собственного веса со всеми внутренними устройствами и жидкостью.

Высота ректификационных колонн довольно велика, поэтому необходимо проверять их на

устойчивость против ветровой и сейсмической нагрузок.

В процессе эксплуатации при ремонтах систематически проверяют и замеряют фактическую толщину

стенки корпуса и днищ. При заметном изменении размеров корпуса по сравнению с проектным

проводят поверочный расчет, чтобы установить возможность дальнейшей эксплуатации колонны.

Результаты замеров и поверочного расчета оформляют документально.

Колонны, работающие под давлением, превышающим 0,07 МПа, подведомственны инспекции

Госгортехнадзора и подлежат специальному освидетельствованию и периодическому осмотру согласно

существующим инструкциям. Правила Госгортехнадзора требуют установки на всех аппаратах, рабо-

тающих под давлением, не менее одного предохранительного клапана. Колонны для разделения

сжиженных газов снабжаются двумя клапанами — контрольным и рабочим. Предохранительные

клапаны для колонн выбирают по расчетному давлению, а устанавливают (регулируют) в соответствии с

рабочим давлением. Пропускная способность клапана или группы клапанов должна быть такой, чтобы

давление в колонне не превышало указанного ниже: при рабочем давлении до 0,3 МПа —0,05 МПа;

при давлении от 0,3 до 0,6 МПа — на 15%; при давлениях выше 6,0 МПа —на 10%.

12

3

Сброс клапана должен быть загерметизирован. Емкость для сброса не должна находиться под

избыточным давлением. Клапаны регулируют так, чтобы они открывались до создания в корпусе

аппарата максимально допустимого давления. Давление, при котором должны открываться клапаны,

устанавливают в соответствии с режимом работы, оговоренным в технологическом регламенте или в

технологической карте данной, установки. В общем случае регулировочные давления для

предохранительных клапанов, монтируемых на колоннах, можно определить по следующей таблице:

Принцип работы тарелки характеризуется способом контакта паров с жидкостью и движением

жидкости по поверхности тарелки, а также от тарелки к тарелке вниз по колонне. Принцип работы

колпачковой тарелки легко проследить по схеме тарелки с круглыми колпачками, приведенной на рис.

69. Поток паров через патрубки / (стаканы) попадает под круглые колпачки 2, установленные под ними.

Стаканы вварены или вальцованы в отверстия чугунного или стального диска 3

Рис.69. Схема работы колпачковой тарелки:

1 — стакан; 2 —колпачок; 3 — диск тарелки; 4 — сливная труба; 5 — сливная перегородка.

Рис. 70. 5-

образный

элемент

тарелки.

тарелки. В нижней части колпачка по всей его окружности имеются щели (прорези), погруженные в

жидкость, находящуюся на тарелке. Через эти прорези пары из-под колпачка попадают в жидкость, что

обеспечивает контакт между фазами.

Расчет диаметра трубопроводов

Правильное определение диаметра трубопровода обусловливает затраты на строительство, а также

энергетические и другие эксплуатационные расходы. Основой для расчета диаметра трубопровода

являются заданные производительность и скорость движения транспортируемой среды (жидкости,

газа). Из уравнения расхода

Vc= D2B / получим: D2

B=

где — внутренний диаметр трубопровода: — объемный расход жидкости в 1 — средняя скорость

жидкости.

Из этого уравнения следует, что диаметр трубопровода и, следовательно, его стоимость определяются

12

4

скоростью движения среды по трубопроводу. Однако нужно учесть, что увеличение скорости приводит

к росту потери напора (сопротивления) в трубопроводе. Это, в свою очередь, потребует больших

энергетических затрат для перекачивания цродукта. Поэтому определению диаметра трубопровода

должен предшествовать выбор оптимальной скорости движения среды по трубопроводу при заданных

условиях эксплуатации.

Для выбора скорости движения среды на основе оптимальных энергетических затрат необходимо знать

расчетные гидравлические сопротивления в трубопроводах. Общие гидравлические сопротивления в

трубопроводе обусловливаются сопротивлением трения и местными сопротивлениями.

Сопротивление трения зависит от геометрической характеристики трубопровода и режима течения

среды (ламинарный, турбулентный).

Местные сопротивления обусловливаются изменениями скорости потока по величине или

направлению. Они вызываются входом потока в трубу и выходом из нее, резким сужением или

расширением трубы, отводами, тройниками, сварными коленами, фланцевыми соединениями,

запорными и регулирующими,, устройствами (задвижки, вентили, краны, заслонки, кольцевые шайбы)

и др. Определение величин названных сопротивлений — задача сложная, требующая тщательного

подхода и учета многих факторов.

Для ламинарного режима движения жидкости по круглой трубе потерю напора на трение определяют

по формуле

2 64

HTp= ∙ где =

Dв 2q Re

где L — длина трубопровода; — коэффициент трения.

Для турбулентного режима можно пользоваться той же формулой для определения Лтр. Однако при

этом значение коэффициента трения R устанавливают не только расчетным путем, но главным образом

на основе обобщенных практических результатов. Например, при турбулентном движении в гладких

трубах ( Re=4-103 -105) коэффициент =0,316/

На коэффициент трения при турбулентном движении оказывает большое влияние шероховатость

внутренних стенок труб. Степень влияния можно определить по трафикам и таблицам в справочной

литературе.

Значения местных сопротивлений определяют суммированием их на всех участках, где они возникают.

Сумму всех местных сопротивлений трубопровода определяют по формуле.

Для практических расчетов в справочной литературе приводятся значения коэффициентов местных

сопротивлений для различных конструктивных элементов трубопроводов. Эти коэффициенты

представляют собой отношение местного сопротивления к скоростному напору.

12

5

Значения коэффициентов местных сопротивлений, установленных опытным путем, приведены ниже:

Местное сопротивление

Вход в трубу из сосуда большого объема

при острой входной кромке 0,5

при острой входной кромке и выступе трубы

внутрь сосуда на расстояние больше

половины диаметра трубы до 1,0

Выход из трубы в сосуд большого объема 1,0

Отвод под прямым углом с закруглением 0,14

Колено без закругления 1,1—1,3

Пробочный кран

открытый 0,05

прикрытый от 2 до 95

Вентиль стандартный при полном открытии

при =13 мм 11

при =20 мм 8

при =40 мм и более I . 4 — 6

Как видно из приведенных выше формул, для определения сопротивления и диаметра трубопровода

необходимо задаться некоторой оптимальной скоростью потока. Значением ее задаются согласно

рекомендациям, основанным на технико-экономических соображениях.

Ниже приведены рекомендуемые пределы изменения скорости движения жидкостей, газов и паров в

промышленных трубопроводах:

Среда , м/с

Среда , м/с

Жидкостей Газы маловязкие

12

6

Не выше 3 под давлением до вязкие

Не выше 1 0,1 МПа 8 — 15

движущиеся само под давлением

вытеком 0,2—1 вше 0,1

МПа 20—30

при перекачивании Перегретый водяной

насосом 1 — 3

пар 30 — 50

Рекомендации по выбору трубопроводной арматуры

Материальное оформление деталей арматуры зависит от условий эксплуатации — давления и

температуры перекачивания — :и физико-химических свойств среды. Арматуру из цветных металлов

следует применять только тогда, когда по условиям эксплуатации чугунная и стальная арматура

непригодна (например, при перекачивании сред с температурой ниже—40 °С}.

При выборе арматуры для нефтеперерабатывающих заводов ъ основном применяют задвижки,

особенно при диаметре трубопровода более 50 мм. Задвижки отличаются малым гидравлическим

сопротивлением и допускают движение среды в обоих направлениях.

Вентили применяют для трубопроводов диаметром до 50мм; €олее крупные вентили используют тогда,

когда движение среды происходит только в одном направлении и не вызывает больших

гидравлических сопротивлений. Специальные вентили применяют для ручного дроссельного давления

(например, редукционный вентиль на установках термического крекинга).

При температуре среды в трубопроводе выше 200 °С, а также на трубопроводах для газов, бензинов и

токсичных жидкостей арматура должна быть только стальной.

При выборе чугунной арматуры следует дополнительно к общепринятым эксплуатационным условиям

учесть, что ее нельзя устанавливать на трубопроводах, подверженных вибрации, а также при резко

переменном тепловом режиме перекачки и в случае резкого охлаждения корпуса.

Вопросы для проверки

1. Устройство ректификационной колонны

2. От чего зависит конструктивное исполнение корпуса колонны

3. Причина увеличения давления в атмосферной колонне

12

7

4. Из какого уравнения определяется диаметр колонны

5. В каких случаях происходит унос жидкости на вышележащую

6. Определение высоту колонны

7. Для чего нужна длинная юбка колонны

8. Принцип работы колпачковых тарелок

9. Литература 1. Фарамазов С.А. Оборудование нефтерперерабатывающих заводов и его эксплуатация, -М., Химия, 1984 2. Рудин М.Г.,Смирнов Г.Ф. Проектирование нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов - Л.,Химия, 1984 3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.,Химия, 1971. 4. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. М.,Химия, 1980 5. Кузнецов А.А.,Кагерманов С.М.,Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Л.,Химия,1974 6. Эмирджанов Р.Т.,Лемберанский Р.А. Основы технологических расчетов в нефтепереработке и нефтехимии. М.,Химия, 1989

2.3 Методические указания к выполнению

лабораторных работ

Материальный баланс технологического расчета

Материальные балансы являются основой технологических расчетов. Цель

материального расчета заключается в определении расхода сырья и вспомога-

тельных материалов для обеспечения заданной производительности по целево-

му продукту. Все количественные соотношения при расчете химических про-

12

8

цессов определяются стехиометрией реакций. Материальный баланс основан на

стехиометрических законах: сохранения массы вещества, эквивалентов, объем-

ных отношений, Авогадро. Теоретический материальный баланс составляют по

уравнению целевой реакции с учетом побочных реакций. Для его составления

достаточно знать уравнения реакций и молярные массы компонентов. Техноло-

гические расчеты производств органического синтеза, в которых протекают га-

зофазные процессы, требуют применения газовых законов, характеризующих

состояние газа и устанавливающих взаимосвязь параметров состояния [15, 16].

Параметры состояния идеального газа определяют по уравнению Менде-

леева - Клапейрона:

pV=nRT=(m/M)RT,

где p – давление газа, Па; V – объем газа, м3; n – количество вещества, моль; m –

масса газа, кг; M – молярная масса газа, кг/моль; R – универсальная газовая по-

стоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); T – температура газа, К.

Молярный объем любого идеального газа при нормальных условиях

(p0=101325 Па, T0=273 К) равен 22,4 м3/кмоль. Для приведения объема газа

данной массы газа к реальным условиям применяют уравнение состояния:

pV/T= p0V0/T0

Плотность газа при рабочих условиях (p, T) можно определить по уравне-

нию:

М Т0 р

22,4 Т р0

12

9

Все физические константы газовой смеси (молярная масса, плотность, теп-

лоемкость и т.д.) можно вычислить по правилу аддитивности, если известен

молярный (объемный) состав газовой смеси. Так, средняя молярная масса газо-

вой смеси равна:

Мсм= ∑ yi Мi ,

где Мi – молярная масса, кг/кмоль и yi – молярная (объемная) доля i – го ком-

понента, содержащегося в смеси.

Практический материальный баланс учитывает составы исходного сырья

и готовых продуктов, избыток одного из компонентов сырья (массовое или мо-

лярное отношение реагентов), степень превращения реагентов, селективность

процесса, потери сырья и готовых продуктов на всех стадиях производства.

Сравнение данных теоретического и практического материальных балансов по-

зволяет выявить возможные пути усовершенствования данного процесса.

Материальный баланс для непрерывных процессов составляют в расчете

на часовую производительность цеха или установки, для периодических про-

цессов – в расчете на производительность цикла. Для выполнения материаль-

ных расчетов удобнее использовать расходы веществ, выраженные в кг/ч или

кмоль/ч. Сводные расчеты материального баланса выполняются в виде табли-

цы. Пример составления материального баланса представлен в табл.1.

Материальный баланс состоит обычно из двух частей: приходной и рас-

ходной. В левой (приходной) части указывают расход (массу) всех сырьевых

компонентов ∑Gприх , поступающих на переработку., в правой (расходной) части

∑Gрасх – расход (массу) получаемых целевого, побочных продуктов, отходов и

Gпот. – производственные потери продуктов:

∑Gприх. = ∑Gрасх. + Gпот.

13

0

Для наглядности и проверки правильности расчетов статьи материального

баланса обычно сводят в таблицу (табл. 5).

Материальные расчеты завершаются определением расходных коэффици-

ентов. Расходные коэффициенты – величины, характеризующие расход раз-

личных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, на единицу вырабатывае-

мой продукции.

Таблица 5

Пример составления материального баланса

Приход Расход

Статьи прихода кг/ч Статьи расхода кг/ч

1. Реагент 1

2. Реагент 2,

в том числе примеси

G1

G2

G3

1. Целевой продукт,

2. Побочный продукт

3. Отходы(примеси)

4. Производственные

потери

G4

G5

G3

Gпот.

Итого

∑Gприх.

Итого

∑Gрасх.

Тепловые расчеты технологического процесса

Процессы химической технологии в большинстве случае протекают при

определенных температурных условиях, и для их осуществления, как

правило, необходимо предварительно подогревать сырьевую смесь, отводить

13

1

или подво- дить тепло в зависимости от типа химической реакции. Тепловой

баланс техно- логического процесса или любого аппарата может быть

представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход тепла.

В основе уравнения теплового баланса любого процесса или его

стадии лежит закон сохранения энергии, в соответствии с которым в

замкнутой систе- ме сумма всех видов энергии постоянна [3, 15, 16].

Уравнение теплового баланса выражается формулой:

Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8 + Q9 ,

или в общем виде тепловой баланс можно представить равенством:

∑Qприх. = ∑Qрасх.,

где ∑Qприх. = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 , кВт; ∑Qрасх. = Q5 + Q6 + Q7 + Q8 + Q9 , кВт;

Q1 – количество теплоты, вносимое в процесс с исходными веществами, кВт;

Q2 и Q6 – теплота экзотермических и эндотермических реакций, кВт; Q3 и Q7 –

тепловой эффект экзотермических и эндотермических фазовых превращений

(конденсации, кристаллизации, испарения, растворения, плавления и др.), кВт;

Q4 –тепловой поток теплоносителя на входе в аппарат (с топочными газами, на-

гретым воздухом, водяным паром и др.), кВт; Q5 – теплота, уносимая из аппара-

та с продуктами реакции и непрореагировавшими исходными веществами, кВт;

Q8 – тепловой поток теплоносителя на выходе их аппарата, кВт; Q9 – тепловые

потери в окружающую среду теплота, кВт.

Целью теплового расчета, проводимого на основании теплового баланса,

является определение тепловых потоков хладагента или теплоносителя и их

расходов, температуры предварительного подогрева или охлаждения одного из

13

2

С р

потоков (сырья, циркулирующих жидкостей или газов), вычисление требуемой

поверхности теплообмена аппаратов.

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса и с уче-

том тепловых эффектов химических реакций и физических превращений тех-

нологических процессов. Сводные расчеты теплового баланса представляют в

виде таблицы.

Для аппаратов периодического действия тепловой баланс относят к от-

дельным периодам процесса, например, к периоду слива компонентов, подогре-

ва реакционной массы, выдержки, выгрузки и т. д. Тепловые потоки при расче-

те периодических процессов выражают в кДж/цикл, а расходы веществ – в

кг/цикл, кмоль/цикл, м3/цикл. При выполнении тепловых расчетов непрерывных

процессов тепловые потоки выражают в кВт, а расходы веществ – в кг/с,

кмоль/с, м3/с.

Тепловые потоки поступающего сырья Q1 и продуктов реакции Q5 опреде-

ляют для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него по

формуле

Q1(5) = Gct,

где G – массовый расход, кг/с; c – удельная теплоемкость при температуре по-

тока , Дж/(кг·К); t – температура веществ, ºС.

Значения удельных теплоемкостей веществ приводятся в справочниках

[11…14]. Теплоемкость всех веществ, особенно находящихся в газообразном

состоянии, как правило, растет с увеличением температуры. Поэтому при вы-

полнении тепловых расчетов определяют истинную молярную теплоемкость 0

компонентов при постоянном давлении по зависимости Ср = f (Т). Теплоем-

кость простых веществ и неорганических соединений рассчитывают по форму-

ле:

0 = а + bТ + с'/Т

2 ,

13

3

С р

теплоемкость органических веществ – по формуле:

0 = а + bТ + сТ

2

0

где Ср – молярная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(моль·К); а, b, 0

13

4

15

с', с – коэффициенты общего уравнения Ср = f (Т); Т – температура, К.

Значения эмпирических коэффициентов а, b, с', с находят по справочнику

[14], в котором также приводятся значения молярных теплоемкостей веществ

при Т = 298 К.

Теплоемкость смеси веществ рассчитывают по правилу аддитивности:

Ссм= ∑ Сi хi ,

где Ссм – теплоемкость смеси, Дж/(моль·К); Сi – молярная теплоемкость ком-

понента, Дж/(моль·К); хi – молярная доля i – го компонента, содержащегося

в смеси.

Теплоемкость химического соединения при отсутствии справочных дан-

ных можно рассчитать по эмпирическим формулам. Так, теплоемкость газов

и паров приближенно рассчитывают по их молекулярному составу, используя

формулу [15]:

С = 4187[(2·п + 3) / М] ,

где С – удельная теплоемкость, Дж /(кг·К); п – число атомов в молекуле

соеди- нения; М – молярная масса, кг/кмоль.

Для вычисления истинной удельной теплоемкости жидких

нефтепродуктов используют эмпирическую формулу Крега [12]:

C 1,687 0,00339t

,

15

15

где С – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К); t – температура, ºС; 15 – относи-

тельная плотность вещества при температуре 15 ºС к плотности воды при тем-

13

5

пературе 15 ºС.

Теплоемкости твердых и жидких веществ рассчитывают по значениям

атомных теплоемкостей (табл.6), используя правило аддитивности:

M·c = n1cа,1 + nа,2cа,2 + … + nа,i cа,i ,

где М – молярная масса соединения, кг/кмоль; cа,i – атомная теплоемкость i –

го элемента, Дж/(кг-ат·К); nа,i – число атомов элементов, входящих в

соединение.

Таблица 6

Атомная теплоемкость элементов

Состояние

вещества cа,i , Дж/(кг-ат·К)

C H N O Si F P S остальные

элементы

Твердое 7,53 9,62 11,29 16,74 20,08 20,92 23,01 22,56 26,0

Жидкое 11,72 17,99 18,41 25,10 24,27 29,29 29,29 30,96 33,47

Потери теплоты в окружающую среду (Q6) учитывают в тех случаях, когда

температура реакционной массы значительна или когда имеется значительная

поверхность стенок аппарата. В других случаях теплопотерями в окружающую

среду можно пренебречь. Часто в инженерных расчетах пренебрегают и тепло-

той, теряемой с газообразными продуктами реакции, так как она по сравнению

с основным тепловым потоком значительно мала.

Потери теплоты в окружающую среду определяются переходом теплоты в

окружающую среду путем конвекции и теплового излучения по соответствую-

щим формулам.

Теплота химической реакции может иметь как положительное, так и отри-

цательное значение. Это необходимо иметь в виду при подстановке их в урав-

13

6

нение теплового баланса. Положительные значения теплоты экзотермических

реакций (Q2) следует отнести к приходной части, отрицательные значения теп-

лоты эндотермических реакций (Q6) – к расходной теплового баланса.

Теплоту химических реакций определяют в соответствии с законом Гесса

по двум величинам: энтальпии образования и энтальпии сгорания веществ, уча-

ствующих в реакции. Так, при расчете теплового эффекта реакции из суммы

теплот образования конечных продуктов вычитают сумму теплот образования

исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов νi :

ΔНº298 = ∑(νi ΔНº298) (к) – ∑(νi ΔНº298) (и) ,

где ΔНº298 – тепловой эффект реакции, кДж/моль; ∑ ΔНº298 (к) – сумма теплот

образования соединений, полученных в результате химического взаимодейст-

вия, кДж; ∑ ΔНº298 (и) – сумма теплот образования исходных веществ, кДж.

Теплоту реакции по энтальпиям сгорания рассчитывают только для орга-

нических веществ. При определении теплового эффекта реакции по теплотам

сгорания применяют обратный ход расчета: из суммы теплот сгорания конеч-

ных продуктов вычитают сумму теплот сгорания исходных веществ. Теплота

реакции и изменение ее энтальпии имеют одинаковую величину, но противопо-

ложные знаки. Сведения о теплотах образования и сгорания приводятся в спра-

вочной литературе [14]. Тепловые эффекты реакций зависят от температуры,

поэтому их рассчитывают для той температуры Т, при которой происходит хи-

мический процесс.

Теплоты экзотермических (Q3) и эндотермических (Q7) фазовых переходов

(испарения, кристаллизации, плавления, растворения и др.) определяют по

формуле

Q3(7) = G·r ,

где G – массовый расход компонентов реагирующей смеси, претерпевших фа-

13

7

зовые переходы в данном процессе или аппарате, кг/с; r – удельная теплота фа-

зового перехода, кДж/кг.

Значения удельных теплот фазовых переходов находят в справочной лите-

ратуре [11] или рассчитывают по эмпирическим формулам. Так, теплоту испа-

рения неполярных жидкостей при температуре кипения можно рассчитать по

формуле [15]

r / Ткип = 36,61 + 19,14 lg Ткип ,

где r – молярная теплота испарения, Дж/моль; Ткип – температура кипения при

нормальном давлении, К.

Тепловые потоки теплоносителей на входе в аппарат Q4 и выходе из него

Q8 рассчитывают аналогично тепловым потокам поступающего сырья и про-

дуктов реакции по формуле

Q4(8) = Gct = G i,

где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; c – удельная теплоемкость при

температуре потока , Дж/(кг·К); t – температура веществ, ºС; i – удельная эн-

тальпия теплоносителя, Дж/кг.

Теплопотери в окружающую среду Q9 на основании экспериментальных

данных принимают равными 3-5% от общего прихода теплоты в зависимости

от температуры процесса, степени изоляции аппарата, места его установки (на

открытой площадке или в помещении).

На основании уравнения теплового баланса определяют неизвестные теп-

ловые потоки и их расходы. Обычно уравнение теплового баланса решают от-

носительно теплоты, поступающей в аппарат извне. Так, подвод теплоты мож-

но рассчитать по уравнению

Qп = Q4 – Q8 = Q5 + Q6 + Q7 + Q9 – Q1 – Q2 – Q3.

13

8

Учитывая потерю количества теплоты теплоносителем, можно рассчитать

расход теплоносителя. Например, расход горячей воды составит:

Gв = Qп / [cв ( tн – tк)],

где Gв – расход горячей воды, кг/сcв – удельная теплоемкость воды, Дж/кгК

tн , tк – начальная и конечная температуры горячей воды, С.

На основании уравнения теплового баланса Q1 = Q2 определяют расход

другого теплоносителя. При изменении агрегатного состояния расход теплоно-

сителя определяется из уравнения

Qп = Gг.п. (I г.п. – I конд.) = Gг.п. rг.п.,

где Gг.п. – расход греющего водяного пара, кг/сI г.п. и I конд. – удельные эн-

тальпии насыщенного пара при температуре конденсации, Дж/кг; rг.п. – удель-

ная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг.

Совместным решением уравнения теплового баланса и основного урав-

нения теплопередачи определяют площадь поверхности теплообмена, напри-

мер, трубчатки каталитического реактора, встроенных в реактор или внешних

теплообменных элементов, предназначенных для подвода или отвода тепла.

Так, выполнив тепловой расчет и определив значение теплового потока Qп , ко-

торый следует отвести от аппарата хладагентом или подвести горячим теплоно-

ситем площадь поверхности теплообмена рассчитывают по формуле

F = Qп / (Ktср) ,

13

9

2 ст.

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); tср – средняя разность темпе-

ратур, К.

Среднюю разность температур теплоносителей при противоточном их

направлении определяют как среднелогарифмическую величину между боль-

шей tб и меньшей tм разностями температур теплоносителей на концах теп-

лообменного аппарата

tср = (tб - tм ) / [ ln (tб/tм)].

Если эти разности температур отличаются не более чем в два раза, то

среднюю разность температур можно определить как среднеарифметическую

между ними

tср. = (tб + tм) / 2.

В аппаратах со сложным взаимным движением теплоносителей, напри-

мер при смешанном или перекрестном токе, в формулу расчета tср. для проти-

вотока вводят поправку t 1 10,11.

Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициентов теплоотдачи по

обеим сторонам разделяющей поверхности, а также от термических сопротив-

лений стенки с учетом слоев загрязнений с обеих сторон. Коэффициент тепло-

передачи определяют по формуле:

К 1

1

,

1

r1

1

ст.

ст.

r 1

2

1 r

1

1 2

43

4G

w

где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2

·К); r1, r2 – термические сопро-

тивления загрязнений стенки, м2 К/Вт; ст. – теплопроводность материала

стенки, Вт/(м2

·К); ст. – толщина стенки, м; rст. – суммарное термическое со-

противление стенки и ее загрязнений с обеих сторон, м2

·К/Вт.

Расчет коэффициентов теплоотдачи производится по критериальным

уравнениям, выбираемым в справочной литературе в зависимости от вида теп-

лоотдачи, режима движения теплоносителя, формы теплообменной поверхно-

сти. Расчетные уравнения для основных видов теплоотдачи представлены в

10,11. Для каждого расчетного уравнения указано, какая температура прини-

мается за определяющую. Физико-химические свойства теплоносителей, необ-

ходимо брать при определяющей температуре.

Гидравлические расчеты

К числу основных задач гидравлического расчета относится определение

диаметра трубопроводов и потери давления в нем, а также определение гидрав-

лических сопротивлений в тепло- и массообменных аппаратах. Расчет гидрав-

лических сопротивлений необходим для определения затрат энергии на пере-

мещение жидкостей и газов и подбора машин, используемых для их перемеще-

ния.

Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения рассчитывают [1,10]

по формуле

d ,

где d – диаметр трубопровода, м; G – массовый расход жидкости или газа, кг/с;

ρ – плотность, кг/м3; w– скорость потока, м/с.Обычно расход перекачиваемой

среды известен, поэтому для расчета диаметра трубопровода требуется

44

определить скорость w. Чем выше скорость, тем меньше требуемый диаметр

трубопровода и, следовательно, меньше его стоимость. Однако, с увеличением

скорости растут потери напора в трубопро- воде, что приводит к росту затрат

энергии на перемещение среды. Оптималь- ный диаметр трубопровода следует

находить путем технико-экономического анализа. Для трубопроводов

небольшой протяженности близкий к оптимально- му диаметр можно

определить по практически установленной скорости, пред- ставленной в табл.7.

Таблица 7

Рекомендуемые оптимальные скорости движения перемещаемой

среды

Среда и характер движения Скорость w, м/с

Жидкости при движении самотеком:

- вязкие

- маловязкие

Жидкости при напорном движении:

- во всасывающих трубопроводах

- в нагнетательных трубопроводах

Газы:

- при естественной тяге

- при небольшом давлении (от вентиляторов)

- при повышенном давлении (от компрессоров)

Пары

- перегретые

- насыщенные при давлении менее 0,05МПа

- насыщенные при давлении более 0,05МПа

0,1 – 0,5

0,5 – 1,0

0,8 – 2,0

1,5 – 3,0

2,0 – 4,0

4,0 – 15,0

15 – 25

30,0 – 50,0

40,0 – 60,0

15,0 – 40,0

Гидравлические сопротивления обусловлены сопротивлением трения и

местными сопротивлениями, возникающими при изменении скорости потока

по величине и направлению.

Потери давления на преодоление сил трения в прямых трубопроводах

45

ртр и потери давления при прохождении местных сопротивлений рм.с. опреде-

ляют по формулам:

pтр l

d

w2

2

и pм.с. w

2

2 ,

где – коэффициент трения; l – длина труб, м; d – диаметр трубопровода, м;

w – скорость потока, м/с; – плотность жидкости или газа, кг/м3; – коэффи-

циент местного сопротивления.

Значения коэффициентов зависят от вида местного сопротивления и

режима движения жидкости и приводятся в справочной литературе [10,11].

Формулы для расчета коэффициента трения зависят от режима движения

и шероховатости трубопровода. Коэффициент трения при изотермическом ла-

минарном режиме движения в трубах = 64/Re, при турбулентном режиме те-

чения коэффициент трения определяется графически [11] или по формуле [10]

46

где е = Δ / d – относительная шероховатость труб; Re – критерий Рейнольдса.

Ориентировочные значения абсолютной шероховатости труб Δ приведе-

ны в табл.8.

Общее гидравлическое сопротивление трубопровода Δp состоит из сле-

дующих слагаемых:

Δp = Δpтр + Δpм.с.+ Δpск + Δpпод + Δpдоп ,

где Δpск = ρw2/2 – разность давлений, затрачиваемая на придание потоку кине-

тической энергии движения, Па; Δpпод = ρghпод – затрата энергии на подъем ве-

щества потока плотностью ρ на высоту hпод , Па; g – ускорение силы тяжести,

м/с2; Δpдоп = p2 – p1 – затрата энергии на преодоление разности давлений в

пространствах нагнетания p2 и всасывания p1, Па.

Таблица 8

Зависимость абсолютной шероховатости от типа трубы

Трубы Шероховатость Δ , мм

Стальные новые

Стальные с незначительной коррозией

Стальные старые, загрязненные

Чугунные новые, керамические

Чугунные, бывшие в эксплуатации

Алюминиевые

Трубы из меди, свинца, стеклянные

Нефтепроводы, паропроводы

Воздуховоды сжатого воздуха

0,06 – 0,1

0,1 – 0,2

0,5 – 2,0

0,35 – 1,0

1,4

0,015 – 0,06

0,0015 – 0,01

0,2

0,8

Мощность N, потребляемая электродвигателем насоса или вентилятора

при обеспечении в гидравлической сети заданного расхода, рассчитывается по

формуле:

N = (ΔpV)/η ,

47

2 2

где V – объемный расход перемещаемой среды м3/с; η – общий

коэффициент полезного действия насосной установки.

КПД насосов можно принимать η = 0,7…0,9 , вентиляторов и газодувок

– η = 0,4…0,8. Методика расчетов КПД приводится в справочной литературе

[10]. По величине необходимой разности давлений (напора) и мощности при

задан- ной подаче (расходе) выбирают насос по каталогам [10,11].

В гидравлическом расчете кожухотрубчатого теплообменника определя-

ют гидравлическое сопротивление его трубного и межтрубного пространства.

Для проектируемых теплообменников определяют диаметры штуцеров и рас-

считывают в них скорости потоков, которые не должны превышать

рекомен- дуемые значения [1,10].

Потери давления на преодоление сил трения и местные сопротивления в

трубном пространстве рассчитывают по уравнению

pтр

l z

wтр тр 2,5( z 1) 2 z

тр wтр

w2

3 тр тр.ш

dэ 2 2 2

Значения коэффициента и определяющей скорости w для трубного

пространства представлены в табл.9.

Таблица 9

Значения коэффициентов местных сопротивлений

Наименование Определяющая скорость

Вход в камеру и выход из камеры

Поворот на 180

Вход в трубы и выход из труб

1,5

2,5

1,0

в штуцерах wтр.ш

в трубках wтр

в трубках wтр

В межтрубном пространстве с сегментными перегородками потери дав-

ления на трение и местные сопротивления составляют

48

2

p 3m ( x 1)

мтр wмтр w

2

1,5х мтр мтр

w2

3 мтр мтр.ш

мтр

0,2

мтр

2 2 , Re 2

49

n / 3

где wмтр – скорость потока в межтрубном пространстве, м/с; wмтр.ш –

скорость потока в штуцерах межтрубного пространства, м/с; m – число рядов

труб, пре- одолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном

пространстве; x – число сегментных перегородок.

Число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном

пространстве, определяется по формуле

m ,

где n – общее число рядов труб.

Скорость потока в межтрубном пространстве

wмтр = Gмтр /(Sмтрмтр),

где Sмтр – самое узкое сечение межтрубного пространства, м2.

Гидравлическое сопротивление при прохождении потока газа или пара

через слой скрубберной насадки рассчитывается по формуле:

pсух

Н

dэ

w 2

д , 2

50

где рсух – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; λ – коэффициент

трения при прохождении газа между элементами насадки; Н – высота слоя

насадки, м; dэ = 4ε /σ – эквивалентные диаметр каналов в слое насадки, м;

ε – порозность слоя насадки, м3/м

3 ; σ – удельная поверхность насадки, м

2/м

3 ;

wд = w/ ε – действительная скорость газа между элементами насадки, м/с;

w – фиктивная скорость газа, отнесенная к свободному сечению аппарата, м/с.

Для расчета рор. можно воспользоваться эмпирическим уравнением

рор. = рсух.ехр(bU),

где рор. – гидравлическое сопротивление орошаемой насадки; b – опытный

коэффициент; U – плотность орошения, м3 / (м

2·с).

Коэффициент трения λ для неупорядоченных слоев насадки из колец Ра-

шига определяют по формулам:

λ = 140 / Re при Re < 40

λ = 16 / Re 0,2

при Re > 40,

где Re = wdэρ /μ = 4 wρ /σρ – критерий Рейнольдса; ρ – плотность, кг/м3; μ –

вязкость газа, Па·с.

Для псевдоожиженных слоев гидравлическое сопротивление рс опреде-

ляют по формуле:

рс = Н (1 – ε) (ρт – ρ) g ,

где Н – высота псевдоожиженногослоя, м; ε – порозность псевдоожиженного

слоя; ρт – плотность твердых частиц, кг/м3; ρ – плотность среды, кг/м

3; g – уско-

рение силы тяжести, м/с2.

Механический расчет

Конструктивное оформление оборудования, применяемого в химической

и нефтехимической промышленности, определяется технологическими пара-

метрами протекающих в нем процессов. Для обеспечения сочетания прочности

и надежности химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материа-

лоемкостью на стадии проектирования необходимо провести механический

51

расчет [1, 3, 17…22]. Основными расчетными параметрами для выбора конст-

рукционного материала и расчета элементов материала на прочность являются

температура и давление рабочего процесса.

Расчетная температура стенки аппарата зависит от температуры рабочей

среды, методов обогрева или охлаждения аппарата и его элементов. Расчетную

температуру определяют на основании тепловых расчетов или результатов ис-

пытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки

аппарата принимают наибольшую температуру среды, соприкасающейся со

стенкой. При обогревании аппарата открытым пламенем, горячими газами с

температурой более 250 ºС, а также открытыми электронагревателями темпера-

туру стенки принимают равной температуре среды, находящейся в соприкосно-

вении со стенкой, увеличенной на 50 ºС. При работе элементов химической ап-

паратуры в условиях отрицательных температур за расчетную температуру

принимают 20 ºС [1,3]. Расчетную температуру используют для определения

физико-механических характеристик материалов и допускаемых напряжений.

Современные аппараты химической промышленности изготавливают из

отдельных элементов методом сварки. Поэтому при расчете аппаратов на проч-

ность в расчетные формулы вводятся коэффициенты прочности сварного шва.

В соответствии с ГОСТ 14249-80 значения коэффициента прочности сварных

швов стальных аппаратов представлены в [17…19].

При расчете химических аппаратов на прочность исходными величинами

являются рабочее рс и расчетное рр давления. Под рабочим давлением понима-

ется максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, которое

имеется в аппарате при нормальном протекании технологического процесса.

Давление, принимаемое при расчете аппаратов на прочность и устойчивость

формы, называется расчетным давлением. Оно чаще всего принимается равным

рабочему давлению или выше последнего. Если на элемент сосуда или аппарата

действует гидростатическое давление, которое превышает более чем на 5% ра-

бочее давление, то расчетное давление определяют по формуле:

52

i

рр = рс + ρж·g·H·10-6

,

где ρж – плотность жидкости, кг/м3; H – высота столба жидкости, м ; g – уско-

рение силы тяжести, м/с2.

Прочность аппарата, его безопасность и необходимая долговечность опре-

деляется механическим расчетом. Допускаемое напряжение [σ] – это то напря-

жение, при котором обеспечивается механическая прочность аппарата с рас-

четным запасом и минимальным расходом конструкционного материала при

заданной температуре и расчетном давлении. Допускаемое напряжение опреде-

ляют по равенству [3, 10]

у t

[у] i з уз ,

ni

где σ t

– предел прочности материала для данного вида нагрузки (растяжение,

сжатие, кручение и т.д.) при заданной температуре t, МПа; ni – коэффициент

запаса прочности для данного вида нагрузки; σ*

- нормативное допускаемое на-

пряжение, МПа; η – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппа-

рата.

В зависимости от условий эксплуатации (вида нагрузок) используют раз-

личные характеристики прочности: σвt, σс

t, σи

– предел прочности материала

соответственно при растяжении, сжатии, изгибе при данной температуре, МПа; t t t

σТ , σдл , σпл – соответственно нижний предел текучести, длительной прочности,

ползучести материала при данной температуре, МПа. Их выбирают из справоч-

ной литературы [18…22]. Допускаемое напряжение принимается равным наи-

меньшему из представленных равенств.

Значение коэффициентов запаса прочности ni для различных материалов

53

приведены в [1,3]. Коэффициент η принимают равным 0,9 для взрыво- и пожа-

роопасных сред, в остальных случаях η =1.

Основной частью любого химического аппарата является обечайка, разме-

ры которой определяют объем аппарата, а значит и его производительность.

Толщина стенки аппарата s должна быть малой в сравнении с ее внутренним

диаметром D [1, 3, 10].

Исполнительная толщина обечайки определяется по формуле:

s = pрD / (2[σ]φ – pp) + c,

а допускаемое давление внутри аппарата – по формуле:

[р] = 2 [σ] φ (s – cк)/(D + s – cк) ,

где s – толщина стенки аппарата, м (для тонкостенных аппаратов должно вы-

полнятся отношение (s – c)/D ≤ 0,1); рр и [ р] соответственно расчетное и до-

пускаемое в рабочем состоянии давления в аппарате, МПа; D – внутренний

диаметр аппарата, м; [σ] – допускаемое напряжение в материале стенки аппара-

та, МПа; φ – коэффициент прочности сварного шва; с – суммарная прибавка к

расчетной толщине обечайки, м.

Толщину стенки обечайки аппарата, нагруженной наружным давлением,

выбирают большей из двух, рассчитанных по формулам:

s = K2D ·10-2

+ c ; s = 1,1ppD / 2[σ] + c,

54

1 ([ p]p [ p]E )2

[D 100(s cк )]

p

где К2 = 100(s–cк) /D – коэффициент, определяемый по номограмме К2 = f(К1,

К3) [1, 3, 10].

Допускаемое наружное давление рассчитывается по формуле:

[ p]

[ p]p ,

где допускаемое давление [p]р из условия прочности определяется по формуле:

2[]s c

[ p] к .

D s cк

Цилиндрические обечайки, работающие под наружным давлением, приня-

то подразделять на длинные и короткие [12, 14]. Для этого определяют длину l0

по формуле:

l0 8,15D .

Если расчетная длина lp l0 , то обечайка – длинная, а при lp l0

– короткая.

Допускаемое давление из условий устойчивости в пределах упругости для

55

100(s cк )

D

2

коротких обечаек определяется по формуле:

[ p]

18 10 E D 100(s cк ) .

ny lp D

Допускаемое давление при условии устойчивости для длинных обечаек

(lp l0 ) определяется по формуле:

2,21 106

E 100(s c ) 3

6

E

56

[ p]E

D

где ny – коэффициент запаса устойчивости материала для рабочих условий,

принимают равным 2,4; lp – расчетная длина, находящейся под действием на-

ружного давления, принимают в зависимости от ее конфигурации (от наличия

примыкающих к ней элементов), м; Е – модуль упругости материала при задан-

ной температуре, МПа.

Днища и крышки ограничивают корпус сверху, снизу или с боков в зави-

симости от положения аппарата. Соединения днищ с корпусом чаще всего осу-

ществляют с помощью сварки. Крышки, наоборот, являются разъемными эле-

ментами и крепятся к аппаратам с помощью фланцевого соединения. Конст-

рукции днищ и крышек бывают эллиптическими, сферическими, коническими

и плоскими.

Наибольшее распространение в химических аппаратах получили эллипти-

ческие днища и крышки, предназначенные для работы под давлением.

В эллиптических днищах, вследствие непрерывного изменения кривизны

поверхности, более равномерно распределяются и нагрузки, возникающие при

работе аппарата. В зависимости от размера днища изготовляются из цельных

листовых или отдельных сварных элементов. Обычно днища больших размеров

компонуются из отдельных штампованных лепестков и центрального сегмента.

В соответствии с ГОСТ 6533–78 изготовляют днища эллиптические отбор-

тованные с внутренним базовым диаметром D от 159 до 4000 мм.

Высоту борта днища h в зависимости от базового диаметра и толщины

стенки днища выбирают из ряда величин: 25, 40, 50, 70, 90, 100, 110 мм. Стан-

дартное днище состоит из цилиндрической отбортованной части высотой h, со-

прягающейся с выпуклой в форме полуэллипса частью высотой H = 0,25D.

Эллиптические днища (крышки) так же, как и обечайки, могут быть на-

гружены внутренним или наружным давлением.

Расчет днищ и крышек осуществляется по одной и той же методике [1, 3,

57

10]. Толщина эллиптического днища, работающего под внутренним давлением,

определяется по формуле:

s1 { pp D 2[у]0,5 pp} с ,

58

pp [у]

где рр – расчетное внутреннее давление, МПа; [σ] – допускаемое напряжение

материала днища при заданной температуре, МПа; φ – коэффициент прочности

сварного шва; D – внутренний диаметр днища, м.

Допускаемое давление в рабочем состоянии:

[ p] 2[у](s1 cк ) D 0,5(s1 cк ).

Плоские днища (крышки) широко используются в аппаратах, работающих

под барометрическим давлением в различных емкостях и хранилищах, имею-

щих значительные объемы и габариты. Такие аппараты работают в основном

под наливом.

Толщину плоских днищ и крышек, нагруженных внутренним давлением,

определяют по формуле:

s1 KK о Dp cк ,

допускаемое давление в рабочем состоянии:

[ p] [(s1 cк ) (KKо Dp )]2[σ],

где расчетный диаметр Dp , коэффициент К, учитывающий тип закрепления

днища или крышки, коэффициент ослабления Ко отверстиями в зависимости от

их расположения в днище (крышке) необходимо принимать в соответствии с

рекомендациями [1, 3, 10].

Расчет реакторных устройств

59

Для технологии основного органического и нефтехимического синтеза ха-

рактерно большое многообразие реакций, которые часто протекают в присутст-

вии твердых или жидких катализаторов. К важнейшим факторам, определяю-

щим устройство реактора, относятся агрегатное состояние исходных веществ и

продуктов реакции, температура и давление, при которых протекает процесс,

60

тепловой эффект химической реакции, интенсивность перемешивания реаген-

тов, непрерывность или периодичность процесса, простота изготовления, дос-

тупность конструкционных материалов, удобство монтажа, эксплуатации ре-

монта. В основу классификации реакторов положено фазовое состояние пере-

рабатываемых смесей, так как в зависимости от этого решается вопрос обеспе-

чения наилучшего контакта между фазами [2, 4].

Расчет реакторов для проведения химического взаимодействия является

основной частью технологического расчета. Этот расчет сводится к определе-

нию основных конструктивных размеров аппаратов и их числа. Исходными

данными для расчета химической аппаратуры являются заданная производи-

тельность по перерабатываемому сырью или готовому продукту, технологиче-

ская схема, предусматривающая конструкции выбранных аппаратов и их взаи-

мосвязь по материальным потокам, длительность каждой стадии технологиче-

ского процесса. Расчет основного реакционного аппарата выполняют на основе

материального и теплового расчетов [23…25].

Цель расчета реактора заключается в определении его размеров, обеспечи-

вающих заданную производительность. Производительность реактора - количе-

ство целевого продукта, получаемого в единицу времени. Массовые расходы,

рассчитанные в материальном балансе, переводятся в соответствующие объем-

ные величины. Объем рабочей части аппарата непрерывного действия опреде-

ляют по уравнению:

Vр= Vс ,

где Vр – объем реакционной зоны, м3; Vс – объемный расход реагентов, м

3/с; –

время пребывания реагентов в реакторе, с.

При расчете объема аппаратов для жидкофазных процессов необходимо

учитывать степень заполнения их реакционной смесью

Vобщ = Vр / φ ,

61

A

где Vобщ – общий объем аппарата, м3; φ – коэффициент заполнения аппарата.

Коэффициент заполнения имеет различные значения в зависимости от

характера процесса, при его выборе руководствуются данными, представлен-

ными в табл.10.

Таблица 10

Значения коэффициентов заполнения

Характер процесса в реакторе Коэффициент занолнения

Хранение жидкости

Процессы без перемешивания и пенообразования

Процессы с перемешиванием

Процессы с пенообразованием, кипячение

Суспензионная полимеризация

0,85 – 0,9

0,75 – 0,85

0,7 – 0,8

0,4 – 0,6

0,65 – 0,75

Определение производится с помощью кинетических уравнений. Урав-

нения кинетики процесса и значения констант скорости реакций приводятся в

справочной литературе. Зная константу скорости при температуре реакции,

можно определить время, необходимое для достижения заданной глубины пре-

вращения.

Реакторные устройства непрерывного действия характеризуются непре-

рывным вводом реагентов и выводом продуктов реакции. В зависимости от

гидродинамической структуры потоков такие реакторные системы принято де-

лить на аппараты идеального вытеснения и идеального смешения [16, 23].

В реакторах идеального вытеснения отсутствует внутренняя циркуляция

и движение всех частиц является поступательным, поэтому время пребывания

любой частицы одинаково и равно расчетному времени пребывания всей реак-

ционной смеси в аппарате.

Для реакции п-го порядка, идущей без изменения объема, получим

1 x

dx

kC n1 1 x n

A,O 0 A

62

где

n1

A,O

– начальная концентрация исходного вещества, кмоль/м3; п – порядок

реакции; k – константа скорости реакции, размерность соответственно первого,

C

63

kCn1

1

п

второго и третьего порядка, с-1

, м3/(кмоль·с) и м

6/(кмоль

2·с); хА – степень пре-

вращения исходного вещества.

Для реакции первого порядка время пребывания реагентов в реакторе

идеального вытеснения

1

ln

k

1

. 1 xA

Если реакция протекает с изменением объема, то:

1 x 1x dx

A,O

A A

1 x n

0 A

где β – относительное изменение объема реакционной смеси при полном пре-

вращении реагентов.

Для необратимой реакции первого порядка

1 ln

k

1

1xA

xA

Реактор идеального смешения характеризуется тем, что любой элемент

объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содер-

жащейся в реакторе. В реакторах идеального смешения время пребывания всех

частиц неодинаково. К аппаратам этого типа могут быть отнесены реакторы с

мешалками и кипящим слоем катализатора.

Характеристическое уравнение непрерывно действующего реактора иде-

ального смешения для необратимой реакции любого порядка имеет вид:

1

n1

A,O

хА

1- хА

Для реакции первого порядка п = 1 получим

kC

,

.

64

1 хА

.

k 1- хА

Площадь поперечного сечения аппарата (f, м2) определяется из уравнения

расхода

f= Vс / w,

65

4 f р

где f – площадь сечения аппарата, м2; w – заданная или принятая линейная ско-

рость течения потока через аппарат, м/с.

Затем определяют геометрические размеры аппарата – диаметр D и его ра-

бочую высоту Н (длину L).

Диаметр аппарата цилиндрической формы равен

D ,

и высота его реакционной зоны составит

H = Vp / f = wτ .

Для аппаратов, заполненных катализатором, объем рабочей зоны равен

объему катализатора Vк , который определяют исходя из объемной скорости га-

за (жидкости) или производительности катализатора.

Объемная скорость – объем газовой смеси или жидкости, проходящий че-

рез единицу насыпного объема катализатора в единицу времени :

Vоб = Vс / Vк ,

откуда

Vк = Vс / Vоб ,

где Vоб – объемная скорость, м3/(м

3·с) или с

-1.

Производительность катализатора Gк – масса целевого продукта, полу-

чаемого с единицы объема катализатора в единицу времени:

Gк = G / Vк ,

откуда объем катализатора

Vк = G / Gк .

Для трубчатых реакторов основными задачами, подлежащими решению в

результате выполнения вышеуказанных расчетов, являются определение объе-

66

ма катализатора достаточного для химического превращения заданного расхо-

да сырья до требуемой степени превращения, а также диаметра и высоты ката-

лизаторных труб [15, 16].

67

Объем катализатора, необходимый для обеспечения заданной степени

превращения, определяют по формуле

Vк = т Vс ,

где т – коэффициент запаса; Vс – расход газовой смеси, проходящей через ре-

актор, м3/с; – время контакта газа с катализатором, с.

Определение производится с помощью кинетических уравнений. К по-

лочным и трубчатым контактным аппаратам при выполнении технологических

расчетов применяют модель идеального вытеснения. Время пребывания любой

частицы в каталитических реакторах идеального вытеснения одинаково и равно

расчетному времени пребывания всей реакционной смеси в аппарате. Уравне-

ния кинетики процесса и значения констант скорости реакций приводятся в

справочной литературе. Зная константу скорости при температуре реакции,

можно определить время, необходимое для достижения заданной глубины пре-

вращения.

При конструировании реакторных устройств для проведения реакций в

газовой фазе над твердыми катализаторами необходимо обеспечить условия

для подвода или отвода тепла. По способу теплообмена в реакционной зоне

применяют реакторы с теплообменом через стенку и с теплообменом при непо-

средственном контакте с катализатором.

При расчете адиабатических реакторов по высоте слоя катализатора бу-

дут изменяться скорость и температура реакции. Величина изменения темпера-

туры определяется кинетическими параметрами и тепловым эффектом реакции.

Изменение температуры положительно для экзо- и отрицательно для эндотер-

мических процессов. Характеристическое уравнение адиабатического процесса

выводится из уравнения теплового баланса реакторного устройства и имеет вид

68

tК = tН + ΔНºТ ·СА,О· xА / с ,

69

где tН и tК – начальная и конечная температуры реагентов; ΔНºТ – тепловой эф-

фект реакции; СА,О - концентрация исходного реагента; xА – степень его пре-

вращения; с – средняя теплоемкость реакционной массы.

По модели адиабатического реактора вытеснения рассчитывают контакт-

ные аппараты с фильтрующим слоем катализатора. При расчете адиабатиче-

ских реакторов важной задачей является определение температуры реакцион-

ного газа на входе в реактор, достаточной для достижения заданной степени

превращения. Примеры построения линии адиабаты, х – t диаграммы опти-

мальных температур, диаграммы х – dτ/dx для определения времени контакти-

рования при достижении заданной глубины превращения рассмотрены в [4, 16].

Условия, близкие к изотермическим, могут соблюдаться в трубчатых ре-

акторах при интенсивном подводе или отводе тепла по всему объему катализа-

тора, а также в реакторах с взвешенным (псевдоожиженным) слоем катализато-

ра. Для реакторов, работающих в изотермическом режиме, определяют пло-

щадь поверхности теплообмена, например, трубчатки каталитического реакто-

ра, встроенных в реактор или внешних тепловых элементов, предназначенных

для организации процессов теплообмена. Выполнив расчет тепловой нагрузки

реактора и определив значение теплового потока Q, который следует отвести от

реагирующей смеси хладагентом или подвести теплоносителем, площадь по-

верхности теплообмена рассчитывают по формуле

F=Q / К tср. ,

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ·K); tср. – средняя разность темпе-

ратур, K.

При расчете реакторов с фильтрующим слоем катализатора определяют

размеры теплообменников, расположенных вне слоев катализатора и предна-

значенных для отвода или подвода теплоты между стадиями катализа. В реак-

70

торах взвешенного слоя вследствие изотермичности теплового режима тепло-

обменные элементы располагают внутри слоев катализатора и реакционную

59

теплоту отводят (или подводят теплоту) одновременно с протеканием катали-

тического процесса.

Коэффициент теплоотдачи от взвешенного слоя к поверхности теплооб-

мена взв зависит от скорости потока и рассчитывается по формуле

взв = Nu λг / dк ,

где Nu – критерий Нуссельта; λг – коэффициент теплопроводности газовой фа-

зы, Вт/(м·К); dк – диаметр частиц катализатора, м.

Для определения скорости wопт, соответствующей максимальному коэффи-

циенту теплоотдачи, рекомендуются следующие критериальные уравнения

[4,16]:

для ламинарного режима (при Re < 50) Re = 0,2 Аr 0,5

,

для турбулентного режима (при Re > 50) Re = 0,66 Аr 0,5

, 2

где Re = wопт dкρг /μг – критерий Рейнольдса; Аr = g dк3ρг (ρк – ρг)/μг – критерий

60

Архимеда; dк – диаметр частиц катализатора, м; ρк – плотность катализатора,

кг/м3; ρг – плотность газовой фазы, кг/м

3; μг – вязкость газа, Па·с.

Для расчета взв при режиме, отвечающем значению скорости wопт, при-

меняется формула Nu = 0,86 Аr 0,2

, при скорости газовой фазы w< wопт расчет

взв проводят по формуле Nu = 0,08 Re 0,65

Аr 0,1

[16].

Основными гидродинамическими характеристиками реактора кипящего

слоя являются величины, определяющие пределы существования взвешенного

слоя – критические скорости псевдоожижения wкр и уноса частиц катализатора

wун , которая равна скорости витания частиц wвит.

Критическая скорость псевдоожижения рассчитывается по формуле:

Reкр = Аr / (1400 + 5,22√ Аr),

где Reкр = wкр dк ρг / μг – критерий Рейнольдса; Аr = g dк3ρг (ρк – ρг)/μг

2 – крите-

рий Архимеда; dк – диаметр частиц катализатора, м; g – ускорение силы тяже-

сти, м/с2; ρк – плотность катализатора, кг/м

3; ρг – плотность газовой фазы, кг/м

3;

μг – вязкость газа, Па·с.

Для устойчивой работы реактора с псевдоожиженым слоем катализатора

необходимо, чтобы рабочая скорость потока находилась в пределах между кри-

тической скоростью и скоростью витания частиц. Скорость витания можно рас-

считать по формуле

Reкр = Аr / (18 + 0,6√ Аr),

в которой критерий Аr определяется для наиболее мелких частиц твердого ма-

териала с dmin .

При псевдоожижении по мере увеличения скорости потока увеличивают-

ся высота слоя Н и его порозность ε.

Порозность слоя дисперсного материала представляет собой долю общего

объема слоя, не занятого твердыми частицами. Для неподвижного слоя

61

ε0 = (Vнас – Vк )/ Vнас = 1 – ρнас / ρк ,

для псевдоожиженного слоя порозность возрастает вследствие расширения

слоя восходящим потоком газовой среды

ε = (Vсл – Vк )/ Vсл ,

где Vк , Vнас и Vсл – объем, занимаемый собственно частицами катализатора, на-

сыпной объем неподвижного слоя и объем псевдоожиженного слоя; ρк и ρнас –

плотность частиц катализатора и насыпная плотность неподвижного слоя.

Для расчета порозности взвешенного слоя можно использовать уравнение

ε = (18Re + 0,36 Re 2/Аr)

0,21.

Для псевдоожиженных слоев гидравлическое сопротивление рс опреде-

ляют по формуле:

рс = Н (1 – ε) (ρт – ρ) g ,

где Н – высота псевдоожиженного слоя, м; ε – порозность псевдоожиженного

слоя; ρт – плотность твердых частиц катализатора, кг/м3; ρ – плотность среды,

кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с

2.

Высоту псевдоожиженного слоя катализатора, необходимую для расчета

высоты реактора, можно определить по уравнению

Н = Н0 (1 – ε0) / (1 – ε),

62

где Н0 – высота и ε0 – порозность слоя в неподвижном состоянии.

Диаметр реактора определяется из уравнения расхода рабочей по скоро-

сти газового потока.

Библиографический список

1. Беркман Б.Е. Основы технологического проектирования производств

органического синтеза. - М.: Химия, 1970. –368 с.

2. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза. –

М.: Химия, 1988. – 582 с.

3. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного ор-

ганического и нефтехимического синтеза: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш.

шк., 2003. –536с.

4. Рейхсфельд В.О., Еркова Л.Н. Оборудование производств основного

органического синтеза и синтетических каучуков. – Л.: Химия, 1974. – 440 с.

5. Основы проектирования химических производств: Учебник для вузов /

Под ред. А.И.Михайличенко. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 332 с.

6. Алексеев А.И., Рамзаева Л.П., Серов А.Н. Основы проектирования и

оборудование заводов органических неорганических производств: Учеб. посо-

бие. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. –131с.

7. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических произ-

водств. – М.: Химия, 1982. – 288 с.

8. Бочкарев В.В., Ляпков А.А. Оптимизация процессов химической тех-

нологии органических веществ: Учеб.пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 1995.–96с.

9. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ про-

цессов химической технологии. – М.: Химия, 1983. –368с.

10. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по

курсовому проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. – М.: Химия, 1991. –

63

272 с.

11. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу

процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

12. Эмирджанов Р.Т., Лемберовский Р.А. Основы технологических рас-

четов в нефтепереработке и нефтехимии. – М.: Химия, 1989. – 192 с.

13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и

жидкостей. – М.: Наука, 1972. – 720 с.

14. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред.

А.А.Равделя и А.М.Пономаревой. – СПб.: Иван Федоров, 2002. – 240 с.

15. Гутник С.П., Сосонко В.Е., Гутман В.Д. Расчеты по технологии ор-

ганического синтеза. – М.: Химия, 1988. – 272 с.

16. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред.

И.П.Мухленова. – Л.: Химия, 1982. – 248 с.

17. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. – М.:

Высш. шк., 1982. – 208 с.

18. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов:

Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981. – 382 с.

19. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расче-

та химической аппаратуры: Справочник. – М.: Машиностроение, 1970. – 752 с.

64

20. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических произ-

водств: Примеры и задачи / Под. ред. М.Ф.Михалева. – Л.: Машиностроение,

1984. – 301 с.

21. Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование

безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств: Спра-

вочник. – Л.: Машиностроение, 1988. – 303 с.

22. Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппа-

ратов химической промышленности. – М.: Машиностроение, 1976. – 376 с.

23. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. – М.:

Химия, 1969. – 621 с.

24. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и

аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности.– Л.:Химия, 1974. – 344с.

25. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и

задачах. – СПб.: Химия, 1994. –280 с

65

3 Оценочные средства

3.1 Вопросы к текущему и итоговому контролю

результатов изучения дисциплины

1. Отстойники, принцип работы

2. Дегидраторы, назначение

3. Фильтры, фильтрующие материалы

4. Рамные фильтр-прессы, устройство

5. Вакуум-фильтры и схема работы

6. Отстойная центрифуга и принцип работы

7. Центробежные сепараторы и принцип работы

8. Циклоны и принцип работы

9. Устройство циклонов

10. От каких факторов зависит работа циклонов

11. На какой процесс основана электрическая очистка газов

12. Что такое узорная ионизация

13. Понятие о коронирующих и осудительных электродах

14. От чего зависит степень очистки газов

15. На каком токе работает электрофильтры

16. Устройства электрофильтров электрофильтры

17. «Сухие и мокрые » электрофильтры

18. Трубочные и пластинчатые электрофильтры

19. Каким требованиям должен отвечать реакторы химических процессов

20. Реакторы полного смешения

21. Реакторы полного вытеснения

22. По способу теплообмена как подразделяются реакторв

23. Какие типы установок каталитического крекинга применяют на

нефтеперерабатывающих заводах

24. Как создается режим кипящего слоя

25. Почему в регенератор катализаторов крекинга подается воздух

26. Преимущества установок с кипящим слоем катализатора

27. Какие схемы взаимного расположения реактора и регенератора существуют

на производстве

28. Как осуществляется транспорт шариковых катализаторов.

29. Катализаторы процесса риформинга

30. Схема работы реакционной секции установки риформинга на платиновом

катализаторе

31. Почему теряет активность платиновый катализатор

32. Устройство реакторного блока установки каталитического риформинга

33. Как определяется температура в реакторе

34. Для чего нужна футеровка внутреннюю стенку реактора

35. Катализаторы процесса гидроочистки

36. Работа реакторного блока установки гидроочистки

37. Периодичность регенерации катализатора

38. Устройство реактора гидрокрекинга

39. Уравнение теплового баланса для теплообменников

40. От чего зависит коэффициент теплопроводности

66

41. Перечислите возможные схемы движения потоков в теплообменных

аппаратах и какой из них наиболее эффективен.

42. Типы кожухотрубчатых теплообменников

43. Конструкция теплообменников с плавающей головкой

44. Преимущества и недостатки кожухотрубчатых теплообменников

45. Теплообменники "труба в трубе"

46. Конструкция теплообменников "труба в трубе"

47. Преимущества и недостатки теплообменников "труба в трубе"

48. Ламинарные и турбулентные режимы движения потоков жидкости.

49. Физическая абсорбция

50. Химическая абсорбция

51. Поверхностные абсорберы, устройство

52. Пленочные абсорберы, устройство

53. Насадочные абсорберы, принцип работы

54. Куда укладывается насадка в колонне

55. Что такое пристеночный эффект в насадочной колонне

56. Основные характеристики насадки

57. Чем отличается трубчатый абсорбер от пластинчатого

58. Что является общим в принципе работы поверхностных и пленочных

абсорберах

59. Типы барботажных абсорберов

60. Тарельчатые абсорберы со сливными устройствами

61. Гидродинамические режимы работы тарелок

62. Колпачковые тарелки, принцип работы

63. Колпачковые тарелки с радиальным переливом жидкости

64. Колпачковые тарелки с диаметральным переливом жидкости

65. Принцип работы клапанных тарелок

66. Принцип работы балластных тарелок

67. Достоинства клапанных и балластных тарелок

68. Понятия о процессе адсорбции

69. Объясните названия адсорбент, адсорбат или адсорбтив

70. Чем отличается механизм процесса адсорбции от механизма абсорбции

71. Область применения адсорбции

72. Характеристика адсорбентов, какие вещества применяются в качестве

адсорбентов

73. Активные угли, получение и свойства

74. Силикагели, получение и применение

75. Цеолиты, состав и применение

76. Иониты, состав и свойства

77. Что такое аниониты и катиониты

78. Методы регенерации (десорбция) адсорбента

79. Какие вещества используются в качестве десорбирующих агентов

80. Как осуществляется десорбция острым водяным паром

81. Адсорберы с неподвижным слоем поглотителя

82. Из каких стадий состоит процесс адсорбции с неподвижным слоем

поглотителя или периодический процесс

83. Типы адсорберов периодического действия (рисунки)

84. Схема промышленной углеадсорбционной установки для улавливания паров

органических веществ из воздуха,описание

85. Адсорберы с движущимся слоем поглотителя,принцип работы

86. Адсорберы с кипящим слоем поглотителя,принцип работы.

87. Одно- и многокамерные абсорберы с кипящим слоем поглотителя

67

88. Фракционная перегонка,способы осуществления

89. Простая перегонка с дефлегмацией, схема и описание

90. Перегонка в токе носителя (с водяным паром),схема и описание

91. Равновесная перегонка,схема и ее описание

92. Принцип процесса ректификации

93. В чем преимущество многократного контактирования между жидкой и

паровой фазами в процессе ректификации

94. Схема непрерывно действующей ректификационной установки и ее

описание

95. Что такое орошение колонны и его назначение

96. Схема периодически действующей ректификационной установки и принцип

работы

97. В чем разница между периодически и непрерывнодействующими

установками

Принципиальное устройство тарельчатой колонны

98. Схема работы простой тарельчатой колонны

99. Разделение смеси на высококипящий и низкокипящий компоненты в

простой тарельчатой колонне

100. Как должна меняться температура по высоте колонны чтобы происходила

ректификация

101. Каким образом поддерживается температура в нижней части колонны

102. Как осуществляется разделение нефтяного сырья на три и более фракции

103. Схема сложной тарельчатой ректификационной колонн и принцип работы

104. Устройство тарельчатой ректификационной колонны

105. Что такое стриппинг-колонны и как они работают

106. Процесс разделения смеси на фракции в сложной колонне.

107. Определение ректификационных колонн

108. Условие протекания ректификации

109. Как обеспечивается эффективное контактирование фаз в ректификационных

колоннах

110. Роль насадки в колонне

111. Типы насадок

112. Почему в насадочных колоннах четкость разделения хуже чем в

тарельчатых

113. Преимущество насадочных колонн по сравнению с тарельчатыми

114. Схема насадочной ректификационной колонны и принцип работы

115. Роль орошения в насадочных колоннах

116. Что такое режим подвисания, объясните

117. Общие сведения о процессе экстракции и область применения

118. Что такое экстрагент, экстракт и рафинат.

119. Схема процесса экстракции в системах жидкость-жидкость и ее описание

120. Достоинство процесса экстракции по сравнению с другими процессами

разделения жидких смесей

121. Использование процесса экстракции при извлечении летучих вешеств

122. Методы экстракции смесей органических веществ взависимости от числа

применяемых экстрагентов

123. Одноступенчатая экстракция, схема и описание

124. Схема и принцип работы ступенчато-отстойного экстрактора

125. Схема и принцип работы распылительного колонного экстрактора

126. Полочные колонные экстракторы