Ректификационная колонна с клапанными тарелками.
1) Ректификацию широко используют в пром-ти для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом м/д жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента — из паровой фазы в жидкую.
Процесс ректификации осущ-ют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки явл-ся ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой ж-ти поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами явл-ся дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению 
подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.
Ректификацию можно проводить периодическим или непрерывным способом.
Осн-ые преимущества клапанных тарелок — способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость.
Клапанные тарелки изготовляют с дисковыми и прямоугольными клапанами; работают тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. В отечественной промышленности наиболее распространены клапанные прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной прямоточной тарелке (рис) в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирующиеся дисковые клапаны диаметром, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6—8 мм.
Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°; две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие начальный зазор м/д диском и тарелкой; это исключает возможность «прилипания» клапана к тарелке (рис, а, положение I). При небольшой произв-ти по пару поднимается легкая часть клапана (рис., положение II) и пар выходит ч/з щель м/д клапаном и полотном тарелки в направлении, противоположном направлению движения жидкости по тарелке. С увеличением скорости пара клапан поднимается и зависает над тарелкой (рис, положение III); теперь пар барботирует в жидкость ч/з кольцевую щель под клапаном. При дальнейшем увеличении произв-ти по пару клапан занимает положение, при котором пар выходит в направлении движения жидкости, уменьшая разность уровней жидкости на тарелке (рис., положение IV). При этом короткая направляющая фиксируется в специальном вырезе на кромке отверстия, обеспечивая заданное положение клапана при его подъеме.
2) Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема.
Предельную скорость пара определяют сами контактные элементы, загромождающие внутреннее сечение колонны. У разных контактных элементов есть своя предельная скорость пара в полном сечении колонны, которая находится в диапазоне 0,5. 1,2м/с. Это является и максимальной пропускной способностью колонны, которая обычно выражается массовым расходом пара (кг/час) через единицу площади полного сечения колонны (м’). Её величина для разных контактных элементов находится в диапазоне 2000. 7000(кг/ч)/м.
3 Материальный баланс процесса выражается общим уравнением
отсюда общий расход 
а его удельный расход 
В реальной ректификационной колонне равновесие между фазами не достигается и всегда реальная концентрация меньше концентрации поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что действительный удельный расход l всегда должен быть больше минимального значения lmin.
Значение удельного минимального расхода абсорбента можно определить по формуле: 
Производительность колонны повышается, если установить дополнительный штуцер для отвода паров из куба. Производительность ректификационной колонны, стоящей отдельно от куба, сильно зависит от площади соединительного штуцера.
Для увеличения производительности и диапазона устойчивой работы клапанные тарелки выполняют балластными. Над отверстием тарелки 1 на специальных ножках установлены ограничители подъема 4, а внутри их — на ножках 7 легкий клапан 5 и балласт 2. Для исключения прилипания клапана к балласту имеются упоры 3 и 6. При малой производительности по газу тарелка работает как обычная с дисковыми клапанами меньшей массы; при увеличении нагрузки клапан 5 упирается в балласт и работает совместно с ним как один утяжеленный клапан. Производительность колонны повышается, если установить дополнительный штуцер для отвода паров из куба. Производительность ректификационной колонны, стоящей отдельно от куба, сильно зависит от площади соединительного штуцера.
4 С увеличением флегмового числа рабочая линия колонны удаляется от линии равновесия 
Следовательно, количество контактных тарелок снижается, снижается и высота колонны.
Вместе с тем с ростом флегмового числа увеличивается количество флегмы, стекающей вниз по колонне, следовательно, на ее испарение надо затратить больше греющего пара – увеличиваются энергозатраты – оптимизация.
5) Захлебывание колонны явл-ся нерасчетным режимом ее работы. В таком состоянии колонна может находиться не более 30. 60 секунд. За это время флегма сначала заполняет внутреннюю полость ректификационной части колонны, потом дефлегматор, а затем происходит ее аварийный выброс из колонны ч/з верхний штуцер дефлегматора. Захлебывание колонны легко можно услышать как специфический «булькающий» шум в колонне. Чтобы избежать захлебывания ректификационной установки надо четко следовать рекомендациям по эксплуатации. Стоит отметить, что захлебывание колонны может наступить и при номинальной (правильной) технологической мощности, подведенной к испарительной емкости. Существуют только три причины такому нестандартному поведению колонны. Первая причина — это или засорение нижней части колонны пеной, например, от бражки или переполнение испарительной емкости перерабатываемой жидкостью. Это является прямым нарушение инструкции по эксплуатации, о заполнении испарительной емкости. Вторая причина — это повышенное напряжение в сети (более 230В), что приводит к увеличению тепловой мощности технологического ТЭНа. Третья причина — это сильное понижение атмосферного давления или попытка эксплуатации колонны в высокогорной местности. На эту причину стоит обратить особое внимание.
6) 1 – ёмкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – ректификационная колонна( а-укрепляющая часть, б- исчерпывающая часть); 4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка;10 – холодильник остатка.
Ректификационная колонна 3 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 3), либо размещается непосредственно под колонной. Пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, 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. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке. Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Пары конденсируются в дефлегматоре 5, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 6 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости. В дефлегматоре 5 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 7 направляется в сборник дистиллята 8. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 7, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 10 направляется в сборник 9.
7) Материалами для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, специальных поковок и отливок.
Материалы должны быть химически и коррозионностойкими в заданной среде при её рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитными.
При необходимо учитывать следующие факторы:
— условия работы (давление и температура рабочей среды, степень её коррозионной активности), характер приложения нагрузки (статический, малоцикловый, циклический):
— механические характеристики материала при заданных условиях эксплуатации;
— стоимость материала (с учётом экономного использования дефицитных легирующих элементов);
Например, если в аппарате агрессивная среда, то все элементы соприкасающиеся с ней (корпус, крышка, фланец) — сталь Х18Н10Т, все остальные (опора) – сталь 3
8) В последние годы при реконструкции тарельчатых ректификационных колонн чаще всего тарельчатые контактные устройства заменяются на насадочные. Это объясняется тем, что насадочная колонна обеспечивает меньший перепад давления по высоте аппарата, более широкий диапазон устойчивой работы, более высокий КПД, а, следовательно, и более высокую разделительную способность и др. Так же для незагрязненных жидкостей можно установить ситчатые тарелки, т.к. диапазон устойчивой работы у них больше.
9) К высоким вертикальным аппаратам относятся все аппараты, у которых высота относительно нулевой отметки (относительно поверхности Земли) более 10 метров, которые установлены на открытом воздухе. Если аппарат находится в цехе, то на опрокидывание он рассчитывается, если его высота больше 5-ти диаметров.
Расчет на опрокидывание включает:
1) Расчет корпуса от действующих нагрузок;
2) Расчет корпуса на опрокидывание при минимальной нагрузке без заполнения;
3) Расчет юбочной опоры на смятие;
4) Расчет опорного кольца на изгиб.
1 – корпус; 2 – юбочная опора; 3 – опорное кольцо; 4 – фундаментный болт
От действия ветровой нагрузки возникает опрокидывающий ветровой момент, который стремится оторвать опору от фундамента, следовательно, первое опасное сечение. Вторым опасным сечением является место сварки корпус – опорная обечайка.
Цель расчета: определить усилие от действия ветра, т.е. ветровую нагрузку, по ней ветровой момент и размеры опоры фундаментального кольца и необходимость установки фундаментальных болтов. Задача решается по методике расчета на гибкость жестко закрепленного стержня.
Порядок расчета:
1. Ветровые нагрузки действуют на аппарат в горизонтальной плоскости. При этом они вызывают изгибающий и опрокидывающий ветровые моменты. При расчете вся высота делится на участки 10м. В середине каждого участка прикладывается центр масс. При действии ветра осевая линия отклоняется от положения равновесия, образуя упругую линию. При этом на каждом участке также происходит отклонение центров масс. Силы упругости стремятся возвратить систему в положение равновесия. При этом происходит явление подобное колебаниям упругой системы.
2. Ветровой момент: 
(1)
3. Ветровая нагрузка: 
4. По найденному Мв:
— по минимальному весу на опрокидывание 
Расчет фундаментных болтов. Если по условию 
отрицательное, это означает, что ветровой момент больше момента от веса. Следовательно, надо устанавливать фундаментные болты. Если значение 
положительно, то 4- 8 болтов М36.
— по максимальному весу на сжатие опорной обечайки
Определение толщины опорного кольца. Проверка сварного шва, проверка устойчивости формы опорной обечайки от веса аппарата.
Устойчивость опорной обечайки проверяется из условия: 
– допускаемая осевая сжимающая сила
Если обечайка нагружена внутренним избыточным давлением. Толщина стенки определяется по формуле: 
,
где S – минимальная толщина корпуса, включая припуск на коррозию; P – расчетное давление, включая гидростатическое давление; D – внутренний диаметр, исключая припуск на коррозию; φ – отношение прочности сварной шов/основной материал; [σ] – максимально допустимое растягивающее напряжение при расчетной температуре, кг/см 2 ; C – конструктивная прибавка, см.
Допускаемое наружное давление определяется по формуле: 
,
где [Р]р – допускаемое наружное давление в пределах пластичности; [Р]Е – допускаемое наружное давление в пределах упругости.
, 
,
где Е – модуль упругости обечайки при расчетной температуре; ny – коэффициент запаса устойчивости; l – расчетная длина корпуса (длина цил. части +1/3 высоты выпуклой части днищ).
10)
1. Горизонтальность тарелок (определяется с помощью уровня, либо по интенсивности барботажа на различных участках тарелки);
2. Уплотнения тарелок
Подготовка аппарата к ремонту: 1)Отклонение от заводского обеспечения, установка заглушек; 2)Удаление остатков продукции; 3)Пропарка, промывка, продуктов
Одной из наиболее часто повреждаемых деталей колонны являются патрубки подачи и отвода. Данная деталь может иметь следующие дефекты:
– трещина в месте приварки фланцев;
– деформация уплотнительной поверхности.
Эти дефекты устраняются следующим образом:
– трещину устраняем разделкой под сварку, завариванием трещины и шлифовкой заваренной трещины;
– абразивный износ устраняем вырезкой поврежденной части, проточкой патрубка с торцов для приварки, приваркой патрубка и шлифовкой заваренной поверхности;
– деформацию уплотнительной поверхности устраняем отрезанием фланца, далее точением уплотнительной поверхности, проточкой под сварку, приваркой фланца и шлифовкой заваренной поверхности.
– Выпуклости в корпусе устраняются с помощью кувалды.
Если диаметр до 800 мм, то аппарат сборный (из царг) — царги разбираются и извлекаются элементы, требующие ремонта.
Если диаметр более 800 мм – аппарат цельносварной, то элементы должны быть разборными. Они разбираются, извлекаются и ремонтируются.
Источник