Контрольная тарелка что это

Теоретическая тарелка — устройство, количество, расчет

Внутри классической колонны есть плоские горизонтальные контактные элементы, которые очень напоминают тарелки. На поверхности этих элементов происходит тепломассообмен между флегмой и парами и разделение фракций. Или, если проще, пузырьки пара проходит через слой флегмы на тарелке. Чем больше количество тарелок и площадь контакта, тем лучше разделяющая способность колонны. В поисках способа измерить эту способность и была придумана теоретическая тарелка (ТТ).

Что такое теоретическая тарелка?

Это удобный термин, созданный для измерения разделяющей способности колонны. Теоретическая тарелка — это модель обмена теплом и массой в парожидкостной среде. Модель основана на представлении колонны идеальным изолированным устройством, со 100-процентной разделяющей способностью, на которую не влияют внешние факторы. Колонна как будто находится в непрерывном термодинамическом равновесии.

Теоретические тарелки нужны, как удобное понятие, от которого отталкиваются при расчетах.

Даже если в колонне не тарелки, а спирально-призматическая насадка (СПН), она все равно обладает разделяющей способностью, которая может быть измерена при помощи теоретической тарелки.

Можно пояснить по-другому. Из водно-спиртовой смеси крепостью 10% можно получить простой перегонкой спирт крепостью 40%. При последующих перегонках мы получим, соответственно, спирт крепостью 60, 70, 80, 90, 96%. Каждая физическая перегонка с повышением крепости продукта считается теоретической тарелкой или единицей массопереноса. Всего таких перегонок нужно около 10. То есть, ректификация — это 10 последовательных дистилляций, которые идут параллельно на разных тарелках.

Итак, КПД теоретической тарелки всегда 100%. Этим она и отличается от физической тарелки.

Теоретические тарелки в ректификационных колоннах

Теоретическая тарелка в ректификации — это часть колонны, в которой при конкретных условиях и режиме работы колонны достигается равновесие жидкой и парообразной фаз и теплообмен прекращается. Самой маленькой эта часть будет, когда колонна работает “на себя”, без отбора — с СПН она составит всего 1,5-3 см. При отборе голов и хвостов — 2-4 см, тела — 6-8 см.

Число теоретических тарелок в ректификационной колонне

В зависимости от числа флегмы и спиртуозности жидкости в кубе, меняется количество теоретических тарелок одной и той же колонны. Если при работе “на себя” в ней будет около 100 ТТ, то при отборе тела — 10-40 ТТ, поскольку флегмы будет много.

Конструкция тарелок ректификационной колонны

Устройство тарелок ректификационной колонны может быть самым разнообразным, но самый простой, эффективный и популярный вариант насадки в бытовой колонне — это СПН.

Источник

Типы ректификационных тарелок

Виды тарелок

В колонных аппаратах НПЗ в настоящее время используются десятки конструкций контактных устройств, отличающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. Наряду с тарелками первого поколения (колпачковые, желобчатые), которые до сих пор эксплуатируются на старых производствах, широкое распространение на установках АВТ получили S-образные, клапанные (пластинчатые, дисковые) и другие типы КУ.

Тарелки клапанные, колпачковые, ситчатые

Колпачковые

Ситчатые

Решетчатые

С S-образными элементами

Клапанные (дисковые)

Область применения различных типов тарелок

Основные характеристики сравнения

Нередки случаи, когда в одной ректификационной колонне в разных секциях используются тарелки разных типов. Это объясняется тем, что паровые и жидкостные нагрузки по высоте нефтяных колонн, особенно работающих с боковыми отборами, существенно различаются (иногда на порядок). При сравнении контактных устройств различного типа в качестве основных обычно выступают следующие показатели:

  • Производительность.
  • Гидравлическое сопротивление.
  • Эффективность (коэффициент полезного действия) – характеризует степень приближения реального процесса разделения на тарелке к теоретически достижимому (теоретическая тарелка).
  • Допустимый диапазон варьирования рабочих нагрузок (и по пару, и по жидкости), который определяется отношением максимально допустимой нагрузки к минимально допустимой.
  • Градиент уровня жидкости по ширине полотна тарелки, который определяется тем обстоятельством, что жидкость на тарелку вводится с одного края тарелки (секции), а отводится с другого. При течении жидкости по полотну тарелки она преодолевает определенное гидравлическое сопротивление, поэтому высота слоя жидкости у приемного кармана превышает соответствующий уровень у сливного кармана. Наличие градиента приводит к нарушению равномерности распределения пара по ширине барботажного слоя и в итоге – к снижению эффективности КУ.
  • Высота межтарельчатого расстояния, которая должна обеспечивать нормальную работу гидравлического затвора для обеспечения гарантированного перетока жидкости с верхней тарелки на нижнюю.
  • Обеспечение длительной работоспособности при работе на загрязненных средах и средах, склонных к образованию смолистых или других отложений.
  • Металлоемкость.
  • Стоимость.
  • Удобство монтажа и ремонта, простота конструкции.
Читайте также:  Тарелка или корзина для хлеба

Расчет отводимого тепла выносным орошением

Для сложных колонн, работающих с выносными холодными циркуляционными орошениями, к которым относятся и колонны АВТ, весьма важной становится ещё одна специфическая характеристика: величина реализуемого теплосъема от внутреннего парового потока холодным орошением – Q, (кВт/м 3 ). В этой характеристике величина достигаемого теплосъема отнесена к 1 м 3 барботажного слоя или к 1 м 3 насадки. В отечественной литературе данная характеристика учитывается достаточно редко, хотя она в значительной мере определяет эффективность работы циркуляционных орошений.

Количество тепла, отводимого от циркуляционного орошения во внешнем теплообменнике, определяется:
Q=L(Hн-Hк)

Все это количество тепла затрачивается внутри колонны на конденсацию части парового орошения, а энтальпия жидкого потока достигает при этом значения Hн. В процедуре технологического расчета, который, как правило, проводится по «теоретическим тарелкам» процесс теплообмена будет завершен на первом же КУ. Фактически же именно реальная эффективность процесса теплосъема на КУ будет определять, на скольких реальных тарелках будет завершен этот процесс.

Выбор оптимальной конструкции контактных устройств

Конструкции КУ, выигрывающей у всех остальных конструкций по всем показателям, не существует. Каждая из конструкций обладает своими преимуществами и недостатками и своей областью рационального использования. В зависимости от особенностей конкретного процесса наибольшее значение могут приобретать те или иные характеристики из вышеперечисленных. Так, на выбор КУ для колонн атмосферного блока наибольшее влияние оказывают показатели производительности, эффективности и допустимого значения диапазона рабочих нагрузок, в котором обеспечивается высокая эффективность работы тарелок. Для колонн вакуумного блока на первое место выдвигается гидравлическое сопротивление КУ, поскольку оно будет определять интенсивность процесса разложения тяжелых углеводородов в зоне нагрева, а значит, в значительной мере и качество товарных фракций, хотя и в этом случае должны, конечно, учитываться и остальные характеристики. Наиболее распространенные типы КУ приведены на рисунке.

В атмосферных колоннах хорошо зарекомендовали себя различные модификации клапанных КУ с дисковыми, прямоугольными и трапециевидными клапанами, а также комбинированные S-образные тарелки с клапанами. В вакуумных колоннах представляет интерес использование дисковых клапанов эжекционного типа, которые характеризуются наименьшим гидравлическим сопротивлением среди всех типов КУ.

Рис. 3.1. Распространенные типы колпачков и клапанов:

Колпачки: а – круглый; б – шестигранный; в – прямоугольный; г – желобчатый; д – S-образный; клапаны: е – прямоугольный; ж – круглый с нижним ограничителем; з – круглый с верхним ограничителем; и – балластный; к – дисковый эжекционный перекрестноточный; л – пластинчатый перекрестно-прямоточный; м – S-образный колпачок с клапаном.
Обозначения: 1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель; 4 – балласт.

Переливные устройства тарелок

Для организации перелива рабочей жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую в КУ используются специальные переливные устройства, включающие в себя сливную перегородку и карман (рис. 3.2). При больших значениях удельных нагрузок по жидкости (измеряется через расход фазы – м 3 /час отнесенный к 1 м 2 сечения колонны или к 1 м длины сливной перегородки), что характерно для многотоннажных колонн установок АТ-АВТ, для снижения градиента уровня жидкости применяются многопоточные конструкции КУ (от 2-х до 4-х потоков). Сливные карманы могут быть использованы также для подвода на КУ промежуточных потоков (холодные орошения) и/или для отвода боковых отборов (рис. 3.3). В последнем случае объемная емкость кармана наращивается за счет увеличения межтарельчатого расстояния, что повышает надежность работы откачивающего насоса.

Читайте также:  Спутниковая тарелка телевидение плюс интернет

Рис. 3.2. Устройство узлов перетока жидкости с тарелки на тарелку и ввода орошений для однопоточных (а) и двухпоточных (б) тарелок: 1 – корпус колонны; 2 – секции тарелок; 3, 4 – коллекторы ввода жидкости на верхнюю и промежуточную тарелки; 5, 6 – сливные карманы

Массо – теплообмен между взаимодействующими фазами (пар – жидкость) протекает на КУ в барботажном слое: структуре, которая образуется при истечении парового потока из небольших отверстий или щелей, выполненных в полотне тарелки или в специальных устройствах (колпачках), в слой жидкости под небольшим избыточным давлением. Эта структура представляет собой ансамбль пузырьков, размер которых измеряется миллиметрами. Паровые пузырьки зарождаются при истечении газа, всплывают в слое жидкости за счет разности плотностей жидкой и паровой фаз и разрушаются на верхней границе барботажного слоя. Размер пузырьков определяется свойствами паровой и жидкой фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, …), конструкцией КУ и гидродинамическими условиями взаимодействия фаз. Суммарная поверхность массообмена в барботажном слое измеряется десятками и даже сотнями м 2 поверхности, приходящихся на 1 м 3 объема барботажного слоя.

Рис. 3.3. Узлы вывода боковых погонов (жидкость) из колонны: 1 – корпус колонны; 2 – тарелки; 3 – сливной карман увеличенного размера; 4 – сборная (глухая) тарелка; 5, 6 – патрубки для прохода паров и отвода жидкости; 7 – уравнительная труба

Рассмотренные типы контактных устройств относятся к наиболее распространенным для условий работы блоков АТ-АВТ. К настоящему времени разработаны и другие эффективные конструкции КУ [6-10], которые могут представлять интерес при решении задач проектирования. Надо при этом отметить, что какой-либо универсальной конструкции, пригодной для любых условий эксплуатации, выделить нельзя. Каждая конкретная задача проектирования должна решаться с учетом технологии производства на основе обобщения опыта работы родственных установок.

Источник

Особенности ректификационных колонн Часть 3

В ранних публикациях мы рассказали о положении фракций в колонне, а также дали представление о азеотропной точке. Сегодня мы продолжим говорить о ректификации.

  1. Процесс работы колонны
  2. Теоретические и физические тарелки
  3. Как посчитать высоту колонны

Процесс работы колонны

Работая с колонной, мы всегда имеем дело с отдельными примесями. Об их очередности в порядке испарения мы писали еще в первой части. Может показаться что достаточно открыть кран, и мы получим ту фракцию, которая расположена в районе узла отбора. Отчасти это так, однако имеются особенности, которые следует учитывать. Для большей наглядности рассмотрим процесс с указанием соответствующих таймингов.

По оси X у нас расположено время работы колонны. По оси Y указывается температура. Если отталкиваться от упрощенной схемы, согласно которой в колонне вода, этиловый спирт и ацетон становится очевидным тот факт, что очередность фракций будет следующей: в верхней части колонны разместятся легкокипящие фракции. В нашем случае это ацетон. Следом за ним будет расположен этиловый спирт. У него температура кипения выше, что, собственно, и определяет его промежуточное положение. Наконец в нижней части будут расположены низкокипящие смеси. Для простоты в нашем примере это вода. Напомним она испаряется при температуре 100 градусов что существенно больше, чем у этилового спирта.

Теперь представим, что мы открыли узел отбора в верхней части колонны. Первое что мы получим это ацетон. Он будет выходить ровно до момента пока за ним не последует следующая фракция (в нашем случае этиловый спирт). Может показаться что этот переход является резким, однако это не так. Пограничный участок хорошо показан на графике и имеет изогнутую кривую. Она говорит нам о том, что есть и некая промежуточная фракция. Ее особенность заключается в смешанном составе. Если брать за пример тот, что мы рассмотрели выше в составе такой смеси, будет присутствовать как этиловый спирт, так и ацетон. При этом ее структура будет меняться с течением времени. Скажем вначале такого перехода в структуре фракции будет преобладать ацетон. К концу же перехода основным компонентом фракции будет этиловый спирт.

Показателем, на который следует ориентироваться при отборе выступает температура. Зная температуру испарения отдельных фракций, можно с уверенностью говорить о том, какая именно из фракций в настоящий момент попадает в отбор.

Читайте также:  Как померить диаметр тарелки

Что нам, собственно, дает график размещенный выше? Он показывает, что в чистом виде примесей не существует! Они находятся в постоянном переходе из одной в другую. Именно эта особенность затрудняет разделение исходной смеси на отдельные компоненты.

Если немного абстрагироваться от отдельных примесей и подняться на уровень выше (уровень голов, тела и хвостов) то, согласно графику, можно увидеть наличие еще по крайней мере 2х промежуточных фракций. Одну из них самогонщики именуют подголовниками, а вторую соответственно предхвостниками.

Теоретические и физические тарелки

В теории ректификации есть такое понятие как “теоретическая тарелка”. Многие неофиты в самогоноварении пытаются все измерять исключительно согласно оборудованию (то, что можно пощупать руками) отбрасывая то, что лежит в основе процесса. Термин теоретическая тарелка является условным, однако он крайне важен для понимания сути процесса.

В ранней публикации мы приводили график, в котором обозначили точку азеонтропы. Сегодня мы вновь взглянем на этот график, однако, несколько под другим углом.

Как можно заметить на графике имеется несколько ступенек. Каждая ступенька — это простейший цикл испарения (движение вправо) и конденсации (движение вверх). В ходе перегонки в колонне таких циклов великое множество. Количество циклов для отдельной фракции показывает, как быстро (за сколько циклов) она доходит до азеотропной точки. Каждый такой цикл принято считать теоретической тарелкой или единицей переноса.

Если говорить о физических тарелках мы как правило приходим к барботажным колоннам. Они довольно эффектно смотрятся. На каждой отдельной тарелке осуществляется процесс барботажа, где пар переходит в жидкость. Иными словами, эффективность такой колонны зависит от количества тарелок, на которых ведется барботаж. Если же говорить о ректификационных колоннах, в которых нет физических тарелок мы предполагаем, что в них размещается наполнитель вроде сетки Панченкова или СПН. Учитывая плотность, с которой набита такая колонна концентрация пара и флегмы на отдельном участке значительно выше, чем в случае с тарельчатой системой. Как следствие КПД ректификационной колонны с закрытой царгой несомненно выше.

Если сравнивать тарельчатую колонну с колонной, внутри которой расположен наполнитель нам нужен некая единая система координат. В данном случае используются именно теоретические тарелки. Здесь важно помнить, что КПД физической тарелки — это приблизительно 50-60% от теоретической.

Теперь встает вопрос о высоте теоретической тарелки в пределах колонны. Здесь все зависит от 2х показателей: от диаметра колонны и от типа наполнителя. Так в случае, если колонна имеет диаметр 3см а наполнителем выступает СПН высота теоретической тарелки будет равна 25-30мм. Если использовать РПН высота теоретической тарелки будет составлять от 60 до 120 мм. Высоту тарелки можно еще больше уменьшить. Для этого потребуется найти более мелкозернистую насадку.

Важно помнить, что чем более мелкой фракцией обладает насадка, тем меньшей производительностью будет обладать система в целом.

При наполнении колонны важно найти разумный баланс между размером теоретической тарелки и производительностью. Если сместить акцент на размеры тарелки (т. е. повысить качество разделения) в ущерб производительности можно столкнуться с явлением захлеба колонны. Захлеб колонны возникает в ситуациях, когда плотность наполнения столь велика, что давление пара в нижней части колонны становится существенно выше, чем скорость возврата флегмы из верхних частей колонны. При этом паровая точка постепенно смещается в верхнюю часть и в итоге приводит к захлебыванию. Критерием захлеба является выход флегмы через верхний штуцер.

Чтобы избежать такого сценария можно убавить нагрев, однако, это уменьшит производительность системы.

Как посчитать высоту колонны

Если вернуться к высоте теоретической тарелки, то она составляет 30 мм или 3 см. Таких тарелок в колонне должно быть как минимум 30. Следовательно высота должна быть около 90 см. Это мы берем колонну с диаметром 30 мм. Таких уже практически не встретить в продаже. Стало быть, использовать эти значения не стоит. Дабы посчитать высоту тарелки (и определить высоту колонны) можно воспользоваться простой формулой, согласно которой ВЫСОТА КОЛОННЫ / ДИАМЕТР = МИНИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТАРЕЛКИ. Зная этот коэффициент можно определить эффективность работы системы еще до ее покупки.

Источник

Поделиться с друзьями