Насадочные ректификационные колонны

СОВРЕМЕННЫЕ НАСАДОЧНЫЕ КОЛОННЫ:
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

В.С. Леонтьев, С.И. Сидоров

ФГУП "РНЦ "Прикладная химия"

Насадочные колонны. Основные характеристики. Особенности конструктивного оформления и эксплуатации. Области применения. Методы расчета.

В конце 20-го века, по мнению специалистов, наиболее заметным явлением в области разделения стало резкое повышение конкурентоспособности насадочных колонн по сравнению с колоннами тарельчатого типа. Сейчас уже общепринято при проектировании рассматривать возможности использования насадок различного типа для выполнения практически всех технологических операций в системах газ (пар) – жидкость.
Первые насадочные колонны использовались  в химической промышленности еще в 20-х годах XIX века [1]. До 40-50 г.г. прошлого столетия такая аппаратура плохо поддавалась расчетам и проектированию, и область ее применения была существенно ограничена (обработка агрессивных сред, относительно малые диаметры колонн). Ситуация начала меняться с разработкой "открытых" (сквозных) насадок, в которых потоки могут проходить непосредственно через элементы насадки (кольца Рашига, Палля и т.д.) [2]. Было обращено самое серьезное внимание на возможность применения таких насадок в больших промышленных колоннах. Основное преимущество открытых насадок нерегулярного типа заключается в том, что они практически исключают процессы туманообразования, характерные для "глухих" насадок. Использование "открытых" насадок обеспечивает достаточно низкий перепад давления по высоте аппарата без снижения эффективности [2, 3].
По конструктивным признакам применяемые в промышленности нерегулярные насадки можно разделить на следующие основные типы: кольцевые без внутренних перегородок (типа колец Рашига); кольцевые с внутренними перегородками (типа колец Палля); седлообразные (типа седел Берля, инталокс, IMTP), сферические, прочие [4].
Кольцевые насадки могут быть изготовлены как со сплошными стенками (кольца Рашига), так и с перфорированными (кольца Перфоринг). Существуют кольцевые насадки, изготовленные из металлической сетки (кольца Диксона, Борада). Общий недостаток всех кольцевых насадок – их низкая способность к перераспределению жидкой фазы.
Седлообразные насадки также могут быть изготовлены либо со сплошными (седла Берля, инталокс), либо с перфорированными стенками (седла суперсетл, IMTP). Наличие перфорации облегчает доступ пара внутрь насадки, увеличивает ее пропускную способность, но повышает стоимость изготовления. Преимущество седлообразных насадок – их способность к сравнительно эффективному перераспределению жидкой фазы.
Кольца Рашига используют в колоннах, работающих под вакуумом, и в тех случаях, когда к качеству продуктов разделения не предъявляется высоких требований. Насадка отличается низкой стоимостью, но она относительно малоэффективна.
Применяемые в промышленности кольца Рашига имеют, как правило, отношение высоты к диаметру, равное единице.
Внутренние перегородки  и перфорация стенок у кольцевых насадочных тел позволяют обеспечить дополнительную турбулизацию потоков, что повышает кратность обновления поверхности контакта фаз и, следовательно, эффективность массообмена.
Изготовление кольцевых насадок из металлических сеток позволяет дополнительно турбулизировать контактирующие фазы.  За рубежом в ректификационных колоннах с высокой разделяющей способностью применяют насадку Диксона – кольца с перегородками, изготовленные из металлической сетки. Данные насадки применимы, в основном, для малогабаритных колонн.
В последнее время с кольцевыми насадками успешно конкурируют более эффективные насадки – седла инталокс, IMTP и Берля. Основное преимущество седел – их высокая способность к перераспределению жидкости, что делает возможным их использование в комбинации с другими насадками, когда возникает необходимость коррекции плохого распределения [4].
Фирма Нортон (США) предлагает штампованные металлические седла инталокс. По заявлению фирмы эта насадка превосходит по своим массообменным характеристикам все другие кольцеобразные и седловидные насадки.
При использовании известных типов седлообразных насадок в промышленных противоточных тепло-массообменных аппаратах часто наблюдается их забивка различными осадками, а также плотное прилегание насадочных элементов друг к другу. Это ведет к снижению ожидаемой эффективности массопередачи и увеличению допустимого гидравлического сопротивления.
Каналообразование в слое насыпной насадки приводит к возникновению неравномерности распределения жидкой фазы в поперечном сечении колонны.
Совершенствование конструкций насыпных насадок идет по пути создания и внедрения контактных элементов, отличающихся повышенной способностью к перераспределению жидкой фазы (или способностью сохранять по всей высоте слоя первоначальное распределение жидкой фазы), а также обеспечивающих высокую кратность обновления поверхности контакта (например, в результате применения насадок с внутренними перегородками) и эффективность в широком диапазоне нагрузок.
Повышение эффективности массообмена в колоннах с насыпной насадкой может быть достигнуто не только за счет использования более эффективных конструкций насадочных тел, но и за счет оптимизации конструкции всей колонны: использование эффективных перераспределителей жидкостного и парового потоков, опорных решеток, узлов ввода и отбора жидкой и паровой фаз, использования различных насадочных тел по высоте колонны и т.д.
На рисунке 1 приведены некоторые типы металлических нерегулярных насадок.
Несмотря на значительный прогресс в области создания высокоэффективных аппаратов с насадочными телами, засыпанными в навал, колоннам такого типа присущи недостатки, которые ограничивают области их применения:
1 – относительно низкие допустимые нагрузки;
2 – значительная материалоемкость;
3 – затруднена работа с загрязненными средами;
4 – сложность изготовления высокоэффективных насадочных тел.
Ряд этих недостатков устраняется при использовании регулярных насадок в виде рулонов, пакетов, блоков. Регулярные насадки, обладая упорядоченной структурой, препятствуют возникновению непредвиденных застойных зон, имеющих место в насыпных насадках. Кроме того, они способны работать с высокими нагрузками по паровой фазе, обладают более низким собственными сопротивлением, менее материалоемки.
Идея применения "открытых" насадок получила свое развитие в разработке регулярных (структурированных) насадок [5], первые промышленные образцы которых созданы швейцарской компанией Sulzer Brothers[6]. Насадки типа Sulzer сначала изготавливались из тонкой металлической сетки, а позднее и из тонкого листового металла [7]. За небольшой промежуток времени было разработано целое семейство различных типов регулярных насадок (РН).
Сегодня колонны с регулярными насадками относятся к наиболее эффективным ректификационным аппаратам.
В мировой практике лидерами в области исследования и разработки регулярных насадок являются фирмы SULZER, NORTON, GLITSCH [8…13], в России – ФГУП "РНЦ "Прикладная химия".
Для  лабораторной  практики зарубежными фирмами  выпускаются  насадки эффективностью  более 20 т.т./м. Однако они имеют очень низкую производительность: фактор нагрузки ( F=w (?п)1/2 ) равен 0,3…0,6 кг0,5/(с*м0,5).
Эффективность лучших образцов их промышленных насадок составляет 5…6 т.т./м при факторе нагрузки F=1,5…2,0 кг0,5/(с*м0,5).
Разработанные в ФГУП "РНЦ "Прикладная химия" регулярные насадки превосходят промышленные образцы регулярных насадок ведущих зарубежных фирм (SULZER, NORTON, GLITSCH) по интенсивности процесса массообмена. Съем продукции с единицы объема разработанных модифицированных насадок в 1,6…2,5 раза выше, чем у наиболее эффективных металлических сетчатых насадок фирмы SULZER типа BX и CY и MELLAPAK 750.Y [14]. Пакеты насадки одновременно обладают конструктивной жесткостью и упругостью для обеспечения высококачественного монтажа, исключающего возможность проскока жидкости или пара в пристенном пространстве.
Сопоставление характеристик различных насадок приведено в таблицах 1, 2.
В работе [9] приводятся сравнительные данные по внутренним устройствам ректификационных колонн (см. таблицу 3). Из приведенных материалов видно, что современные насадочные колонны составляют серьезную конкуренцию тарельчатым аппаратам, превосходя последние по целому ряду показателей, таких как эффективность, производительность, устойчивость работы. Относительно высокая стоимость и затрудненность работы с загрязненными средами сдерживает широкое распространение регулярных насадок. Тем не менее, они все чаще используются в химической, нефтехимической и др. отраслях промышленности и являются наиболее перспективными контактными устройствами для колонн спиртовой промышленности.
  В действительности же, рассматривая графу "стоимость" в таблице 3, следует критически относиться к приведенным в ней показателям. По нашим оценкам регулярные насадки, имея высокую удельную стоимость, что правильно отражено в таблице, за счет высокой эффективности и пропускной способности позволяют использовать аппаратуру меньших габаритов, чем приведенные конкурентные конструкции. В результате этого стоимость колонн с регулярной насадкой часто оказывается ниже (при равных пропускной способности и эффективности аппарата), чем у тарельчатых конструкций и колонн с насыпной насадкой. Так по нашей оценке эпюрационые (ЭК) и ректификационные колонны (РК) с регулярной насадкой будут дешевле аналогичных колонн с колпачковыми тарелками. При работе с загрязненными средами (например, при возможности попадания загрязнений в бражной дистиллят (переброс бражки) и использовании насадочной ЭК) проблема легко решается путем установки простых сетчатых фильтров на линии подачи питания (внедрено на АО "REBOR" г. Павлодар; ОАО "Престиж" г. Владикавказ; ООО "Биокомплекс" п. Шуйское Вологодской обл.).
Выбор между регулярными насадками или высокопроизводительными тарелками все чаще заканчивается в пользу насадок [16] (см. рисунок 2).
Особенно перспективным является использование регулярных насадок в спиртовой промышленности, где требуется высокая эффективность и существует ряд ограничений по высоте колонного оборудования. Практически все колонны брагоректификационных установок (БРУ) работают при факторе Fр=L/G (?п/?ж)1/2 < 0,1. При этих условиях использование насадочных колонн более предпочтительно, чем тарельчатых. В БРУ только для бражной колонны использование насадок малопригодно из-за забивок.
Работа насадочных колонн основывается на сочетании нескольких режимов взаимодействия потоков:
1)   пленочного режима, когда поднимающиеся пары взаимодействуют со стекающими тонкими пленками, поверхность которых связана с удельной поверхностью насадки;
2)   струйно-капельного режима, в результате которого стекающая жидкость за счет высокой скорости пара дробится на мельчайшие капли, поверхность которых можно оценить на основе ряда экспериментальных работ;
3)   эмульгационного режима, при котором реализуется режим развитой свободной турбулентности.
Для регулярных насадок преобладает пленочный режим течения жидкости. При нагрузках близких к предельным заметную роль начинает играть струйно-капельный режим.
При пленочном режиме жидкость стекает по поверхности сетки, причем размер ячеек сетки должен подбираться таким образом, чтобы за счет сил поверхностного натяжения вся поверхность насадки покрывалась равномерной тонкой пленкой. Паровой поток поднимается по наклонным, взаимопересекающимся каналам, имеющим пространственную конфигурацию, и равномерно распределяется по всему сечению колонны. Суммарная поверхность пленок пропорциональна удельной поверхности насадки.
По этой причине большой эффект дает применение конструкционных материалов, обладающих хорошей смачивающей способностью. Оснащение элементов регулярной насадки устройствами, турбулизирующими потоки контактирующих фаз, также позволяет повысить эффективность массообмена. В колоннах с регулярной насадкой, хотя и в меньшей степени (по сравнению с аппаратами с насыпной насадкой), но все же имеет место поперечная неравномерность распределения жидкости. Устранение неравномерности распределения может быть достигнуто в результате применения промежуточных распределительных пакетов, применения в одной колонне пакетов различной конфигурации, а также внедрения насадок, способных по своей конструкции если не устранить, то значительно ограничить размеры поперечной неравномерности     

 При разработке насадочных колонн важно знать условия, при которых обеспечивается коэффициент масштабного перехода (КМП) близкий к 1. При конструировании колонн необходимо строго выдерживать определенные для соответствующего типоразмера технические параметры.
Из литературы известно [4, 10, 13, 15, 17], что эффективность "идеальных" насадочных колонн при соблюдении определенных условий практически не должна зависеть от их диаметра. Важно обеспечить равномерное распределение стекающей жидкости на единицу площади зеркала насадки и равномерность распределения поднимающегося пара. Кроме того, необходимо правильно выдерживать соотношение между длиной царги и ее диаметром. Тем не менее, эта, казалось бы, простая задача полностью до сих пор не решена. Для высокоэффективных насадок (как регулярных, так и нерегулярных) необходимо обеспечивать высококачественное начальное распределение жидкости. В противном случае их эффективность резко снижается.
Особенности конструктивного оформления колонн с насадками.
Колонна с насадкой должна иметь тщательно проработанные следующие узлы:
•   опорную решетку;
•   собственно слой насадки;
•   распределители потока жидкости;
•   распределители потока пара;
•   узлы ввода жидкости и пара;
•   узлы отбора жидкости и пара.
Опорная решетка выполняется таким образом, чтобы не создавать затеснения, приводящего к преждевременному захлебыванию аппарата. Для насыпных насадок опорные решетки часто выполняются в виде волнистого профиля. Для регулярных насадок опорные решетки, как правило, выполняются в виде полос, установленных на ребро, и имеют большое свободное сечение, что исключает возможность захлебывания в зоне опорной решетки.
Насыпные насадки засыпаются таким образом, чтобы максимально уменьшить неравномерность засыпки и исключить возможность деструкции насадочных тел (особенно важно для керамических насадок). Для этого загрузку иногда проводят в слой воды. Для уменьшения вероятности захлебывания в зоне опорных решеток нижний слой насадки засыпают телами, имеющими больший геометрический размер, чем насадка в основном слое. Например, если основной слой насадки имеет определяющий размер 25 мм, то нижний слой (~100 мм) засыпают телами с определяющим размером 35…50 мм.
В регулярных насадках по высоте колоны ставятся пакеты, имеющие различную конфигурацию и выполняющие различные функции: массообменные пакеты и прераспределительные. Перераспределительные пакеты предназначены для перераспределения жидкостного потока по сечению аппарата. В них также протекают и массообменные процессы, но с меньшей эффективностью, чем в специально предназначенных для этой цели пакетах. В то же время массообменные пакеты, в связи с различными парожидкостными нагрузками по высоте колонны, могут иметь различную конфигурацию в укрепляющей и исчерпывающей частях для обеспечения оптимальной работы всего колонного аппарата.
Равномерное распределение потока жидкости важно как для насыпных насадок, так и для регулярных. Однако стандартные распределительные тарелки насадочных колонн имеют малое число точек орошения (100…200 точек на 1 м2 сечения аппарата), что снижает эффективность работы насадочных колонн. Нами разработаны распределители, которые обеспечивают 600…800 точек орошения на 1 м2 сечения аппарата, что в несколько раз выше, чем у стандартных конструкций и является достаточным для создания равномерного орошения насадки. Конструктивно распределители для колонн различных диаметров выглядят различно. На рисунках 4…7 приведены варианты предлагаемых ФГУП "РНЦ "Прикладная химия" распределителей.
Разработанные конструкции распределительных устройств для насадочных колонн обеспечивают высокую степень равномерности распределения жидкости и пара по сечению колонны и позволяют снизить требования к точности горизонтальной установки распределительных устройств (РУ) и вертикальности самой колонны, что существенно облегчает монтаж колонн.
Для колонн диаметром 100…150 мм целесообразно использовать конусный распределитель жидкостного потока с зубчатыми краями (см. рисунок 4). Он имеет отверстия для прохода пара. Диаметр конической части составляет 50 … 80 % от диаметра колонны.
Для колонн диаметром 200…400 мм целесообразно применять распределители в виде патрубков с прорезями (см. рисунок 5), через которые стекает жидкость, для колонн диаметром более 400 мм – желобчатые распределители (см. рисунок 6).
Такие распределители могут с успехом использоваться и для колонн с насыпными насадками. Распределительные устройства необходимо устанавливать через каждые 2…3 м высоты насадки.
Распределение только жидкостного потока не может полностью обеспечить хорошую работу насадки. Перераспределение и стабилизация парового потока, особенно на входе его в слой насадки, также необходимо.
Устройства ввода парового и жидкостных потоков в колонну должны выполняться таким образом, чтобы минимизировать гидродинамическое возмущение, вносимое этими потоками в точке ввода.

Для обеспечения равномерности парового потока на входе в насадку разработаны специальные отбойники-распределители (см. рисунок 7). Основное назначение отбойников – собрать стекающую жидкость в желоба. Обычно их делают в виде наклоненных в одну сторону пластин, перекрывающих в свету сечение желобов. Недостаток таких отбойников состоит в том, что поднимающийся пар отбрасывается отбойниками в сторону наклона пластин и, вследствие этого, создается дополнительная неравномерность парового потока на входе в вышележащий слой насадки. В разработанной нами конструкции каждая пластина отбойника разрезается на несколько фрагментов, направленных поочередно в разные стороны от желоба. При этом гарантируется как сбор жидкости в желоба, так и равномерное распределение поднимающегося пара по сечению колонны при высокой его турбулизации и перемешивании.
Таким образом, эффективная работа ректификационной колонны с регулярными насадками обеспечивается всей совокупностью конструктивных элементов, каждый из которых предназначен для решения своей задачи. Недооценка тех или иных факторов при разработке этих узлов, некачественное изготовление или монтаж могут существенно снизить эксплуатационные характеристики колонн.
Поэтому изготовление высокоэффективного колонного оборудования нового поколения проводится в тесной кооперации с ведущими машиностроительными заводами России. Техническая документация разрабатывается ФГУП "РНЦ "Прикладная химия". Рабочая – выполняется машиностроительным заводом при обязательном авторском контроле, проводимом специалистами ФГУП "РНЦ "Прикладная химия" как на стадии разработки рабочей документации, так и при изготовлении оборудования. Такая практика позволяет избежать ошибок и обеспечивает быстрый ввод оборудования в эксплуатацию с обеспечением всех заложенных показателей (производительность, эффективность и т.д.).

Это - статья из журнала "Химическая промышленность", 2005, №7, да?

А до текста через Инет добраться можно?

Это - статья из журнала "Химическая промышленность", 2005, №7, да?

А до текста через Инет добраться можно?
Ант, 13 Апр. 09, 09:39

Даже не помню откуда скачал.

вот исходник.
alekslug, 15 Апр. 09, 14:18

пасибо ... очень полезная информация . после последнего посещения сайта "прагматехник" - утвердилось решение строить колонну самому . но на эксперементы мало материалов и времени . хочется 1л\час и 100 тарелей и КПД больше 100%  ...

2 alekslug
Ниасилю.
Если ты все прочитал, может вывод выложишь?
Был бы благодарен, ибо в кольцах рашига и нерашига запутался и селиваненки далеко и дорого.
Будет интересно всем.

Статья дает представление о устройсве промышленных ректификационных колонн.Там размеры сильно отличаются от наших домашних колонн
НО тем не менее принцип работы один и тот же.Полезно ознакомиться тем кто хочет сделать сам колонну большой производительности.
 Для наших колонн периодического дейсвия диаметром до 40 мм самая лучшая насадка спиральнопризматическая.Она дает наилучшее разделение и имеет хорошую пропускную способность для флегмы и пара, а это значит лучшую производительность при оптимальных высотах колонн.

СПС. Так понял, что Селиваненки альтернативы нет!

Совсем не так.
Мочалки, стружка нержавеющая, шарики стеклянные,керамические.Даже камушки.Битые фарфоровые изоляторы. сетка металлическая и из стекловолокна.
Насадка от Селиваненко на сегодняшний день лучшее предложение на рынке.

 Гдето здесь на форуме читал, как кто-то обжигал кусочки глины и долго замачивал их в воде при перепадах температур и.т.д. Пишет, что испытание выдержала такая насадка.
Тогда если по химическим свойствам запечепая глина не будет активна со спиртом (ведь в принципе это каолиновую руду из нее делают для получения аллюминия если не ошибаюсь). Можно прогонять сырую глину через мясорубку с нужным сечением отверстий и в печь на обжиг. Остаетсю только поламать на нужные кусочки. Готова идеальная насадка проверенная веками (глиняные горшки до сих пор раскапывают из под зедли археологи).

Вот еще немного о насадочных колоннах.Где взял-ссылку не осталось.
Уверен,что с некоторыми "пунктиками" можем успешно побороться!