Оформлення колон
Федеральне агентство з освіти Державна освітня установа вищої професійної освіти
Московська державна академія тонкої хімічної технології ім. М.В. Ломоносова
Кафедра «Процеси та апарати хімічної технології»
Носов Г.А., Захаров М.К.
Конструктивне оформлення колонних апаратів
Методичні вказівки з курсового проектування
Рецензент: проф. Грусков А.Д.
Автори: Г.А. Носов, М.К. Захаров. Методичні вказівки щодо курсового проектування «Конструктивне оформлення колонних апаратів» // М.: МІТХТ ім. М.В. Ломоносова, 2009, с. 52.
Методичні вказівки щодо влаштування колонних апаратів є необхідним доповненням до методичних вказівок щодо розрахунку та проектування ректифікаційних та абсорбційних установок. Посібник призначений для студентів 3 та 4 курсів усіх спеціальностей МІТХТ ім. М.В. Ломоносова, які виконують курсовий проект з курсу ПАХТ, а також для студентів старших курсів, які виконують кваліфікаційні роботи, пов'язані з використанням процесів абсорбції, ректифікації та протиточного тепломасообміну.
Затверджено бібліотечно-видавничою комісією МІТХТ ім. М.В. Ломоносова як навчально-методичний посібник.
Вибір конструкційних матеріалів.
Влаштування тарілчастих колон.
2.1. Ковпачкові колони.
2.2. Клапані колони.
2.3. Ситчасті колони.
2.4. Колони з іншими типами контактних пристроїв.
Влаштування насадочних колон.
Конструктивні елементи колонних апаратів.
4.1. Кришки та днища.
4.4. Фланцеві сполуки, боби.
4.6. Вказівники рівня рідини.
4.7. Зміцнення отворів.
4.8. Теплова ізоляція
Колониапарати з протиточним рухом фаз широко використовуються в хімічній, нафтохімічній, коксохімічній, харчовій та інших галузях промисловості для проведення процесів абсорбції, десорбції, ректифікації,
протиточного контактного теплообміну та очищення газових потоків від дисперсних частинок Із закономірностями цих процесів та особливостями їх конструктивного оформлення можна познайомитись у навчальній літературі [1-8]. Практично всі ці процеси можуть проводитися як у періодичному, так і безперервному режимах. У
цьому посібнику основну увагу приділено конструктивному оформленню колонних апаратів безперервної дії.
Колони можуть працювати в широкому діапазоні температур від –250 до
250 про при надмірному тиску до 2,5 МПа і під вакуумом до 5 мм рт. ст. (665 Па).
При цьому є досить велика різноманітність конструктивного оформлення таких апаратів. Їх характеристики (висота, діаметр, число сходів, висота насадки,
кількість секцій насадки, діаметри штуцерів та ін.) встановлюються на підставі технологічних розрахунків, методики яких наведені у [1–8].
За принципом дії колонні апарати часто поділяють на дві групи [1-4, 9, 10]: апарати з безперервним і ступінчастим контактом фаз. Безперервний масообмін має місце в насадкових і плівкових апаратах, а ступінчастий тепломасообмін реалізується в колонних, з секціонуючими тарілками з різними контактними пристроями (ковпачками, клапанами, перфорованими гратами та ін.). Основним призначенням таких пристроїв є забезпечення хорошого контакту фаз (розвиненої міжфазної поверхні).
Тип колонного апарату може бути заданий керівником курсового проекту або він вибирається студентом самостійно і узгоджуєтьсяз керівником проекту. З
керівником проекту узгоджуються також конструктивні елементи колон, для яких необхідно провести розрахунки на міцність.
Розробці конструкції апарату повинні передувати вибір конструкційних матеріалів, з яких виготовлятимуться основні вузли та деталі колони, що проектується.
При розробці конструкції апаратів слід максимально використовувати конструктивні характеристики, що містяться в наявних каталогах та нормалях, а
також дотримуватися вимог ГОСТів та ОСТів на розміри та влаштування вузлів та
деталей колонних апаратів (тарілок, обічанок, фланців, днищ, кришок, опор,
штуцерів, люків та ін.).
1. Вибір конструкційних матеріалів
Вибір матеріалів для виготовлення колонних апаратів проводиться виходячи з фізико-хімічних властивостей сумішей, що розділяються, умов експлуатації, фізико-
механічних властивостей матеріалів та їх вартості. При цьому окремі частини апаратів можуть бути виготовлені із різних конструкційних матеріалів.
Головною вимогою до конструкційних матеріалів є їхня корозійна стійкість. Остання оцінюється за величиною швидкості корозії [10-13]. Зазвичай виготовлення деталей і вузлів колон, контактують з агресивними середовищами,
вибирають матеріал, швидкість корозії яких не перевищує 0,1 мм/рік.
Рекомендації щодо підбору конструкційних матеріалів, виходячи з їхньої корозійної стійкості, наведені в довідниках [13, 14]. У цих довідниках наведено також фізико-механічні (міцнісні) властивості різних матеріалів та рекомендації щодо їх використання для виготовлення окремих деталей колонного обладнання.
2. Влаштування тарілчастих колон
Залежно від діаметра колонні апарати зазвичайвиготовляються у двох
варіантах: царгові - діаметром 400, 500, 600, 800 і 1000 мм і цільнозварні - діаметром від 1000 до 3600 мм [13-15, 17, 18].
Царгові колони є апаратами розбірного типу, корпуси складаються з окремих вузлів (царг, кришок, куба). Усередині царга розміщуються тарілки з різними контактними та розподільними пристроями.
На рис.1 показаний ескіз тарілчастої колони царгового типу, що відповідає вимогам ОСТ-26-1488-83 [15, 17]. У табл. 1 наведено позначення та призначення штуцерів такої колони. Такі колони можуть працювати при тиску до
Кришка, царги та куб колони з'єднуються між собою за допомогою фланців.
Царги є циліндричною обічайкою, до торців якої приварені фланці. Товщина обічайки ст залежить від діаметра колони, тиску, висоти і конструкційних матеріалів колони. Зазвичай величина δ ст знаходиться в діапазоні
Мал. 1. Тарілчасті колони царгового типу [15]: 1 корпус; 2- опора-лапа; 3 - цапфа; 4-кришка; 5-відбійник сітчастий; 6- царга сепараційна; 7- тарілка; 8 камера рівнеміра; 9- пристосування для вивіряння; 10опора циліндрична; L-визначається замовником.
Таблиця 1. Позначення та призначення штуцерів царгових колон [15].
Умовний прохід, мм
Вихід пари (газу)
Вихід рідини на циркуляцію
Для регулятора рівня
Для камери рівнеміру
Для вимірювання температури
Для вимірювання тиску
* Розміри штуцерів визначається розрахунком.
Таблиця 2. Позначення та призначення штуцерів цільнозварних колон [15].
Умовний прохід, мм
Вихід пари (газу)
Вихід рідини на циркуляцію
Для регулятора рівня
Для камери рівнеміру
Для вимірювання температури
Для вимірювання тиску
* Розміри штуцерів визначається розрахунком.
4 - 20 мм [15]. Розрахунок товщини стінок колонних апаратів провадиться за ГОСТ
14249-89, РЕВ 597-77. Методики розрахунків міцності докладно розглянуті в довідниках [13, 14]. У літературі [13, 14, 17] є номограми, які дозволяють швидко визначити товщину стінок корпусів колонних апаратів,
працюючих при надмірному тиску або під вакуумом. Відомості про конструкцію фланців наведено у розділі 4.4.
Усередині царга розміщені, як правило, цілісні тарілки з різними контактними та розподільними пристроями. Висота царг l 1 залежить від кількості розташованих у них тарілок та відстані між тарілками h . Число тарілок зазвичай становить від 3 до 6, а величина h може бути 200, 300 та 400 мм [13, 15, 17]. У свою чергу, число царг залежить від загальної кількості тарілок колони.
Усередині царга для кріплення тарілок можуть бути розміщені опорні кільця або кронштейни. Конструкції тарілок та опорних пристроїв описані нижче. Зауважимо, що конструкції опорних пристроїв колонних апаратів практично не залежать від типу тарілок, що використовуються.
Окремі царги постачаються штуцерами для подачі вихідних сумішей, флегми,
абсорбентів та ін, а також штуцерами для відведення продуктів поділу. Подачу вихідної суміші та флегми проводять через штуцер з відбивною перегородкою або через трубу з нижнім вирізом і прямою відбивною перегородкою,
що забезпечують гасіння енергії струменя та спокійний злив рідини на тарілку. З
метою забезпечення складальних робіт у колонах царгового типу подачу вихідної суміші та флегми часто здійснюють через пристрій «штуцер у штуцері»,
конструкція якого наведена у розділі 4.5.
Верхня царга з'єднується з кришкою, де розміщений штуцер для виходу пари чи газу з колони. Для стандартних колон діаметром 400 і 600 мм висота кришки з паровим штуцером l 3 = 350 мм, а колон колон діаметром 800 і 1000 мм l 3 = 450 мм. Часто на кришці колони крім технологічного штуцера для виходу пари встановлюють запобіжний клапан для забезпечення скидання пари зі збільшенням тиску понад норму, штуцер для проходу повітря при заповненні водою під час гідравлічних випробувань, а також штуцери термопар і манометрів.
Висота сепараційного простору над верхньою тарілкою перевищує, як правило, відстань між тарілками в 1,5 - 2 рази, щоб уникнути інтенсивного бризкоуносу з колони. Крім цього, у верхній царзі іноді встановлюється
сітчастий або жалюзний сепаратор для додаткового відділення крапель (бризок)
рідкої фази від парового потоку
Висота нижньої частини (куба) колони залежить від конструкції окропу. Так,
наприклад, відстань між штуцерами А та Е визначається розміром (довжиною) труб у кип'ятильнику. Береться до уваги також таке. Подача проміжної суміші з окропу в колону через штуцер А проводиться, як правило, на рівень рідини в окропі. Відстань від штуцера А до нижньої тарілки повинна бути не меншою за відстань між тарілками. Висота рівня рідини в колоні повинна бути в межах 0,5 - 1,0 м, що з урахуванням висоти опори може забезпечити достатній напір для проходження кубової рідини приймальну ємність через холодильник без використання насоса.
Для царгових колон використовують циліндричні опори (див. розділ 4.2)
заввишки зазвичай 1200 мм. При цьому куб приварюється безпосередньо до опори колони. Для колон з невеликою кількістю тарілокіноді використовують опорні лапи
Ескіз цільнозварних колон тарілчастого типу показано на рис. 2, а табл. 2
вказано призначення штуцерів. Цільнозварні колони мають розбірні тарілки. При цьому колони забезпечуються спеціальними люками, які використовуються для проведення монтажних та ремонтних робіт. Між люками зазвичай розміщується від 5
до 7 тарілок. Відстань між тарілками h у цільнозварних колонах може бути
300, 400, 450, 500, 600 та 800 мм [15, 17].
Корпуси цільнозварних колон виготовляються з окремих обічанок, які зварюються між собою. Товщина стінок обечайок, як і для царгових колон,
залежить від діаметра колони, її висоти, тиску та використовуваного конструкційного матеріалу. Зверху колони приварюється еліптична кришка, а знизу такий самий днище і опора апарату. Усередині корпусу приварюються пристрої для перетікання рідкої фази та опорні елементи для кріплення елементів розбірних тарілок. На зовнішній поверхні колон часто приварюють накладки під кріплення майданчиків обслуговування [15]. Обичайки колон, що працюють під вакуумом, зміцнюються зовнішніми кільцями жорсткості, розміри та відстань між якими наведені в
У верхній частині цільнозварних колон часто розміщують кран-укосину для полегшення монтажних робіт. На корпусі колони, як правило, є пристрої
(гаки, цапфи та ін.) для стропування апаратів при їх перевезенні та монтажі [15].
Мал. 2. Апарати тарілчасті цільнозварні [15]:
1 корпус; 2-люк; 3- пристрій поворотний; 4 та 5- тарілки; 6 відбійник сітчастий; 7- пристосування для вивіряння; 8 - цапфа (штуцер); 9 - камера рівнеміру; 10опора циліндрична; n-кількість тарілок