IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение Актуальность

Ректификация широко применяют в промышленности, например, для выделения бензинов, керосинов, диз. топлива и других фракций из нефти. Получения ректификованного этилового спирта, с отделением сивушных масле и альдегидных фракций, а также для получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов).

Качество нефтепродуктов в первую очередь зависит от процесса ректификации, т.е. от тепломассообменного процесса, осуществляющегося путем многократного контактирования потоков пара и жидкости, имеющие разные составы и жидкости. Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах — ректификационных колоннах.

Ректификационная колонна — это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном "обмене" теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах (КУ), размещенных по высоте колонны.

Проблема эффективности работы ректификационных колонн, зависящая в первую очередь от контактных устройств, существовала всегда: меняется сырье, производительность установок и поставленные задачиВ последние годы при реконструкции тарельчатых ректификационных колонн чаще всего тарельчатые контактные устройства заменяются на более совершенные насадочные контактные устройства. Насадочная колонна обеспечивает меньший перепад давления по высоте аппарата, более широкий диапазон устойчивой работы, более высокий КПД, и, соответственно более высокую разделительную способность. Колонны с такими характеристиками позволяют решать вопросы углубления переработки нефти и нефтепродуктов, энергосбережения и повышения гибкости как существующих, так и проектируемых технологий.

Цель работы

Сравнить и проанализировать преимущества и недостатки насадочных и тарельчатых колонн, которые распространены в настоящее время, произвести патентный поиск, сделать выводы и подвести итоги по исследовательской работе.

Методы исследования

Исследование выполнено с помощью теоретических методов. Теоретическое исследование выполнено на основе использования опыта, теории и накопленного экспериментального материала. Выводы сформулированы по результатам анализа литературы, патентного поиска и интернет источников.

Задачи исследования

Изучить научную литературу и произвести анализ данных источников: книг, учебников, журналов, научных публикаций, докторских и кандидатских диссертаций, а также интернет статей. Также провести патентный поиск, с целью исследования разных видов контактных устройств ректификационных колонн, проанализировать их, выявить достоинства и недостатки каждого вида, рассмотреть оборудование, которое используется в процессе ректификации, и предложить своё решение проблемы по данной теме (т.е. модернизацию какого-либо способа).

1. Литературный обзор

1.1 Обзор по технической литературе

В учебном пособии «Газожидкостные хемосорбциониые процессы», авторами которого являются Чехов О. С., Рыбинский А. Г., Николайкин Н. И, представлены тарельчатые аппараты, массобменные вертикальные колонные аппараты, снабженные расположенными одна над другой поперечными перегородками, или тарелками, с помощью которых по высоте колонны осуществляется многократный дискретный контакт газа (пара) с жидкостью.

Рассказаны требования к тарелкам и режимы работы аппаратов. Разнообразие применяемых тарелок обусловлено предъявляемыми к ним требованиями. К последним относят: обеспечение на их поверхности (плато) соответствующего запаса жидкой фазы; достижение необходимой разделительной способности при изменении нагрузок по газу или жидкости; малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; минимальный брызгоунос (с нижних тарелок на верхние) для предотвращения снижения движущей силы процесса и уменьшения числа тарелок; возможность работы аппаратов в адиабатических условиях, а также подвода теплоты непосредственно в зону контакта фаз и отвода из нее теплоты (достигается установкой над плато тарелок специальных змеевиков); возможность проводить процесс в вакууме (до 8 Па); высокая эффективность обеспечивается при низком гидравлическом сопротивлении и малых нагрузках по жидкости либо под давлением (до 32 Мпа).

В другом учебнике под названием «Ректификационные и абсорбционные аппараты», автором которого является Александров И.А., рассматриваются эффективность тарельчатых аппаратов от способов контактирования фаз на их поверхности.

Различают барботажный и струйный гидродинамический режимы работы тарелок. В барботажном режиме на тарелках поддерживается слой жидкости (сплошная фаза), через который барботирует восходящий поток газа (диспесрная фаза), распределяясь в жидкости пузырьками. Аппараты с барботажными тарелками. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на плато тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств (переливных и приемных карманов); задержка жидкости задается высотой переливной перегородки (10-100 мм). Свободное сечение (суммарная площадь всех отверстий или щелей) для прохода газа составляет 1-30%, а площадь, занимаемая переливными устройствами, - около 20% от площади поперечного сечения колонны. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз.

С повышением нагрузок по газу происходит инверсия фаз, при которой в сплошной (газовой) фазе распределена в виде капель и струй дисперсная (жидкая) фаза; такой режим называется струйным. Стремление к созданию тарельчатых аппаратов, функционирующих при повышенных нагрузках по газу [F₀ = 3-5 кг^0,5/(с·м^0,5)], привело к конструкции струйных тарелок. Прямоточный или перекрестно-прямоточный контакт фаз на них осуществляется путем направленного ввода газа при проходе через ситчатое плато, с помощью находящихся на нем чешуек или клапанов, ориентированных в сторону слива, поэтому выходящий из отверстий с высокой скоростью газ дробит жидкость на капли и струи, и газо-жидкостной поток транспортируется над плато тарелок к переливному устройству. Созданы тарелки, плато к-рых выполнено из просечно-вытяжного листа с установкой поперек газо-жидкостного потока отбойников для уменьшения брызгоуноса. Поскольку газо-жидкостной поток существенно неравномерен (волны, раскачка, локальный "провал" жидкости, застойные зоны и байпасные потоки), плато тарелок новых конструкций секционируют. На ней происходит барботаж – процесс прохождения газа через слой жидкости. В результате барботажа образуется динамический двухфазный слой, состоящий из пузырьков газа в жидкости с высокоразвитой поверхностью контакта фаз.

1.2 Обзор по научным публикациям, журналам

В научной публикации "Внедрения в промышленность разработок по регулярным перекрестноточным насадкам", авторами которой являются Марешова Л.А., Богатых К.Ф., Рольник Л.З., Ягафарова Г.Г, научного журнала "Технологии современной промышленности"рассматриваются такие темы, как преимущества насадочных колонн и внедрение их промышленность.

В статье, описаны следующие преимущества:

Перекрестноточные насадочные колонны имеют ряд преимуществ перед противоточными колоннами. В 1992 году была реконструирована первая масляная вакуумная колонна установки АВТ-2 «Орскнефтеоргсинтез» [1]. До реконструкции в колонне были смонтированы колпачковые тарелки, их разделительная способность в укрепляющей части колонны составляла лишь 5,6 теоретических тарелок (т.т) со всеми вытекающими из этого последствиями. В результате реконструкции тарелки были заменены на 20 перекрестнонасадочных блоков, 17 из которых были расположены в укрепляющей части колонны. Разделительная способность укрепляющей части колонны была повышена до 10,8 т.т, что позволило в 1,5-2,0 раза снизить степень налегания смежных масляных дистиллятов и получить более узкие 100-110˚С масляные фракции вместо 140- 150˚С. Отбор масляных дистиллятов был повышен с 18,5 до 22,5% масс. на нефть. В результате промышленного обследования и последующего моделирования работы реконструированной вакуумной колонны установки АВТ-2 удалось также оценить паровые и жидкостные нагрузки и КПД на всех блоках насадки. Тепломассообменные КПД по высоте колонны оказались: 0,9 в конденсационной зоне, 0,94 в секции укрепления вакуумного соляра, 0,65 в секции укрепления веретенного дистиллята, 0,6 в секции укрепления машинного дистиллята и 0,4 в отгонной части колонны. Расход водяного пара был сокращен в два раза, температура нагрева сырья снижена на 10-15˚С. Кроме того, при реконструкции данной колонны группе ученых Уфимского нефтяного института (УНИ) впервые удалось реализовать в промышленности и тем самым доказать возможность многоуровневого отбора масляных дистиллятов в насадочных колоннах. [1, 2].

В статье «Реконструирование колонных аппаратов», автором которой является Александр Сибздун, журнала «Топлиный регион», была рассмотрена проблема стабилизации и разделения бензина. Проблемы стабилизации и разделения бензина на узкие фракции для выработки сырья риформинга всегда актуальны для любого НПЗ. На ОАО «Орскнефтеоргсинтез» эта задача на сегодня частично решена путем успешной реконструкции тарельчатой колонны К-5 на перекрестноточную секционированную насадочную колонну [6]. Впервые в мировой практике нефтепереработки была разработана перекрестноточная насадочная колонна, в которой при повышенных производительностях по сырью реализуется принцип секционирования по жидкости, что позволило ученым решить поставленные задачи. Замена тарелок К-5 на секционированную насадку была произведена в 2000 году.

В настоящее время колонна успешно эксплуатируется на предприятии. В перспективе рассматривается вопрос о реконструкции остальных фракционирующих колонн установки 22-4 [7]. До реконструкции рассматриваемая колонна К-5 была оборудована сорока однопоточными клапанно-прямоточными тарелками, разделительная способность которых по результатам обследования оценена в одиннадцать теоретических тарелок. В результате реконструкции в укрепляющей части колонны смонтировано одиннадцать блоков насадки, а в отгонной – двадцать секционированных по жидкости блоков насадки, снабженных специальными низконапорными распределителями жидкости с высокой производительностью [8]. Промышленное обследование работы колонны К-5 после реконструкции показало, что распределительная способность колонны возросла в 1,5 раза, КПД в укрепляющей части колонны составил 0,65-0,7. Расход водяного пара был сокращен в два раза, температура нагрева сырья снижена на 10-15˚С [9].

1.3 Обзор по научным исследованиям (докторские, кандидатские диссертации)

В диссертации «Перспективная технология получения пропана высокой чистоты», автором которой является кандидат технических наук Васильцов Димьян Алексеевич,была рассмотрена замена S- образной тарелки на перекрестноточную насадку, а также проанализированы достоинства.

На НПЗ, имеющих в своем составе масляные производства, в качестве растворителей применяется пропан высокой концентрации (96% масс. и выше). Такая фракция пропана либо поставляется смежниками, либо организуется ее производство на самих НПЗ из сжиженных газов нефтепереработки. Васильцев Д.А. предложил решить задачу получения пропана высокой чистоты в существующей пропановой колонне. Проанализировав известные и новые технологии с заменой S-образных тарелок на перекрестноточную насадку. Стало очевидно, что наиболее целесообразной и перспективной технологией получения пропана высокой чистоты является технология получения пропана из сжиженных газов НПЗ в сложной ректификационной насадочной колонне с боковым отбором целевой фракции. Предложенная технология была одобрена. Реконструкция была проведена в марте 2002 года. Проведенные в мае того же года гарантийные испытания показали обоснованность принятых решений. Боковым погоном была получена пропановая фракция с содержанием пропана 97,6% масс. и выше. Ее отбор от потенциала составил 80%, вместо 30%, которые получали на данном заводе при двукратном разгазировании дистиллята. Энергозатраты на тонну получаемого пропана снизились с 4500 Мкал до 1000 Мкал. Средний КПД секционированных перекрестноточных насадочных модулей оказался на уровне 0,70-0,77, а производительность колонны при гарантийных испытаниях увеличилась в два раза от 20 до 40 т/ч.

В диссертации «Разработка двутавровой насадки для массообменных процессов в системах газ-жидкость», автором которой является кандидат технических наук Фаткуллин Раиль Наилевич, был проведен анализ современных конструкций массобменных аппаратов и контактных устройств. Были рассмотрены методы интенсификации работы насадочных аппаратов.

Разработана новая конструкция регулярной насадки для массообменных процессов в системах газ-жидкость, с учетом требований для насадочных устройств колонн, работающих в режиме затопления насадки. Конструкция насадки, кроме прочего, позволяет многократно осуществить секционирование объема колонны элементами насадки, образующими продольные ячейки, тем самым обеспечивая снижение продольного перемешивания жидкой фазы, устранить нежелательные явления свойственные насадкам из керамики — крошение насадки, приводящие к снижению пропускной способности колонны и загрязнению абсорбционного раствора.

Эксперименты по определению предельных нагрузок показали, что двутавровая насадка обеспечивает увеличение пропускной способности колонного аппарата в сравнении с кольцами Рашига 25x25x3 (керамика, загрузка внавал) - на 21 %; с Х-образной насадкой — на 19 %. Скорость начала режима подвисания жидкой фазы в двутавровой насадке практически совпадает с регулярной уголковой насадкой. Получены численные значения коэффициентов уравнения Бейна-Хоугена для расчета скорости начала режима подвисания газовой фазы в щелевых зазорах двутавровой насадки, удовлетворительно описывающее экспериментальные данные.

Исследования сравнительной эффективности колонн с двутавровой, уголковой, Х-образной регулярными насадками, насадкой из колец Рашига в идентичных условиях при работе экспериментальной колонны в режиме затопления насадки показали, что разработанная насадка в среднем не менее чем на 19 % эффективнее насадки из колец Рашига, на 10 % эффективнее уголковой насадки и на 12 % эффективнее Х-образной насадки. Кроме того, при реконструкции данной колонны группе ученых впервые удалось реализовать в промышленности и тем самым доказать возможность многоуровневого отбора масляных дистиллятов в насадочных колоннах.

2 Патентный поиск ФОРМА ЗАДАНИЯ НА ПРОВЕДЕНИЕ ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой МАХП Сарилов М. Ю.

« »____________ 20__ г.

ЗАДАНИЕ №__3__

на проведение патентных исследований

Наименование работы (темы) Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых______

колонн______________________________________________________________________________

шифр работы (темы)_____________________КНИРС 3МАб-1________________________________

Этап работы _Курсовое проектирование_, сроки его выполнения_____1.09.2016-28.12.2016_____

Задачи патентных исследований: _поиск патентов-аналогов, для проверки уникальности своего изобретения___________________________________________________________

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Виды патентных исследований	Подразделения-исполнители (соисполнители)	Ответственные исполнители (Ф.И.О.)	Сроки выполнения патентных исследований. Начало. Окончание	Отчётные документы
Патентный поиск на тему: «Сравнительный анализ насадочных и тарельчатых колонн»	www.fips.ru	М. Д. Жмак	1.09.2016-28.12.2016	Заполнение таблицы 3.1. Патентная документация
			28.10.2016-4.11.2016	Заполнение таблицы 3.2 Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государ-ственной регистрации
			6.11.2016-12.11.2016	Заполнение таблицы.3.3 - Тенденции развития объекта исследования

Руководитель ___________ ______________ _______________

патентного подразделения ^{личная подписьрасшифровкадата}

Руководитель подразделения ___________ _______________ _______________

исполнителя работы ^{личная подписьрасшифровкадата}

РЕГЛАМЕНТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА

К заданию №_3_ от _2016_ г.

Студенту__М. Д. Жмак__________

Группы _3МАб-1_ по теме _____Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых___ колонн______________________________________________________________________

Стадия __Курсовое проектирование______________________________________________

(курсовое или дипломное проектирование)

Цель поиска информации: изучение технического уровня и тенденций развития объекта разработки. Обоснование регламента поиска: Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектно-конструкторских работ. Такой же обязательной частью они становятся сегодня при выполнении курсовых и дипломных проектов, так как дипломные работы представляют собой одну из составляющих вышеперечисленных этапов. Предмет поиска представляет собой устройство в целом в соответствии с заданием на дипломное проектирование, классификационные рубрики определены по ключевым словам, характеризующим объект разработки, страны поиска определены в результате проведения предварительного поиска по журналам и являются ведущими в данной отрасли техники, глубина поиска достаточна для определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки, источники информации соответствуют минимуму технической документации, которую необходимо просмотреть с целью определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки.

Руководитель подразделения исполнителя М.Ю. Сарилов

Подпись ____________

Руководитель патентного подразделения Т.И. Башкова

Подпись ___________

ФОРМА ОТЧЕТА О ПОИСКЕ

1. Поиск проведен в соответствии с заданием _зав. Кафедра МАХПСарилова М.Ю.

^{должность и фамилия ответственного руководителя работы}

№ __3__ от ____________ и Регламентом поиска № ___________ от _______________

2. Этап работы ______Курсовое проектирование_________________________________

^{при необходимости}

3. Начало поиска __ 1.09.2016_____ Окончание поиска ________28.12.2016________

4. Сведения о выполнении регламента поиска (указывают степень выполнения регламента поиска, отступления от требований регламента, причины этих отступлений)

5. Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований

6. Материалы, отобранные для последующего анализа:

Таблица 3.1. Патентная документа

Предмет поиска (объект исследования, его составные части)	Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификационный индекс*	Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации*	Название изобретения (полной модели, образца)	Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)
1	2	3	4	5
Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн	Патент РФ 2 526 849 B01J8/02	Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева (RU) 94004636/26, 10.07.1996	Колонный аппарат проведения каталитических и массообменных процессов	Прекратил действие, но может быть восстановлен
	Патент РФ 2 602 863 B01D 3/14 B01J 19/32	Мнушкин Игорь Анатольевич (RU) 2015127880/05, 10.07.2015	Массообменная колонна с перекрестным током жидкой и газовой фаз	Прекратил действие, но может быть восстановлен
	Патент РФ 94 020 354 B01D 3/22	Слободняк И. П. 94020354/26, 31.05.1994	Вакуумная насадочная секционированная колонна	Действует
	Патент РФ 94 020 359 B01D 3/24	Слободняк И. П. 94020359/26, 27.04.1996	Вакуумная решетчатая колонна	Не Действует
	Патент РФ 2 602 113 В01D 3/00	Бахтизин Рамиль Назифович (RU),Криони Николай Константинович (RU),Мингажев Аскар Джамилевич (RU),Кузеев Искандер Рустемович (RU),Баязитов Марат Ихсанович (RU) 22.09.2015	Колпачковая тарелка	Действует
	Патент РФ 2 297 266 B01D 3/22 B01D 47/04 B01D 53/18	Зиберт Генрих Карлович (RU),Салихов Зульфар Салихович (RU),Клюйко Владимир Владимирович (RU) 20.08.2006	Колонный массообменный аппарат	Действует
	Патент РФ 95 101 765 В01D 3/32	Тамбовское акционерное общество открытого типа "Комсомолец" (RU) 95101765/25, 06.02.1995	Ректификационная колонна	Прекратил действие, но может быть восстановлен
	Патент РФ 2 147 454 B01D 11/02 B01D 11/04	Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им.И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН,Соловьев Александр Викторович,Калинников Владимир Трофимович,Захаров Виктор Иванович,Васильева Нина Яковлевна,Алексеев Алексей Иванович 99101564/12, 27.01.1999	Колонный массообменный аппарат	Не действует

Таблица 3.2. Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчёты о научно-исследовательских работах)

Предмет поиска	Наименование источника информации с указанием страницы источника	Автор, фирма (держатель) технической документации	Год, место и орган издания (утверждения, депонирования источника)
1	2	3	4
Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн Сравнительный анализ насадочных от тарельчатых колонн	Нет данных	Российский химико-технологический университет им.Д.И.Менделеева	10.07.1996
	RU 2292947 C1, 10.02.2007. RU 18646 U1, 10.07.2001. RU 2055627 C1, 10.03.1996. EP 0300506 A2, 25.01.1989.	Мнушкин Игорь Анатольевич (RU)	10.07.2015
	Нет данных	Слободяник И.П.	31.05.1994
	Нет данных	Слободяник И.П.	27.04.1996
	RU 2500452 C2, 10.12.2013;RU 14850 (RU), U1, 10.09.2000;SU 1502039 A1, 23.08.1989;RU (RU), 2096060 C1, 20.11.1997;US 4146950 A1, 03.04.1979;US 3693948 A1, 26.09.1972;EP 951344 A1, 27.10.1999.	Бахтизин Рамиль Назифович (RU), Криони Николай Константинович (RU), Мингажев Аскар Джамилевич (RU), Кузеев Искандер Рустемович (RU), Баязитов Марат Ихсанович (RU)	22.09.2015
	RU 2119814 C1, 10.10.1998. US 6293528 B1, 25.09.2001. РАММ В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. И доп. – М.: Химия, 1976, с 31. US 4820456 , 11.04.1989. SU 578091 , 24.10.1977. SU 590002 A, 01.02.1978. SU 1049090 A, 23.10.1983. US 5262094 A, 16.11.1993. SU 899050 A, 23.01.1982. SU 837350 A, 15.06.1981.	Зиберт Генрих Карлович (RU), Салихов Зульфар Салихович (RU), Клюйко Владимир Владимирович (RU)	20.08.2006
	Нет данных	Тамбовское акционерное общество открытого типа "Комсомолец" Артемов Н.С.,Симаненков Э.И.,Артемов В.Н.,Ильин В.П.,Самойлова Л.В.	06.02.1995
	SU 1095925 A, 07.06.1984. SU 697139 A, 18.11.1979. SU 787056 A, 25.12.1980. US 5194152 A, 16.03.1993. JP 55127104 A, 01.10.1980. JP 57135005 A, 20.08.1982.	Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им.И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН,Соловьев Александр Викторович,Калинников Владимир Трофимович,Захаров Виктор Иванович,Васильева Нина Яковлевна,Алексеев Алексей Иванович	27.01.1999

Таблица В.3.3 - Тенденции развития объекта исследования

Выявленные тенденции развития объекта исследования	Источники информации	Технические решения, реализующие тенденции
		в объектах организаций (фирм)	в исследуемом объекте
1	2	3	4
Повышение выхода целевого продукта и конверсии исходных веществ	Патент РФ 94004636	НПЗ, хим. производства	Изобретение относится к области реакционно-массообменных процессов и, в частности к конструкции колонных аппаратов для проведения каталитических реакционно-массообменных процессов. Задачей изобретения является повышение выхода целевого продукта и конверсии исходных веществ в колонне каталитической ректификации. Поставленная задача решается с помощью колонного аппарата для проведения каталитических и массообменных процессов, включающего корпус с чередующимися секциями, снабженными распределительными и оросительными элементами, опорными решетками и колпачковыми тарелками, отличающегося тем, что одни секции колонного аппарата снабжены обечайкой с колпачковой тарелкой, расположенной в верхней части, опорной решеткой в нижней части секции, соединенной с обечайкой, и второй обечайкой меньшего диаметра, расположенной в нижней части секции, соединенной кольцевой горизонтальной перегородкой с корпусом и оросителем жидкости, включающем ситчатую конусообразную перегородку или колпачковую тарелку, и цилиндрический элемент с перфорированной тарелкой в нижней части распределителя, другие секции колонного аппарата снабжены обечайкой, в верхней части которой расположена коническая распределительная решетка или кольцевая горизонтальная тарелка с колпачками, соединенная с корпусом, и заглушенной снизу кольцевой горизонтальной перегородкой, причем внутри обечайки соосно расположены вторая обечайка меньшего диаметра, заглушенная сверху горизонтальной перегородкой и имеющая отверстия в нижней части, и сливная труба, связанная с оросителем жидкости, причем над заглушивающей горизонтальной перегородкой расположена опорная решетка, третья и четвертая секции колонного аппарата снабжены опорной решеткой, связанной с корпусом аппарата.
Повышение эффектиности разделения смесей жидкость-газ	Патент РФ 2 602 863	НПЗ	Изобретение относится к перекрестноточным насадочным массообменным колонным аппаратам, в которых осуществляются процессы ректификационного разделения смесей жидкость-газ (пар), перегонки смесей жидкость-газ (пар), абсорбционного разделения смесей жидкость-газ, оно может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пищевой и других отраслях промышленности.
Повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью	Патент РФ 94020354	НПЗ, хим. производства	Цель изобретения - повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет увеличения межфазной поверхности массообмена в свободном объеме насадки и обеспечения структуры потока жидкости, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости в радиальном направлении при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки в секции. Цель достигается тем, что вакуумная насадочная секционированная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого по высоте поочередно установлены центробежные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса колонны, и центростремительные секционирующие перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных основаниями вверх, плотно примыкающим к внутренним стенкам корпуса колонны с углом наклона образующих больше в два раза.
Повышение эффективности массообмена	Патент РФ 94020359	НПЗ	Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн для взаимодействия систем газ (пар)-жидкость в условиях проведения процессов абсорбции, ректификации, промывки газов и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и смежных с ними отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет уменьшения продольного перемешивания жидкости на тарелке и увеличения времени пребывания жидкости на тарелке в контакте с газом (паром).
Повышение качества процесса ректификации	Патент РФ 2 602 113	НПЗ, хим. производства	Изобретение относится к конструкциям массообменных тарелок для систем газ (пар) - жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической и других смежных отраслях промышленности. Недостаткомтакого контактного устройства тарелки является незначительная поверхность межфазового контакта, низкая эффективность тепломассообмена. Наиболее близкимтехническимрешением, выбраннымв качестве прототипа, является колпачковая тарелка, состоящая из основания в форме диска, барботажных колпачков, выполненных в виде цилиндрических или конических стаканов с прорезями в их нижней части, переливных труб и гидрозатвора, невысокая эффективность массообменого процесса из-за недостаточно интенсивного взаимодействия газа (пара) и жидкости, поскольку конструкция колпачкого элемента не позволяет в достаточной степени увеличить длину пути смеси и развить поверхность фазового контакта.
Повышение производительности массообменных аппаратов	Патент РФ 2 297 266	НПЗ	Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и может найти применение в газовой, нефтяной, химической и смежных отраслях промышленности при осуществелении массообменных процессов для систем газ-жидкость, например, при низкотемпературной абсорбции жидких углеводородов из природного газа. Недостатком этих устройств является снижение свобдной площади-живого сечения контактных тарелок, что ведет к повышению гидравлического сопротивления колонного аппарата и снижает его производительность.
Улучшение разделительной способности массообменных аппаратов	Патент РФ 95 101 765	НПЗ	Изобретение относится к тепломассообменным аппаратам, в которых пар барботируют через слой жидкости, например, к кубовым ректификационным установкам периодического действия и может применяться на заводах малой производительности ликеро-водочной и спиртовой промышленности, а также химической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, где применяется процесс ректификации.

К достоинствам этих патентов можно отнести: повышение выхода целевого продукта и конверсии исходных веществ в колонне каталитической ректификации,

Технические результаты изобретений:

1. устранение недостатков известных технических решений;

2. снижение капитальных затрат на оборудование;

3. решается проблема подвода и отвода тепла в ходе реакции, т.к. в случае совмещенного процесса избыток тепла реакции расходуется на испарение дополнительного количества пара, а недостаток тепла покрывается за счет конденсации части потока пара;

4. решается проблема подвода и отвода тепла в ходе реакции, т.к. в случае совмещенного процесса избыток тепла реакции расходуется на испарение дополнительного количества пара, а недостаток тепла покрывается за счет конденсации части потока пара;

5. обеспечение экологической безопасности;

6. снижение энергозатрат.

К недостаткам можно отнести низкую эффективность работы насадочных устройств в узком диапазоне устойчивой работы в связи с необходимостью их работы лишь в условиях, близких к захлебыванию, следовательно, при изменении режима работы колонны по расходам пара и жидкости, отклоняющимся от условий эмульгирования и захлебывания, использование данной колонны не имеет смысла.

3 Сравнительный анализ насадочных колонн с тарельчатыми

3.1 Общие сведения тарельчатых и насадочных колонн

Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки. Тарелки – это барботажное устройство, в котором при работе происходит массообменный процесс, т.е. переход компонента из одной фазы в другую в результате непосредственного контакта между рабочими средами. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности применяют тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 ÷ 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5 ÷ 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Обычно расстояния между тарелками принимают 250 ÷ 300 мм. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок в колоннах большого диаметра расстояние между ними увеличивают до 500 ÷ 600 мм. Общий вид тарельчатой ректификационной колонны представлен на рисунке. Она состоит из корпуса, переливных патрубков, коль­цевой опоры, опорных колец, тарелок и выносного кипятильника и имеет ряд штуцеров для подачи продуктов и установки приборов. Тарелки состоят из приемного кармана для жидкости, рабочей части тарелки и переливной планки . Приемный карман – это область тарелки, на которую поступает жидкость. Он обеспечивает гидравлический затвор, препятствующий проходу газа через переливной канал, и равномерное распределение жидкости по тарелке. По приемному карману жидкость (L) с тарелки n + 1 перетекает на тарелку n и равномерно растекается по рабочей части . На ней происходит барботаж – процесс прохождения газа через слой жидкости. В результате барботажа образуется динамический двухфазный слой, состоящий из пузырьков газа в жидкости с высокоразвитой поверхностью контакта фаз (300–1500 м 2 /м3 объема барботажного слоя) и весьма высокими коэффициентами массоотдачи.

Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции, очистки, охлаждения и увлажнения газов, иногда ректификации. Различают 2 основных режима работы насадочных аппаратов: пленочный, при котором жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки, эмульгационный, когда весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами насадки барботирует газ. Контакт газа и жидкости в насадочной колонне, во время которого происходит обмен веществом и теплом между фазами, происходит, в основном, на смоченной поверхности насадки. Поверхность контакта фаз в насадочной колонне, через которую осуществляется массопередача, называют «активной поверхностью насадки». Она может быть как меньше, так и больше геометрической поверхности насадки, и величина ее зависит от расходов газа и жидкости. При малом расходе жидкости ее может не хватить для смачивания всей поверхности насадки, поэтому расход жидкости («величина орошения») должен обеспечивать полную смачиваемость всей поверхности насадки. При небольших расходах газа и жидкости трение между ними незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. Контакт газа и жидкости происходит только на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке. Это, так называемый, пленочный режим. С увеличением скорости газа возрастает трение между газом и жидкостью и, вследствие этого, происходит торможение жидкости: скорость стекания уменьшается, а толщина пленки жидкости увеличивается. Возрастание количества жидкости в слое насадки ведет к уменьшению 163 сечения для прохода газа, срыву пленки жидкости и возникновению явления барботажа. Это приводит к увеличению поверхности контакта фаз, которая становится больше геометрической поверхности насадки. Такой режим работы называют режимом подвисания. Колонны с такими характеристиками позволяют решать вопросы углубления переработки нефти и нефтепродуктов, энергосбережения и повышения гибкости как существующих, так и проектируемых технологий. Насадочные колонны делятся на противоточные и перекрестноточные. Перекрестноточные насадочные колонны имеют ряд преимуществ перед противоточными колоннами. Перекрестноточная насадочная конструкция распределителя жидкости позволяет в зависимости от реального расхода жидкой фазы (флегмы) вводить в технологический процесс весь объем перекрестноточной насадки насадочной секции или необходимую часть ее объема, в том числе при изменении расхода флегмы по высоте колонны включать в массообменный процесс необходимую часть объема перекрестноточной насадки каждой насадочной секции. Это позволяет расширить диапазон устойчивой работы колонны при ее эксплуатации в пределах от гипотетически минимального до гипотетически максимального расхода флегмы за счет того, что по мере возрастания расхода флегмы происходит эквивалентное заполнение ступенчатого распределителя жидкости от нижней ступени к верхней и ввод в массообменный процесс новых слоев массообменной перекрестноточной насадки от зоны выхода газовой фазы из насадочной секции при минимальном расходе флегмы из нижней ступени распределителя жидкости до зоны входа газовой фазы в насадочную секцию при максимальном расходе флегмы из всех ступеней распределителя жидкости. Эффективность насадочной колонны зависит от различных факторов: от расходных параметров, физических свойств пара и жидкости и от типа насадки. Кроме того, на эффективность колонны сильное влияние оказывает неравномерность распределения потоков по сечению колонны, которая приводит к избирательному движению пара и жидкости.Эффективность насадочных колонн в значительной степени определяется организацией равномерного орошения насадки жидкостью по всему сечению вакуумной колонны. Это достигается разработкой специальных оросительных коллекторов подачи жидкости, установкой промежуточных между насадочными секциями усреднительных перегородок, усреднительных тарелок. Насадки лучше всего работают в тех местах, в которых практически исключается отложение на их поверхности каких-либо осадков - засмоление, закоксовывание.

3.2 Сравнение

Основным различием насадочных и тарельчатых аппаратов является то что тарельчатые колонны предпочитаются при выпадении твердого осадка, который нужно периодически удалять из колонны. В этих случаях колонна снабжается люками и гарелки располагаются на таком расстоянии, чтобы было легко производить чистку. Общий вес тарельчатой колонны обычно меньше, чем вес насадочной при одинаковой производительности: из-за ограниченной прочности насадки иногда невозможно обойтись только одной колосниковой решеткой, выдерживающей вес всей насадки в высокой колонне. Тарельчатые колонны более пригодны для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры относительно окружающей среды, так как периодическое расширение и сжатие корпуса колонны при таких условиях может разрушить насадку. На тарелках легко установить змеевики, что делает тарельчатые колонны более желательными, когда требуется отводить тепло растворения. Тарельчатые колонны предпочитаются, когда для осуществления процесса требуется большее число единиц переноса или теоретических тарелок, тяк как в насадочных колоннах течение газа и жидкости может сопровождаться каналообразованием, что ограничивает скорость массопередачи. В тарельчатых колоннах обычно может поддерживаться более высокая скорость жидкости, если длина пути жидкости по тарелке не превышает 1 м.

Достоинства тарельчатых колонн

• широкий рабочий диапазон нагрузок по жидкой и паровой фазам;

• значительная поверхность контакта фаз;

• эффективная гидродинамическая обстановка на ступенях контакта;

• сравнительно невысокий перепад давления на одной тарелке;

• низкая удельная стоимость единицы объема аппарата.

Насадочные колонны преимущественно используются при работе под вакуумом, так как гидравлическое сопротивление насадочной колонны может быть меньше, чем тарельчатой. Насадочные колонны предпочтительнее для пенящихся жидкостей. Задержка жидкости, как правило, меньше в насадочной колонне. Для коррозионных сред предпочтительны насадочные колонны, обычно более простые и дешевые. При прочих равных условиях насадочные колонны имеют преимущество перед тарельчатыми, если диаметр колонны менее 0,6 м.

К достоинствам насадочных колонн относят:

• Независимость проходных сечений для жидкой и газовой фаз, что позволяет разрабатывать колонные аппараты с оптимальными гидродинамическими режимами для каждой из взаимодействующих фаз, кроме того, эти аппараты характеризуются низким гидравлическим сопротивлением.

• Насадочная колонна обеспечивает меньший перепад давления по высоте аппарата.

• Более широкий диапазон устойчивой работы.

• Более высокий КПД.

• Соответственно более высокую разделительную способность.

Заключение

Для проведения процессов массопереноса между газом (паром) и жидкостью (соответственно при абсорбции и ректификации) используют колонные массообменные аппараты. Наиболее распространены насадочные и тарельчатые колонны, причем каждый тип имеет свою область применения. Так, насадочные колонны применяют, если требуется невысокое гидравлическое сопротивление по газовому потоку. Когда этот фактор не имеет существенного значения (ректификация при атмосферном и повышенном давлении), используют тарельчатые колонны. В тарельчатых абсорбционных и ректификационных колоннах процесс массообмена между газовой (паровой) и жидкой фазами происходит на тарелках, которые разделяются на беспереливные, лишенные специальных переливных устройств для жидкости, где газ и жидкость проходят через отверстия в тарелке, и на тарелки с организованным 148 переливом. Последние обладают широким диапазоном устойчивой работы и поэтому получили большое распространение.

Список использованных источников.

1. Богатых К.Ф., Езунов И.С., Чуракова С.К., Романов В.П., Кузьмин В.Н. // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. - №9. – С. 10-13.

2. Соколовский А.В., Богатых К.Ф., Чуракова С.К. // Нефтедобыча, нефтепереработка, нефтехимия и катализ: Материалы I Съезда химиков, нефтехимиков, нефтепереработчиков и работников промышленности строительных материалов Республики Башкортостан. – Уфа, 1992. – С. 67-71.

3. Чуракова С.К., Езунов И.С., Богатых К.Ф., Боков А.Б. // Нефть и газ. Межвузовский сб. научн. статей. – Уфа.: УГНТУ, 1997. – Вып. 2. – С. 53-57.

4. Чуракова С.К., Богатых К.Ф., Боков А.Б., Нестеров И.Д., Жулин В.А. // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2000. - №11. – С. 5-10.

5. Боков А.Б., Пилюгин В.В., Богатых К.Ф., Костюченко В.П. // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2000. - №11. – С. 10- 17.

6. Боков А.Б., Романов В.П., Кузьмин В.Н., Богатых К.Ф., Чуракова С.К. // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. - №9. – С. 5-9. Нефтегазовое дело, 2007 http://www.ogbus.ru 10

7. Боков А.Б., Романов В.П., Кузьмин В.Н., Богатых К.Ф., Чуракова С.К. // Нефть и газ. Межвузовский сб. научн. статей. – Уфа.: УГНТУ, 1997. – Вып. 2. – С. 16-20.

8. Езунов И.С., Чуракова С.К., Астахов А.Н., Периков Е.А., Богатых К.Ф. // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. - №9. – С. 16-20.

9. Чуракова С.К., Костюченко В.П., Богатых К.Ф., Нестеров И.Д., Боков А.Б. // Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения): Материалы II Международной научн. конф. – Уфа, 2001. – С. 8-17.

10. Пилюгин В.В., Богатых К.Ф. // Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения): Материалы II Международной научн. конф. – Уфа, 2001. С.83-84. 11. Астахов А.А., Богатых К.Ф., Нестеров И.Д., Чуракова С.К., Боков А.Б. // Нефть и газ Украины. Сб. научн. работ.: Материалы VI Международной научно- практ. конф. «Нефть и газ Украины» - 2000: - Ивано-Франковск, том 3, 2000. – С. 135-136.

12. Чуракова С.К., Костюченко В.П., Нестеров И.Д., Боков А.Б. // VI Международная конф. по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия – 2002». – Нижнекамск, 2002. – С. 62-64.

13. Боков В.П., Богатых К.Ф., Чуракова С.К., Нестеров И.Д. Промышленная реализация сложной ректификационной колонны с перекрестноточной насадкой в процессе газоразделения // Сборник научных трудов №6 «Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов», - Нижнекамск, - 2004, с.24-33.

14. Костюченко В.П. Результаты реконструкции колонны стабилизации гидроочищенного бензина на установке каталитического риформинга // Современное состояние процессов переработки нефти: материалы научно- практической конференции - Уфа: ГУП ИНХП,2004.-с.148-149.

15. Богатых К.Ф., Чуракова С.К., Костюченко В.П. Конструктивно- технологический подход к выбору контактных устройств для реализации ресурсо-энергосберегающих технологий // Актуальные проблемы технических, Нефтегазовое дело, 2007 http://www.ogbus.ru 11 естественных и гуманитарных наук: материалы Международной научно- технической конференции.- Уфа: УГНТУ, 2005.-с.65-68.

16. Нестеров И.Д., Богатых К.Ф. Перекрестноточный каплеуловитель для колонны щелочной очистки пирогаза // Сборник материалов VII Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия - 2005», - Нижнекамск, 2005.- с. 162.

17. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. — 2-е изд. перераб.. — Москва: Химия, 1971. — 296 с.

18. Чурикова Л. А., Конашева Е. А., Утегалиев А. Т. Обзор современных колонных аппаратов [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы V междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2016 г.). — М.: Буки-Веди, 2016. — С. 71-75.

19. Лерке, Г. Э. Исследование и разработка системы размыва и предотвращения накопления парафинистого осадка в нефтяных резервуарах большой емкости: автореф. дис. канд. техн. наук. — Уфа: ВНИИСПТнефть, 1981.-25 с.

20. Совершенствование систем массо-теплообменных процессов большой производительности / В. Н. Александров, В. А. Галканов, Б. Н. Мастобаев [и др.] // Нефтяное хозяйство. 2001. — № 2. -С. 70–72.

Код для цитирования: Скопировать