1. APARATE TIP COLOANA IN INDUSTRIA CHIMICA

1.1 Caracterizarea aparatelor tip coloan

1.1.1 Definire i elemente componente

Aparatele de tip coloan sunt recipiente cilindrice cu diametru mic comparativ cu nlimea.

Considerarea unui utilaj ca aparat tip coloan, din punct de vedere mecanic, depinde de svelteea sa caracterizat de nlimea relativ

echi

tH D

Hi = (1.1)

n care: - nlimea total a utilajului msurat de la sol, iar DtH iech.- diametrul interior echivalent al coloanei. Independent de tipul procesului fizic sau fizico - chimic care are loc, un utilaj de tip recipient se ncadreaz n grupa aparatelor tip coloan dac

5.>echit DH i mHt 10< , sau pentru orice raport dac . .,/ echit DH mHt 10> Aparatele de tip coloan au ca scop realizarea unui anumit proces fizic sau fizico-chimic, caracterizat prin parametri de regim determinai. Se ntlnesc coloane care lucreaz sub vid, la presiune atmosferic sau supra atmosferic (1-50 at.) i la temperaturi de 500 600 o C (coloane de funcionare n instalaiile de cracare, reactoare i generatoare pentru reacii catalitice, etc.) In industria chimic, n majoritatea cazurilor n aparatele de tip coloan au loc procese de transfer de substan (absorbie, desorbie, chemosorbie, rectificare, extracie, adsorbie), motiv pentru care ideea de aparat tip coloan este asociat cu transferul de substan sau de mas. n cazul proceselor de transfer de substan este necesar un contact intim ntre dou faze : gaz lichid, lichid lichid; solid gaz. Spre a asigura timpul de contact necesar realizrii procesului dorit, coloana trebuie s aib o anumit nlime, care este un multiplu al diametrului. In majoritatea coloanelor pentru procese de transfer de substan sau de mas, lichidul curge de sus n jos, sub aciunea gravitaiei , iar gazul sau vaporii de jos n sus, sub aciunea presiunii. Interioarele coloanelor au drept scop crearea i mrirea la maxim a suprafeei de contact ntre faze. In acest scop se umple coloana cu corpuri de umplere, peste care curge lichidul supus prelucrrii sau se pulverizeaz lichidul (coloane cu umplutur). In alte cazuri se compartimenteaza coloana pe nlime, cu ajutorul unor talere, pe care are loc fie barbotarea gazului prin lichid (coloane cu funcionare n regim de barbotare), fie pulverizarea lichidului de ctre gaz (coloane cu functionare n regim de picturi sau de pulverizare). In coloanele cu umplutur sau cu pulverizare, concentraia celor dou faze variaz continuu pe nlime. In coloanele cu talere variaia fazelor se face n trepte ale caror numar este egal cu cel al talerelor. Exist i coloane mixte, cu

1

TEOHighlight

TEOHighlight

TEOHighlight

TEOHighlight

TEOHighlight

TEOHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

umplutur i cu talere, de exemplu n industria sodei caustice pentru recuperarea CO2 i NH3. In figura 1.1 sunt prezentate principial cele dou tipuri de coloane: cu umplutur (fig. 1.1a) i cu talere (fig. 1.1b).

In interiorul coloanei cu umplutur se afl un numr de grtare pe care se aeaz cte un strat de corpuri de umplere. Lichidul L trece prin aceste straturi, curgnd desus in jos i iese cu compozitia L1. Gazul G sau vaporii V trec de jos n sus prin stratul de umplutura i ies cu compoziia G1.

Coloanele cu talere sunt prevzute n interior cu talere situate la o anumit distan H, ntre ele (fig. 1b). Lichidul trece de sus n jos de la un taler la altul, iar gazul de jos n sus , pe taler schimbndu-se att compoziia lichidului ct si a gazului. Construcia interiorului coloanei urmrete mrirea la maxim a suprafetei de contact dintre faze. Umplutura i

talerele au acest rol. Lichidul i vaporii (gazele) circul n general n contracurent. Ideea dispunerii pe vertical, n coloan a elementelor componente ale instalaiilor a fost aplicat i n domeniul proceselor de transfer de cldur (coloane de evaporare).

De exemplu coloana din fig. 1.2 poate fi utilizat pentru operaii de transfer de substan sau de cldur ntre un material solid adus pe talerul superior al coloanei i o faz gazoas sau de vapori care intr pe la partea inferioar a coloanei, prin racordul 6. Faza solid este alimentat, dozat, pe talerul superior prin intermediul alimentatorului compus din sistemul de antrenare 9, gura de alimentare 10, i transportorul melcat 11. Talerele 4, fixate de peretele coloanei sunt prevzute cu deschiderile 5 prin care faza solid trece de pe un taler pe altul, iar faza gazoas dintr-un compartiment inferior n unul superior. Deplasarea solidului pe taler se realizeaz cu ajutorul paletelor racloare 3, prinse pe arborele 2, antrenat n micare

e rotaie de grupul motor reductor 1. Evacuarea fazei solide are loc n jgheabul 7, d

iar a fazei gazoase prin racordul 12. Prin dispunerea deschiderilor 5, a dou talere alturate la 180o, timpul de contact gaz solid pe fiecare taler este egal cu 1/n, n care n este turaia arborelui 2.

2

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Construciile de aparate de mare capacitate, prevzute cu dispozitive de amestecare, ce se caracterizeaz prin raport H/Di mare se ncadreaz n categoria aparatelor tip coloan. Aparatul din figura 1.3 cu o capacitate de 80 m3 i avnd un debit de 190 m3/min, poate fi considerat ca un aparat tip coloan, dei servete numai operaiilor de amestecare i transfer de cldur. Intensitatea acestor operaii este asigurat de cinci amestectoare 4, prinse pe arborele 3, antrenat n micare de rotaie de motorul electric 8. Datorit nlimii aparatului, arborele este construit din dou pri i asamblat cu ajutorul unui cuplaj rigid 5.

In general aparatul tip coloan este cilindric cu acelai diametru interior, sau diametre diferite pe nlime (fig. 1.4). Un aparat ip coloan este construit din

t3

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserSticky NoteACESTE DESENE NU SUNT NECESARE

urmtoarele pri principale: corpul coloanei, inclusiv sistemul de rezemare, amenajrile interioare (interioarele); amenajrile exterioare (exterioarele).

Amenajrile sau echipamentele interioare favorizeaz transferul de substan, iar amenajrile exterioare permit realizarea operaiilor de ntreinere curent, montarea sau demontarea interioarelor coloanelor.

Amenajrile interioare pot fi: talere, corpuri de umplere, serpentine, iar cele exterioare : scri, platforme, dispozitive de ridicare. Corpul coloanei (aparat tip recipient) se realizeaz prin sudare din virole (cilindrice sau cilindrice i tronconice) sau se asambleaz din virole (sudate sau turnate) prevzute cu flane. Coloana se rezeam pe o virol suport (coloan autoportant), pe suporturi laterale sau este rezemat la diverse niveluri. Corpul coloanei se realizeaz din materiale corespunztoare condiiilor de lucru, innd seama i de tehnologia de fabricare posibil a fi aplicat.

Grosimea peretelui coloanei n anumite condiii de funcionare (presiuni i temperaturi mari) poate ajunge pn la 120 mm. In funcie de diametrul i nlimea coloanei precum i n funcie de valoarea parametrilor de regim grosimea pereilor poate avea valori ce variaz ntre 4 i 120 mm.

Interioarele coloanei au drept scop realizarea procesului fizic sau fizico-chimic propus. Ele depind de tipul procesului fizic sau fizico- chimic care are loc n utilaj si trebuie s satisfac, prin form i dimensiuni condiiile pentru realizarea funcionrii optime. Alegerea tipului de amenajri interioare se face n functie de asigurarea unui debit de lichid (L), corespunztor unei densitti de stropire mai mare dect o valoare minim de 10-12 m3/m2 h. Exterioarele coloanei au drept scop deservirea elementelor funcionale ale coloanei (armturi), accesul la gurile de vizitare i control, etc. Acestea sunt constituite din: scri, platforme, dispozitive de ridicat, etc. Aparatele tip coloan pot atinge nlimi de peste 100 m i diametrul de peste 15 m. Aparatele tip coloan se monteaz n instalaii fie independent (fig. 1.1), fie n grup (fig. 1.5). In acest din urm caz coloanele pot avea fundaii independente sau comune. De asemenea platformele de deservire pot fi comune, de exemplu poz. 4 (fig. 1.5) sau individuale 5, 6, 7. (fig. 1.5). La coloanele montate n grup, care

4

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

necesit deservire la multe niveluri, n locul platformelor prinse la corpul coloanei, se utilizeaz o construcie metalic independent (ca o schel) care cuprinde toate coloanele, pe laturi i pe nlime. Pe partea exterioar coloana este prevzut cu inele i cleme pentru fixarea izolaiei termice i ignifuge.

1.1.2 Tipuri de aparate tip coloan. Domenii de utilizare.

In funcie de variantele constructive ale amenajrilor interioare se deosebesc

urmatoarele tipuri de aparate tip coloan. Coloane cu umplutur. Acestea se utilizeaz ndeosebi la prelucrarea

substanelor agresive sau de mare vscozitate, cnd sunt necesare cderi mici de presiune sau cnd cantitatea de lichid din coloan este mic. Coloanele cu umplutur se utilizeaz de exemplu la operaii de distilare fracionat n vid (cdere mic de presiune), sau n operaii de fracionare discontinu, n instalaiile pilot i semiindustriale i n lucrri de cercetare n laborator. Noile tipuri de umplutur de mare eficacitate, permit separarea n coloanele cu umplutur, a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate. Unele coloane cu umplutur, n care lichidul este pulverizat servesc la curirea, rcirea sau umezirea gazelor. Coloane cu talere. Sunt utilizate n industria chimic pentru distilri i rectificri, pentru absorbie, extracie, desorbie, reacii chimice n sistem eterogen, gaz - lichid i lichid-lichid, etc. Transferul de substan la aceste coloane are loc n zona de spumare ce se obine ca urmare a barbotrii vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler. Dispersarea fazelor de pe taler este uniform. Fa de coloanele cu umplutur, coloanele cu talere au urmtoarele dezavantaje: cderi de presiune mai mari, construcie mai complicat, pre de cost mai mare i ntreinere mai pretenioas. Coloane cu rafturi i cu icane. Coloanele cu rafturi n cascad se utilizeaz n general la rcirea i umezirea gazelor, sau la absorbia gazelor care se dizolv uor n lichide. Ele sunt mai economice dect coloanele cu umplutur d. p. d. v. al consumului de ap, au ns gabarite mai mari dect coloanele cu umplutur.

5

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Coloane cu sisteme de injectare a vaporilor prin lichid. Mrirea debitelor coloanelor de rectificare i de absorbie se poate face pe dou cai: prin mrirea diametrului coloanei sau prin utilizarea unor amenajri interioare care s permit mrirea vitezei vaporilor i a debitului de lichid. Sistemele de injectare a vaporilor n vederea intensificrii transferului de mas, permit mrirea debitului i realizarea unor construcii compacte. Coloane cu elemente tubulare. Se utilizeaz numai pentru operaii de transfer de mas nsoite sau nu de transfer de cldur.

Coloane cu elemente rotative. Unele aparate tip coloan sunt prevzute cu elemente rotative: arbori cu amestectoare sau cu discuri. La operaiile de extracie lichid - lichid continue, intensificarea transferului de mas se poate obine prin turbulena care rezult din amestecarea sau agitarea lichidelor.

1. 1. 3. Utilizarea aparatelor tip coloan n industria alimentar Aparatele tip coloan sunt ntlnite n industria alimentar, n liniile tehnologice de fabricaie a unor produse cu puritate sau concentraie ridicat, procesul de lucru avnd la baz operaia de distilare.

Prin distilare se separ prin vaporizare, urmat de condensarea vaporilor rezultai, diferite substane din amestecurile omogene formate din dou sau mai multe componente ale cror temperaturi de fierbere sunt diferite la aceiai presiune. Dac la aceiai presiune, ntre temperaturile de fierbere ale componentelor este o diferent foarte mic, atunci nu este suficient o singur operaie de distilare. Operaia se va repeta pn la separarea complet a componentelor i n acest caz se numete rafinare sau rectificare. Distilarea se realizeaz prin mai multe metode urmrindu-se fie obinerea unui distilat ct mai bun (de exemplu n industria spirtului), fie a unui concentrat ct mai pur (de exemplu n industria uleiului i a concentratelor de fructe). De obicei nu se poate obine un component n stare pur printr-o singur distilare. n acest caz se aplic metode de rectificare care sunt utilizate, fie la concentrarea alcoolului, fie la recuperarea aromelor volatile din sucurile de fructe, care au fost supuse n prealabil unui tratament termic. In industria alimentar distilarea i rectificarea se aplic la obinerea alcoolului rafinat din produse amidonoase, la rafinarea uleiului, la obinerea distilatelor de vin, la recuperarea aromelor din sucurile de fructe supuse concentrrii prin evaporare, etc. Se cunosc urmtoarele metode de distilare: simpl, fracionat, integral i rectificarea (rafinarea)

1.1.3.1. Distilarea simpl

Aceast metod se utilizeaz pentru a separa un component uor volatil (alcool) dintr-un amestec care pe lng ap conine i substane volatile. Distilarea simpl se realizeaz printr-o evaporare lent a soluiei, care fierbe n blaza de distilare, cu evacuarea continu a vaporilor formai n instalaie i

6

UserTypewritten Text

UserTypewritten Text

UserTypewritten Text

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten Text

UserTypewritten Text

UserTypewritten TextVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV

UserTypewritten Text

UserTypewritten Text

UserTypewritten Text

PowerUserHighlight

3 Coloane cu talere

Coloanele cu talere sunt utilizate n industria chimic pentru distilri i rectificri, pentru absorbie, extracie, reacii chimice in sistem eterogen: gaz lichid, lichid-lichid etc. Transferul de substan la aceste coloane are loc n zona de spumare sau pulverizare ce se obine ca urmare a barbotrii vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler. Dispersarea fazelor pe taler este uniform. Tendinta spre instalaii mari i necesitatea reducerii costului acestora a impus orientarea spre coloane cu talere cu diametre mari (uneori 12-15m). Necesitatea obinerii unor produse de mare puritate a determinat cresterea numrului de talere necesare unei separri naintate. S-a ajuns n unele situaii la diametre de 7- 9 m, nlimi de 100 m, iar numrul talerelor 170 200.

nu Li(fi ef

co

3.1 Circulaia lichidului i a vaporilor n coloan. La coloanele cu talere spaiul din interiorul coloanei este mprit ntr-un

mr de compartimente egal cu ( )1+n , n care n reprezint numrul talerelor. Prin stratul de lichid de pe fiecare taler barboteaz gazul sau vaporii.

chidul i vaporii pot circula pe taler n contracurent (fig. 3.1a), n echicurent g. 3.1b) i n curent ncruciat sau mixt ( fig. 3.1c ).

Pe ansamblul coloanei ns, lichidul circul de la vrf spre baz, sub ectul gravitaiei, iar vaporii n sens invers sub efectul presiunii.

Circulaia lichidului i a vaporilor n coloan depinde de soluia nstructiv adoptat pentru elementele talerului. Astfel circulaia n

27

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

contracurent este posibil numai n aparatele cu talere fr deversoare (fig. 3.2a). In coloanele cu talere cu deversoare se realizeaz un curent ncruciat (fig. 3.2c). Circulaia n echicurent a fazelor se ntlnete la coloanele cu talere cu icane (fig. 3.2b).

3.2 Clasificarea coloanelor cu talere

Coloanele cu talere se submpart n dou categorii: - Coloane cu deversoare interioare ( fig.3.2a) sau exterioare ( fig.3.3) - Coloane fr deversoare ( fig.3.2b)

La coloanele cu deversoare, scurgerea lichidului de la un taler la cellalt se face prin deversor ( fig. 3.2a, fig. 3.3), pe cnd la cele fr deversoare scurgerea lichidului se face prin aceleai deschideri prin care circula vaporii ( fig. 3.2 b ). Coloanele cu deversoare se deosebesc dup forma constructiv a talerului, care poate fi: - taler cu clopote (fig. 3.4) - taler cu supape ( fig.3.5) - taler cu elemente n form de S ( fig. 74 a JC )

- taler sita (fig.3.2, fig.3.3)

- taler cu plci, etc. Coloanele fr deversoare se construiesc cu:

28

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Fig. 3.4 Taler cu clopote 1-taler, 2- deversor

- talere plate cu perforaii circulare (fig. 3.2b) sau longitudinale (fig. 3.7) - talere ondulate perforate (fig. 3.8) - talere asemenea grtarelor prin asamblare din bare, benzi sau evi. Talerele executate din evi pot fi folosite

pentru efectuarea simultan a proceselor de transfer de cldur i substan.

29

PowerUserHighlight

3.3 Circulaia lichidului pe taler

In cazul talerelor cu deversoare, pe fiecare taler se afl unul sau mai multe deversoare, prin care se scurge pe talerul inferior, lichidul obinut prin condensarea fraciunilor grele, n momentul n care depete nivelul superior al deversorului. Deversoarele se monteaz alternnd, astfel nct lichidul care vine de pe un taler superior s se poat amesteca cu cel de pe talerul inferior.

In coloana din figura 3.9 lichidul curge de pe talerul superior prin tubul deversor, parcurge suprafaa talerului, trece peste un prag deversor 5, care fixeaz nivelul lichidului pe taler i curge prin spaiul dintre coloan i placa 4, pe talerul inferior. Tubul deversor se afund n lichidul de pe talerul inferior formnd mpreun cu placa de preaplin 6, o nchidere hidraulic, care mpiedic trecerea vaporilor prin zona deversorului, de la talerul inferior la cel superior. Eficacitatea talerului este influenat de circulaia lichidului pe taler. La coloanele cu diametru mare i debite mari de lichid, stratul de lichid care curge pe taler nu este orizontal, avnd o grosime mai mare la intrarea pe taler, i mai mic n dreptul pragului de deversare. Se va avea n vedere c debitul de vapori este mai mare n zona n care rezistena este mai mic. Pentru a micora

30

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

diferena de nivel ( fig.3.9) se utilizeaz un deversor central pe un taler i dou deversoare laterale pe talerul urmtor (fig.3.10). Se obine astfel un taler cu dou circuite de lichid. In cazul coloanei cu deversor central tubular pe un taler i cu patru ase sau mai multe deversoare tubulare laterale, lichidul curge radial, lungimea drumului parcurs pe taler fiind aproape ct raza coloanei.

Pentru a mri eficacitatea talerelor se utilizeaz diferite scheme de curgere a lichidului pe taler .

La coloanele cu talere cu un singur curent de lichid ( fig.3.9) deoarece drumul parcurs de lichid este lung, concentraia lichidului variaz n direcia curentului. Din acest motiv, la coloanele cu diametru mare s-a renunat la circulaia lichidului cu sensuri contrare de curgere pe dou talere succesive (fig. 3.9) i s-a adoptat schema de curgere cu un singur sens a curentului de lichid (fig. 3.11a ).

Spre a mri lungimea drumului parcurs de lichidul de pe taler, se utilizeaz talerul cu curent inelar ( fig. 3.11 b ). Zona mijlocie a acestor talere nu particip la procesul de transfer de substan, ceea ce micoreaz suprafaa activ a talerului, dar crete randamentul acestuia. Talerele cu curent inelar de lichid se utilizeaz n cazul amestecurilor greu separabile. Exceptnd cazurile prezentate n fig. 3.11, n general lichidul circul n contracurent, pe dou talere succesive. In figura 3.12, sunt prezentate schematic dou talere succesive

(cu patru treceri) dintr-o coloan. Dou asemenea talere de construcie identic se monteaz rotite cu 180o unul n raport cu cellalt. Eficacitatea coloanei depinde de montarea corect a talerelor.

31

3.4 Funcionarea coloanelor cu talere Procesul de transfer de substan ntre cele dou faze: lichid i vapori sau

gaz, se produce n lichidul de pe taler. Concentraia fazelor variaz n trepte pe nlimea coloanei iar numrul treptelor de variaie este egal cu cel al talerelor. Vaporii se mbogesc n fraciunea volatil pe msur ce se apropie de vrful coloanei, iar lichidul se mbogete n fraciunea grea (cu punct de fierbere mai ridicat) pe msura apropierii de blaza coloanei. Deasupra stratului de lichid de pe taler se formeaz o spum. Formarea spumei i a picturilor mresc eficacitatea talerului. Nu se admite trecerea picturilor de la un taler inferior la unul superior, deoarece acest lucru reduce eficacitatea coloanei. Evitarea antrenrii picturilor se realizeaz prin montarea separatoarelor de picturi, sub fiecare taler.

La debite mici de vapori are loc barbotarea insuficient a bulelor. In cazul talerelor cu clopote aceasta are loc n imediata apropiere a clopotelor ( fig. 3.13 a ). Stratul neutru care nu particip la proces este mare, contactul dintre faze nesatisfctor, iar randamentul sczut. Odat cu mrirea debitului de vapori, bulele ptrund tot mai departe n stratul de lichid, se formeaz deasupra un strat de spum i condiiile de contact ntre gaz i lichid se mbuntesc. La un anumit debit de vapori, acetia nu mai ies de sub clopot sub form de bule separate, ci sub forma unui jet care mpinge lichidul de lng clopot, formnd o fant inelara (fig. 3.13b) Vaporii antreneaz lichidul n sus i ca urmare se formeaz un strat de spum i o cantitate mare de picturi, suprafaa de contact a gazelor i intensitatea procesului de transfer de substan cresc. Depirea unei anumite valori (maxime) a vitezei vaporilor sau a vitezei lichidului, duc la

32

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

funcionarea defectuoas a coloanei (scade concentraia, crete presiunea n coloan, au loc pulsaii) care pot determina oprirea ei. 3. 5 F enomenele de pe taler

Intr-un proces continuu compoziia lichidului pe un taler nu se schimb, dar variaz de la un taler la altul. Incepnd de la blaz spre vrful coloanei, lichidul este tot mai bogat n component uor volatil. A ceast variaie a compoziiei lichidului, condiioneaz i scderea temperaturii, de jos n sus. Dac pe talerele n i n + 1 temperaturile sunt i , atunci . La contactul lichidului cu vaporii, ntre cele dou faze nu exist echilibru nici ntre compoziiile celor doua faze i nici termic. In timpul barbotrii vaporilor compoziia ambelor faze variaz n sensul stabilirii echilibrului. Fie talerele n, n1 i n + 1. De pe talerul n pleac n condiii de echilibru, vapori de compoziie

i lichid de compoziie . Pe acelai taler intr vapori de compoziie i lichidul de compoziie care nefiind n echilibru la contactare i vor modifica compoziia n sensul stabilirii echilibrului. Vaporii cedeaz prin condensare o parte din componentul greu volatil, trecnd de la compoziia

la , iar lichidul pierde prin vaporizare o parte din componentul uor volatil, trecnd la la

nT 1+nT 1+> nn TT

ny nx 1ny1+nx

1ny ( 1> nnn yyy )1+nx ( )1+< nnn xxx . Cldura necesar vaporizrii o

furnizeaz condensarea componentului greu volatil din faza vapori. Efectele celor dou fenomene (condensare i vaporizare) se materializeaz prin mbogirea vaporilor n component uor volatil. In afara echilibrului ntre cele dou faze se stabilete i echilibrul termic, n sensul c vaporii care vin de pe talerul ( )1n au o temperatur mai ridicat

i cedeaz o parte din cldura specific lichidului provenit de pe talerul . Stabilirea echilibrului termic contribuie, de asemenea, n mod

favorabil la mbogirea vaporilor n component uor volatil, nct ntotdeauna

( nn TT >1 ))( nn TTn

general n centrele unei reele hexagonale. Capacele clopotelor sunt de form circular, dreptunghiular, sau de tunel ( fig. 3.15). Clopotele se aeaz n iruri perpendiculare pe direcia curentului de lichid dup o reea triunghiular (fig. 3.16). Perimetrul inferior al capacului se prevede fie cu dini triunghiulari sau dreptunghiulari, fie cu fante dreptunghiulare care divizeaz curentul de vapori. Existena dinilor este mai avantajoas, deoarece acetia micoreaz pericolul ieirii unilaterale a vaporilor de sub clopot, n cazul n care clopotul este nclinat fa de vertical. Se recomand ca la debite mici de vapori, crestturile s fie nguste, nct divizarea curentului s se fac n jeturi subiri, mbuntindu-se astfel condiiile de contact ntre faze.

34

PowerUserHighlight

Distana dintre clopote (lc) se stabilete ca un compromis ntre necesitatea de a vea o turbulen ct mai mare a lichidului (deci clopote ct mai apropiate) i necesitatea de a evita stropiri si antrenri exagerate. Se recomand s se lase o distant mai mare dect (lc) ntre clopotele periferice i peretele coloanei i ntre ultimul rnd de clopote i pragul deversor.

Talerele se execut, de cele mai multe ori din acelai material cu cel al corpului coloanei. Clopotele se execut fie din acelai material cu talerul (oel font, cupru, etc.) fie din materiale ceramice sau materiale plastice (polipropilen, poliamid, polietilen, etc.) Alegerea materialului pentru construcia talerului depinde de presiunea i temperatura de lucru a coloanei. Presiunile pot varia de la vid naintat pn la peste 4 MN/m2 i temperaturi de la 250oC la +250oC i mai mult.

Utilizarea clopotelor din materiale plastice determin economii importante, ducnd la micorarea costului coloanei i a greutii totale.

Clopotele din oel sau cupru se matrieaz, iar cele din font se toarn. Prinderea clopotelor pe taler poate fi demontabil sau nedemontabil. Racordurile deasupra crora se monteaz clopotele se asambleaz pe taler nedemontabil, prin sudare sau prin mandrinare.

Capacul clopotului se asambleaz cu racordul sau talerul demontabil sau nedemontabil. Asamblrile demontabile permit scoaterea i nlocuirea capacelor uzate, precum i reglarea lor pe nlime. Asamblarea nedemontabil se realizeaz prin intermediul sudrii, lipirii sau nituirii.

Acest tip de asamblare poate fi aplicat la coloanele care prelucreaz lichide i gaze pure, complet pasive i care nu depun precipitat. In figura 3.17 sunt prezentate soluii constructive de asamblare demontabil, care prezint urmtoarele avantaje: scoaterea i nlocuirea capacelor uzate, reglarea lor pe nlime. Dintre variantele prezentate varianta din fig. 3.17a, se execut mai uor, fiind adaptabil la producia de serie. Reglarea poziiei capacului, pe nlime se face individual, pentru fiecare clopot. In alte construcii (fig.3.18) capacele clopotelor nu se asambleaza cu racordul. Ele se asambleaz pe o travers comun, de obicei un cornier. Cornierul se reazem pe un inel sudat de coloan (fig.3.18a), sau pe tije sudate de taler (fig. 3.18b). Aceast soluie se adopt la coloanele cu un diametru mare i un numr mare de clopote, la care reglarea separat a fiecrui capac prezint greuti deosebite. In cazul din fig. 3.18, fiecare rnd de capace se nurubeaz pe tijele filetate prinse de cornier, se verific orizontalitatea asezrii lor, apoi cornierul se aeaz n coloan i se regleaz poziia sa. mbinarea dintre racord i taler prin mandrinare, prezentat

35

n figura 3.19 a i 3.19 b impune pentru taler 5-6 mm grosime, iar pentru racord un perete de minim 3 mm grosime. La grosimi mai mici ale acestora nu se poate realiza o mbinare prin mandrinare rezistent.

Se impun grosimi mai mici n cazul talerelor din oel anticoroziv, cnd se recurge la sudare (fig. 3.19c i 3.19d).

Cu creterea diametrului talerului se mrete numrul de clopote i crete greutatea talerului.

36

3.7 Coloane cu talere sit

Coloanele cu talere sit au o construcie asemntoare cu coloanele cu

talere clopote. Talerele sit se construiesc n dou variante: cu deversor i fr

deversor (fig. 3.2).

37

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

3.7.1. Talere sit cu deversor

Talerele sit cu deversor funcioneaz, n principiu ca i talerele cu

clopote. Circulaia lichidului de la un taler la altul se face prin deversor

(fig.3.2a). Deversoarele sunt n majoritatea cazurilor interioare coloanei. Uneori

se folosesc i deversoare exterioare (fig.3.3), de exemplu n cazul prelucrrii

suspensiilor. In general, deversoarele exterioare se ntlnesc la coloanele din

font. Viteza gazului sau vaporilor care circul prin orificiile talerului, determin

o presiune dinamic, care echilibreaz coloana de lichid de pe taler. Viteza

vaporilor prin orificiile talerului sit are mare importan pentru buna

funcionare a coloanei.

Cu ct diametrul talerului este mai mare cu att este mai neuniform

funcionarea sa ntre intrarea i ieirea lichidului. Eficacitatea talerului scade.

Talerele sit cu deversor se construiesc n varianta cu taler orizontal

(fig.3.2) i n varianta cu taler vertical (fig. 3.20).

Avantajele talerelor sit cu deversor: ncrcri mari pe unitatea de

suprafa; distan mai mic ntre talere dect la coloanele cu clopote, simplitate

i pre de cost mai mic.

Dezavantajele constau n: flexibilitate redus, variaia posibil a debitului

este de maxim 10-20 %, talerul sit poate fi uor nfundat de impuritile

existente n lichidul prelucrat, motiv pentru care se recomand s lucreze numai

cu lichide pure.

3.7.2. Talere sit orizontale

Talerele sit se construiesc actualmente orizontale, dintr-o bucat sau mai

multe buci, n funcie de diametrul coloanei.

Diametrul orificiilor talerului se ia uzual ntre 2 i 25 mm. Pentru lichide

curate se ia de=2...6 mm, diametre optime fiind considerate 4....5 mm. Talerele

cu orificii de 8-12 mm, permit obinerea unor eficaciti i productiviti mai

mari, ntr-o gam la fel de larg de funcionare stabil ca i talerele cu orificii

mai mici. Principalul neajuns al orificiilor de 8-12 mm const n faptul c la

38

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

sarcini mari de vapori, antrenarea lichidului devine mai mare dect la talerele cu

diametru de 4-5 mm. Acest lucru nu reprezint totui un impediment n

utilizarea orificiilor cu do=8-12 mm. Pasul dintre dou orificii t = (2,5-5)do.

Aezarea orificiilor se face dup o reea format din triunghiuri echilaterale.

irurile de orificii se dispun perpendicular pe direcia de curgere a lichidului.

Distana orificiilor marginale fa de corpul coloanei 1 50 = mm, iar distana orificiilor marginale fa de placa deversoare 2 20 40 = mm, este funcie de debitul de lichid.

Aria liber a talerului sau aria tuturor orificiilor, este ( )0,02...0,3rS S= . Cel mai adesea se consider ( )0,08...0,15rS S= , ceea ce asigur o funcionare stabil la o gam mai mare de ncrcare ale talerului.

Distana dintre talere se ia n funcie de diametrul coloanei i variaz ntre

200-600 mm. Inlimea stratului de lichid pe taler n timpul funcionrii (lichid

spumat), este uzual de 40 100 mm.

Pentru funcionarea uniform a talerului, nlimea stratului de lichid nespumat, de pe taler, se recomand s fie cuprins ntre 50 70 mm.

Fig.3.20 Talere sit verticale

Orientativ grosimea talerului din oel carbon pentru talere se ia (0,5 0,8) pentru i 4 5 mm

pentru Cnd se utilizeaz oel anticorosiv talerul se realizeaz din tabl de 2 3 mm.

0d mmd 50

3.7. 3. Talere sit verticale Prile principale ale coloanelor cu taler sit vertical (fig.3.20) sunt: talerul vertical 1, deversoarele 2, camerele de (lucru ) sau contact dintre faze 3. Lichidul curge sub forma unei pelicule subiri pe talerul sit vertical; prin el barboteaz gazul (vaporii) care trec prin orificii. Lichidul acumulat n deversor trece prin

39

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

orificiile talerului i ud peretele talerului pe partea opus corespunztor camerei de lucru inferioare. Prin schimbarea cu 180 o a direciei vaporilor picturile de lichid antrenate sunt separate n fiecare camer de lucru. Rezistena hidraulic a talerului este nensemnat, deoarece la barbotarea gazului prin lichid acesta nu trebuie s nving rezistena corespunztoare grosimii stratului de lichid ca la talerele orizontale. n cazul deversorului orizontal, modificarea nlimii stratului de lichid al deversorului n limitele a 3-8 mm, nu influeneaz asupra indicatorilor hidrodinamici. Se obine un regim hidrodinamic mai stabil ( fig. 3.20 b ) Valoarea vitezei care separ un regim de altul depinde de dimensiunile camerei de contact i a orificiilor. Mrimea care influeneaz n mod esenial regimul hidrodinamic al aparatului este grosimea stratului de lichid de pe placa deversoare. 3.7.4. Coloane cu talere fr deversoare

Talerele fr deversor pot fi orizontale, verticale sau nclinate fa de axa coloanei. Ele se mai numesc i talere cu cdere. La aceste coloane, lichidul curge spre talerele inferioare prin aceleai orificii ( fante) prin care urc vaporii sau gazele.

Talerele orizontale fr deversor se realizeaz n dou variante: talere plate cu fante (fIg. 3.7) i talere ondulate (fig. 3.8). Lipsa deversorului simplific construcia talerului i permite utilizarea ntregii sale suprafee pentru procesul de transfer de substan. Deoarece ntreaga suprafa a talerului este utilizat n procesul de transfer de substan, viteza vaporilor n seciunea liber este mai mare dect la coloanele cu talere cu deversoare. In consecin i debitul coloanei va fi mai mare. Debitul unei coloane cu talere sit fr deversoare poate fi de 1,5 3 ori mai mare dect al unei coloane cu talere clopote, avnd acelai numr de talere i acelai Aceste talere pot fi, utilizate att la funcionarea coloanei la presiune atmosferic ct i la funcionarea acesteia n vid.

,oW

iD

Deoarece diametrul orificiilor talerului sit nu poate fi modificat n timpul funcionrii, s-a cutat o soluie care s permit variaia seciunii de trecere a vaporilor n lichid. Au fost construite talere cu supape fr deversor, cu nlimea minim de ridicare ( jocul minim ) al supapei .5,5 mmhs =

3.8 Talere cu supape

Talerele cu supape se aseamn cu cele cu clopote. Ceea ce le deosebeste

40

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

este construcia prii care favorizeaz contactul lichid-vapori (gaz). Dispersia

vaporilor n masa de lichid de pe taler se face prin intermediul supapelor.

Supapele, de form circular sau dreptunghiular, ocup orificiile talerului. Sub

efectul presiunii vaporilor supapa se ridic si permite trecerea vaporilor care

barboteaz prin lichidul de pe taler. Deschiderea supapei se regleaz automat

(ntre limite stabilite constructiv) n funcie de interdependena dintre greutatea

supapei i debitul de vapori. Principiul de funionare a trei tipuri constructive de

supape cu seciune circular rezulta din figura 3.5.

Supapa 1 din figura 3.5 a este un simplu disc circular care obtureaz

orificiul talerului. Presiunea vaporilor ridic supapa, ceea ce le permite s intre

n lichidul de pe taler. Un limitator 2, reine supapa n poziia corespunzatoare

deschiderii maxime orict de mult ar mai crete debitul de vapori n continuare.

Un taler cu asemenea supape are nevoie de guri de drenaj, deoarece la ncetarea

procesului supapele obtureaz trecerea prin orificiile talerului 3.

Supapa 1, din figura 3.5 b este prevzut cu patru piciorue distaniere 4,

care in rondela la 2-2,5 mm de talerul 3.Aceasta reprezint deschiderea minim

a supapei. Deschiderea maxim este limitat de limitatorul 2.

Supapa din figura 3.5c, lucreaz n dou etape. La debite relativ mici se

ridic discul 1. Cu creterea debitului i a presiunii dinamice a vaporilor, discul

1 atinge deschiderea sa maxim, determinat de rondela inelar 5, prevzut cu

picioruele 4. Mrirea n continuare a debitului de vapori, determin ridicarea

mpreun a discului 1 si a rondelei 5. Poziia maxim este limitat de 2.

3.9 Talere grtar Aceste talere se realizeaz prin asamblare, din bare sau benzii de oel.

Barele sau benzile se prind, la distane egale ntre ele, pe inelul de rezemare. Transversal se prevd laminate sau evi. Acestea din urm pot fi aezate pe taler sau spiral. In acest caz talerul poate fi utilizat pentru realizarea simultan a proceselor de transfer de substana i cldur.

Limea fantelor se ia la .43 mm Prin mrirea acestei limi pn la 8-10 mm, se nregistreaz domeniul de funcionare stabil a talerului.

41

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Realizarea talerului din evi, permite ncrcarea acestuia cu lichid i vapori.

3.10 Talere din tabl perforat Talerele se obin din tabl ( de oel, cupru, etc. ) cu grosimea de 2,5 - 6

mm cu orificii frezate sau stanate Deschiderile din taler pot fi orificii sau fante alungite. Diametrul orificiilor ,84 mmdo = iar dimensiunile fantelor (fig. 3.8)

i mml 831 = mml 200si602 = Orificiile se aeaz dup o reea triunghiular. Gurile se prevd cu degajri prin partea pe unde intr vaporii. Distana dintre talere este uzual 300-600 mm. Talerele cu se realizeaz dintr-o bucat. Cele cu se realizeaz din buci care se asambleaz. Grosimea stratului de lichid pe taler este orientativ 30 40 mm.

.800 mmDi ,800 mmDi >

Talerele sit ondulate sa obin prin tanare din tabl cu grosimea de 2,5- 3 mm. Prin ondulare, cu pasul de 40-60 mm i adncimea rezult

talere mai rigide ( fig. 3.8a ), care nu necesit grinzi de rezemare la coloanele cu diametru interior

gradientul variaiei nivelului lichidului pe taler, ceea ce micoreaz i neuniformitile funcionale n direcia curgerii lichidului. Diferena ntre nivelul lichidului la intrarea pe taler si nivelul lichidului la ieirea de pe taler este mai mic dect la coloanele cu clopote. Capacele elementelor n form de S se nchid la capete cu plci de obturare. In felul acesta vaporii sau gazele vor fi obligate s ias numai prin fantele frontale. Lichidul circul prin jgheaburile formate pe taler ca urmare a modului de aranjare a elementelor n form de S. Prin el barboteaz vaporii sau gazul. Aici are loc procesul de transfer de substan. La captul de intrare, talerul ncepe cu o zon cu lichid. Primul element n form de S este incomplet, el servete i la realizarea nchiderii hidraulice, deoarece partea inferioar a deversorului se afl la o distan mai mic de taler dect nlimea capacului format de primul S (fig. 3.6 a). In zona de ieire de pe taler, acesta se termin cu un jgheab de lichid care este solidar cu placa deversoare. Inlimea plcii deversoare pe taler este egal cu cea a elementului n form de S (80 mm). Distana de la placa deversoare la primul element trebuie s fie cel puin 60 mm, (fig. 3.6 a).

Coloanele cu talere cu elemente n form de S cu D=1-4 m se realizeaz , n general cu un curent de curgere a lichidului pe taler. Cele cu D> 4m, se realizeaz cu doi sau patru cureni de lichid.

La aceste coloane talerul se realizeaz din subansamble, fiecare subansamblu este constituit din 6-8 elemente n form de S. Acest lucru permite montarea mai uoar a talerelor, demontarea n vederea nlocuirii numai a prii uzate sau corodate.

Subansamblele unui taler se sprijin pe un inel de reazem, sudat de peretele coloanei i se prind de acesta cu ajutorul unor cleme cu urub (fig.3.6a).

Distana dintre talere poate fi la coloanele cu un singur sens de curgere pe taler de 450, 500, 600, 700, 800, 900 mm. La coloanele cu D= 1-4 m i cu un singur sens de curgere, placa i buzunarul deversor se sudeaz direct de corp i nu se prevd grinzi transversale de rezemare a talerului. La coloanele cu D=4,5-8m i cu dou sensuri de curgere ale lichidului se prevede o grind de rezemare n zona central, a crei nlime poate fi egal cu distana dintre talere. Grinda se reazem pe supori sudai de peretele coloanei, astfel c deformarea ei nu este mpiedicat. Pe tlpile inferioare i superiare ale grinzii i ale inelelor de rezemare, se reazem direct, fr inele de etanare sau alte piese intermediare, subansamblele din elemente n form de S. Lungimea coardei plcii deversoare este orientativ, la coloanele cu un singur curent de lichid (0,7-0,74)Di, iar la coloanele cu doi i patru cureni de lichid (0,65-0,7)Di.

Cercetrile au artat c asemenea coloane funcioneaz stabil la un interval larg de ncrcare cu lichid, i anume de la 8 la 45 m3/m2 h. Deaoarece jgheabul S-ului este n permanen inundat, se poate considera c asemenea talere lucreaz asemntor cu talerele sit. Cderea de presiune, prin talerul cu elemente n form de S, crete cu mrirea vitezei vaporilor i cu mrirea densitii de stropire. La o densitate de stropire > ca 45 m3/m2 h, coloana lucreaz instabil.

43

4 COLOANE CU UMPLUTURA 4.1 Generaliti

Fig. 4.1 Coloane cu umplutur

Coloanele cu umplutur se utilizeaz n deosebi la prelucrarea substanelor organice sau de mare vscozitate. De asemenea se utilizeaz cnd sunt necesare

cderi mici de presiune sau cnd cantitatea de lichid din coloan este mic.

Coloanele cu umplutur se utilizeaz de exemplu la operaiile de distilare fracionat n vid, sau n operaii de fracionare discontinu, ca i la instalaiile pilot i semiindustriale, i n lucrri de cercetare n laborator. Noile tipuri de umplutur de mare eficacitate permit separarea n coloane cu umplutur, a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate. Interioarele aparatelor tip coloan depind de natura procesului fizico - chimic precum i de parametrii procesului. La aceste coloane transferul de substan are loc pe suprafaa peliculei de lichid care se formeaz pe corpurile de umplere, ntre lichid si vapori (sau gaze). Datorit principiului lor de funcionare, coloanele cu umplutur nu sunt adecvate pentru a lucra cu gaze sau cu lichide impurificate. Impuritile pot astupa spaiile libere ale umpluturii, ceea ce ar determina creterea accentuat a rezistenei hidraulice a umpluturii (la trecerea gazelor sau vaporilor) i micorarea n timp a eficacitaii coloanei. In coloanele cu diametru interior Di>0,8m, pe anumite portiuni, vaporii (gazele) i lichidul pot circula pe seciuni diferite, fr a veni n contact ceea ce micoreaz eficacitatea separrii. Deoarece la peretele coloanei volumul de goluri este maxim (rezistena hidraulic este minim), lichidul are tendina s se

deplaseze n lungul peretelui; zona central fiind n acest caz insuficient udat. Pentru a obine o eficacitate a separrii este necesar organizarea raional a regimului de lucru al coloanei. In acest scop, pe nlimea umpluturii sau ntre dou straturi distincte de umplutura 2 se prevad dispozitive de redistribuire 4, care aduc lichidul spre zona central a umpluturii (fig.4.1). Umplutura se pune pe toata inlimea coloanei sau nlimea se fracioneaz. Ultima varianta este valabil atunci cnd, datorit greuttii umpluturii, dimensiunile grtarelor ar urma sa fie prea mari, sau cnd

44

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

construcia ar fi puternic solicitat n zona de asamblare a grtarului cu corpul coloanei. La coloanele de absorbie, n partea inferioar a coloanei, se prevd dispozitive pentru uniformizarea circulaiei gazelor. Sub grtarul stratului de umplutur, n zona de evacuare a lichidului, se prevede de exemplu, un taler cu clopote, care are rolul de a egaliza viteza gazelor pe seciunea coloanei (6, fig. 4.1).

4. 2 Funcionarea coloanei cu umplutur. Construcia interiorului coloanei urmrete mrirea la maximum a suprafeei de contact dintre faze; rolul principal l are umplutura. Lichidul i vaporii circul n general n contracurent. Transferul de substan are loc ntre lichid i vapori pe suprafaa peliculei de lichid format pe corpurile de umplere. Intensitatea contactului gaz-lichid, ntr-un caz dat (coloana si corpuri de umplere de dimensiuni date), depinde de dinamica lichidului si gazelor (vaporilor) prin coloan. Funcionarea optim a coloanei are loc la rapoarte determinate ntre cantitatea de lichid care ud umplutura i viteza sau cantitatea vaporilor (gazelor) care circul n contracurent. Stropirea umpluturii cu o cantitate insuficient de lichid, duce la micorarea suprafeei de contact ntre gaze i lichide. Stropirea n exces duce la necarea coloanei deoarece spaiile dintre corpurile umpluturii se umplu cu lichid i partea respectiv a umpluturii nu mai particip la procesul de transfer de substan. Funcionarea coloanei se nrutete n ambele cazuri. Viteza vaporilor sau a gazului prin coloan trebuie s fie inferioar vitezei critice wcr, care corespunde nceputului saturrii umpluturii. Aceasta are loc n momentul egalrii forei de frecare dintre vapori (gaz) i lichid cu fora de gravitaie care acioneaz asupra lichidului, ceea ce duce la ncetarea curgerii lichidului. La viteze ale vaporilor ( gazului ) mai mari ca bulele de vapori ( gaz ) ptrund n lichid ( care ocup ntregul volum liber ) i produce emulsionarea acestuia. Starea procesului care marcheaz trecerea la regimul de emulsionare, corespunde punctului de necare dup care lichidul va fi antrenat afar din coloan.

,crw

Regimurile de funcionare ntr-o coloan cu umplutur La o cantitate dat de lichid de stropire, intensitatea transferului de substan

depinde de viteza gazului sau vaporilor. Regimurile de funcionare ale coloanei cu umplutur depind de relaia care exist ntre pierderea de presiune a vaporilor (gazului) la trecerea prin umplutura udat i viteza acestora. La viteze ale vaporilor (gazului) mai mici dect ale lichidului, regimul de curgere al vaporilor i lichidului este laminar. Interaciunea vapori lichid are loc pe suprafaa corpurilor de umplere: faza continu sunt vaporii (gazul), iar faza dispers este lichidul. Transferul de substan este puin intens.

45

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

La viteza vaporilor (gazului) mai mare sau egal cu viteza lichidului, forele de frecare dintre gaz si lichid cresc, au loc turbionri ale lichidului, ceea ce asigura uniformizarea repartiiei lichidului n tot volumul de umplutur. Transferul de substan se mbuntete. La viteza vaporilor (gazului) egal cu viteza de turbule a lichidului ncepe regimul de curgere turbulent prin umplutur. Pentru viteze ale vapoprilor mai mari ca viteza de turbule a lichidului, interaciunea vapori-lichid are loc pe suprafaa lichidului aflat n curgere turbulent. In curentul de vapori (gaz) apar turbioane. Transferul de substan crete pronunat.

Cnd viteza vaporilor a devenit egal cu viteza critic, care corespunde nceputului saturrii umpluturii, are loc necarea coloanei cu umplutur i ncepe

regimul de emulsionare al coloanei. Presiunea crete brusc, lichidul este oprit s mai curg sau este impins napoi de gaz. Practic pentru asigurarea unei funcionri stabile a coloanei cu umplutur, viteza medie a vaporilor (gazului) prin umplutur se ia crw wKw = , unde 8,075,0 =wK . Viteza critic depinde de: caracteristicile fizice ale vaporilor (gazului).

Meninerea regimului de lucru al coloanelor cu umplutur, aproape de n condiii industriale, implic unele greuti determinate de gama ngust a ncrcrii cu vapori sau cu gaze. Spre a evita aceste neajunsuri au fost realizate coloane care permit folosirea volumului umpluturii aproximativ cu aceeai eficacitate ca i n regimuri apropiate de i care sunt practic insensibile la schimbri n anumite limite, ale regimului de lucru.

,erw

,crw

Aceste coloane, denumite cu umplutur necat sau cu funcionare n regim de emulsionare forat ( fig. 4.2 ) se umplu cu lichid pn la o astfel de nlime nct n timpul funcionrii nivelul lichidului barbotat de vapori ( gaz ) s ajung pn la suprafaa superioar a umpluturii. Nivelul lichidului n coloan se menine la valoarea dorit cu ajutorul unei evi n form de U, prevzut cu robinete de scurcircuitare (by pass) ntre brae.

46

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Pentru ca aceast eav s nu lucreze ca un sifon, partea ei superioar se leag la vrful coloanei. Coloana cu umplutur necat funcioneaz n regim combinat de turbulen i de emulsionare forat, ceea ce asigur o intensitate mare a transferului de substan. Regimul de funcionare a coloanei depinde de presiunea interioar din coloan. In coloana cu umplutur din figura 4.3 amestecul este alimentat prin racordul 2 i este

distribuit uniform pe talerul 3, deasupra umpluturii. Lichidul curge prin stratul de umplutur superior 6, care se reazem pe grtarul 4. Datorit aezrii n vrac a corpurilor de umplere se pot crea pe vertical, circuite prefereniale (de rezisten hidraulic minim) pentru vapori i lichid. In acest scop pe nlimea umpluturii sau ntre dou straturi distincte de umplutur 6 se prevad dispozitive de

redistribuire 5, care aduc lichidul spre zona central a umpluturii. La coloanele de absorbie, n partea inferioar a coloanei, se prevd dispozitive pentru uniformizarea circulaiei gazelor. Sub grtarul stratului de umplutur, n zona de evacuare a lichidului, se prevede un taler cu clopote care are rolul de a egaliza viteza gazelor pe seciunea coloanei (fig. 4.4).

47

4. 3 Corpuri de umplere i umpluturi Corpurile de umplere trebuie s aib suprafa specific mare (favorabil transferului de substan), volum liber mare (deci rezistent mic la trecerea gazului sau vaporilor), densitate n vrac mic (influenteaz solicitarea grtarelor i peretelui coloanei,ensiunile fundaiei coloanei), rezisten la coroziune faa de substanele prelucrate, rezisten la compresiune si cost redus.

Corpurile de umplere pot avea form regulat sau neregulat. Pentru umplutur se poate utiliza orice material rezistent ( chimic i mecanic ) n condiiile regimului de lucru din coloan. Aezarea corpurilor de umplere n coloan se poate face ordonat ( dup o anumit reea ) sau n vrac.

48

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

In figura 4.5 sunt prezentate corpuri de umplere de form regulat, caracterizate prin eficaciti diferite. Nu toate admit o aezare ordonat. Corpurile de umplere trebuie s aib o suprafa specific mare, favorabil transferului de substan, volum liber mare (rezisten mic la trecerea vaporilor sau a gazului), densitate n vrac mic (influeneaz solicitarea grtarelor i peretelui coloanei ca si dimensiunile coloanei), rezisten la coroziune fa de substanele prelucrate, rezisten la compresiune i cost redus.

Materialele de construcie pentru corpurile de umplere sunt : materiale ceramice, materiale plastice (policlorur de vinil, polistiren, poliamid, polietilen, polipropilen), lemn, metale (oel, aluminiu, cupru, monel), cuar, cocs, fibre de sticl, grafit, etc. Corpurile de umplere metalice se obin prin turnare sub presiune sau din platband, iar cele din material plastic se realizeaz prin injectare. Pentru a obine caracteristici mecanice mai bune se utilizeaz ca material de umplutur fibre de sticl n loc de talc sau fibre de azbest. Utilizarea unor stabilizatori adecvai permit meninerea n timp a caracteristicilor fizice i chimice a corpurilor de umplere din materiale plastice. Umplutura metalic se utilizeaz n cazurile n care este posibil depunerea de sediment i este necesar curirea repetat a coloanei (n special n cazul umpluturilor cu configuraie complicat), n coloane care funcioneaz sub vacuum. Umplutura ceramic (inclusiv cea din porelan), se utilizeaz cnd nu este necesar curirea frecvent a coloanei, precum i la prelucrarea mediilor corozive. Grafitul, sticla i materialele plastice pot fi utilizate la prelucrarea produselor agresive. Materialele plastice pot fi utilizate la temperaturi medii (policlorura de vinil la

polietilena ; polipropilena la ; teflonul la ). ;60 CT o CT o80 CT o100 CT o240 La alegerea dimensiunilor corpurilor de umplere se va avea n vedere ca raportul dintre diametrul interior al coloanei i diametrul a celui mai mare iD maxd corp de umplere . 10/ max dDi

Alegerea tipului de umplutur depinde de parametrii de proces specifici coloanelor cu umplutur, care rezult din principiul de funcionare al coloanei.

Eficacitatea unei umpluturi depinde n primul rnd de forma i dimensiunile corpurilor de umplere. Eficacitatea unui anumit tip de corpuri de umplere depinde de dimensiunile acestora dar si de natura materialului din care sunt executate. Natura materialului influeneaza eficiena procesului, prin capacitatea de udare a acestuia de ctre lichidul prelucrat n coloan. La scderea debitului lichidului sub o anumit limit, eficacitatea coloanei scade brusc, datorit scderii sub limita admis a udrii suprafetei acesteia. Debitul de lichid nu trebuie sa depeasc valoarea

49

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

corespunztoare necrii umpluturii cu lichid. Densitatea maxim de stropire cu lichid se ia , unde orientativ densitatea de stropire minim se ia ( ) minmax 6...4 qq =

hmmq = 2

3

min 1210 (depinde de dimensunile corpurilor de umplere).

Dac n condiiile procesului nu se poate asigura o densitate a stropirii cel puin egal cu qmin, se va lucra cu recirculaie de lichid. Dac din motive tehnologice nu se poate aplica recircularea lichidului, iar acesta este n cantitate insuficient pentru a asigura densitatea de stropire minim, se recurge la utilizarea unei coloane cu barbotare.

4. 4 Alegerea corpurilor de umplere i aranjarea n coloan Alegerea tipului de umplutur se face n general pe baza unor rezultate experimentale sau n funcie de factorul de umplutur. In literatura de specialitate

sunt date recomandri n acest sens. Dac este necesar o cdere mic de presiune p , i dac nu se impune un grad mare de separare, se utilizeaz umpluturi mai ieftine: inele Pasching, Lessing, Pall, ei Berl i Intalex. La separarea componentelor cu volatiliti apropiate sunt recomandate umpluturi de mare eficacitate (inele Dixon, inele Hy-Pak, rulouri din band de plas de srm, umpluturi Stedmann). La prelucrarea unor cantiti mari de substane cele mai potrivite sunt umpluturile din site profilate sau din suluri de plas de srm ce se utilizeaz cu bune rezultate n coloane cu mDi 32 = . Alegerea tipului de umplutur trebuie s se fac pe baza unui studiu tehnico- economic corespunztor. Buna funcionare a coloanelor cu umplutur depinde de repartizarea uniform a lichidului n stratul de umplutur. Distribuia defectuoas a fazei lichide este determinat de neirigarea ntregii umpluturi, formarea de canale n interiorul umpluturii, curgerea preferenial a lichidului n apropierea pereilor.

Umplutura turnat n coloan se aeaz la ntmplare, ceea ce are un efect de uniformizare a distribuiei lichidului n seciunea coloanei. Valoarea acestui efect depinde de forma umpluturii, de materialul din care este realizat aceasta, precum i de modul n care se realizeaz ncrcarea. Incrcarea umpluturii conform fig. 4.6 a, nti stratul conic central 1, apoi

straturile 3 pn la nivelare, determin ca densitatea umpluturii la limita de separare ntre straturile 1 i 3 s fie mai mic. Acest lucru permite scurgerea lichidului pe

50

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

suprafeele de separare conice spre peretele coloanei. Acest mod de ncrcare nu este avantajos. Incrcarea coloanei ca n fig. 4.6 b, nti straturile 2 de la perete, apoi stratul central 3, pn la nivelare, uureaz scurgerea lichidului de la perete spre centru, pe suprafaa de separare dintre straturile 2 i 3, unde densitatea umpluturii este mai, mic dect n restul stratului. Incrcarea conform figurii 4.6 c, permite scurgerea lichidului de la perete, pe suprafaa de separare dintre staturile 2 i 3 i de la centru pe suprafeele dintre straturile 1 i 3. Incrcarea se face n ordinea : straturile 2 de la perete, stratul conic central 1 i apoi straturile laterale 3, pn la nivelare. La stropire uniform cu lichid se obin rezultate bune n cazul variantelor din fig. 4.6 b i 4.6 c.

4. 5 Diametrul i nlimea coloanei cu umplutur. Diametrul interior al coloanei cu umplutur se determin din relaia debitului

volumic:

[ ]mwQ

D vi0

4= ( 4.1)

unde: debitul volumic al vaporilor ( gazului ) care trec prin seciunea coloanei; vQ - viteza vaporilor ( gazului ) 0w [ ]sm/ prin seciunea liber a coloanei cuprins ntre dou straturi de umplutur.

crlwo wVKw = (4.2) 85,05,0 =wK ; - volumul liber sau fracie de golire a umpluturii. lV

Inlimea coloanei cu umplutura se determin pe baza relaiei ++++= 321 hhhHHH ust (4.3 )

unde : - distana de la sol pn la nceputul prii cilindrice a coloanei. sH - nlimea necesar a coloanei. uH - distana liber de deasupra ultimului strat de umplutur pn la vrful coloanei

1h

( )mh 5,111 = - distana liber a parii cilindrice de sub primul strat de umplutur, h2h 2=1-2m. - distana ntre dou straturi succesive de umplutur. 3h Inlimea necesar umplerii se divizeaz n straturi de nlime uH uh

u

uhH

n = (4.4) Inlimea hu se alege astfel nct pe nlimea stratului de umplutur s nu se creeze ci prefereniale ale fluidelor i s se obin o distribuie uniform a lichidului pe seciunea coloanei. Inlimile trebuiesc alese astfel nct s se poat asigura montarea 3,21, hhh

51

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

dispozitivelor de distribuire i de redistribuire a lichidului precum i pentru a evita antrenarea picturilor de lichid de ctre gaz. Inlimea necesar a stratului de umplutur este determinat de suprafaa de contact necesar realizrii procesului de transfer de substan. se poate determina pe baza urmtoarelor metode:

,uH

,uH

a)- O metod corect din punct de vedere fizic calculeaz ca produsul dintre numrul unitilor de transfer de substan NTU necesare i nlimea de umplutur corespunztoare unitii de transfer de substan HTU:

,uH

)()( HTUNTUH u = (4.5) b)- O alt metod permite calculul lui pe baza volumului de umplutur V,uH u, necesar transferului de substan. Acesta rezult din expresia suprafeei de contact ntre lichid si gaz necesar realizrii transferului de substan:

uuVS = (4.6) n care u este suprafaa specific a umpluturii udate:

=u (4.7) unde este coeficient de udare, care caracterizeaza capacitatea de udare i influenta suprafeei udate ( ) ar,9,06,0 i= - suprafaa specific a umpluturii. Aria S se calculeaz cu ajutorul coeficienilor de transfer de substan. Dup stabilirea diametrului coloanei se calculeaz:

u

uu A

SA

VH ==

(4.8)

n care 4

2iDA

= , este aria seciunii transversale a coloanei. La alegerea nlimii a unui strat de umplutur se ine seama c: dac nlimea stratului de umplutur este prea mic, distribuia gazului ( vaporilor) pe seciune este neuniform; dac nlimea este prea mare, stropirea straturilor inferioare de umplutur nu se face uniform, deoarece lichidul are tendina s se adune la perete, unde fracia de goluri este maxim i s se scurg pe pereii coloanei.

uh

Se recomand: ihu DKh = (4. 9)

unde: - depinde de diametrul coloanei. hK Di [ m ] 0,4 0,5...........1,2 1,4 . 2,2 2,4.............3 K h 10 6 3 2

Dup unii autori depinde de tipul umpluturii: hK

52

pentru inele Rasching. 35,2 =hK ei Berl i Intalox. 85=hK inele Pall. 105 =hK

4. 6 Elemente specifice coloanelor cu umplutur 4. 6.1. Suporturi pentru umplutur

Stratul de umplutur, n coloan este susinut de suporturi plane sau ondulate. Acestea trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: s reziste la coroziune si la greutatea umpluturii i a lichidului; s aib o seciune liber care s nu permit cderea corpurilor de umplutur, dar care s fie suficient de mare pentru trecerea fluidelor ; s se monteze i demonteze uor. Seciunea liber a suportului pentru corpurile de umplutur trebuie s fie mai mare, cel puin egal cu seciunea liber a umpluturii.

Suportul sub form de grtar din plac perforat (fig.4.7a) nu ndeplinete aceste condiii, motiv pentru care nu mai este utilizat n construciile moderne. In prezent se mai realizeaz nc un grtar i suporturi cu suprafa plan, executate din platbande distanate cu buce (din eav) prin care trec tirani de solidizare a platbandelor (fig. 4.7 b) sau din platbande sudate n interiorul unui inel

53

metalic (fig. 4.7c) soluie constructiv acceptat n special pentru aparate cu diametru mic. Distana dintre barele grtarelor se ia minim ( 0,6.....0,8 )d unde d este dimensiunea minim a corpului de umplere. In coloanele executate din grafit, cptuite cu material ceramic, sau emailate, grtarele plate sunt din acelai material cu peretele sau cu cptueala. Suporturile ondulate (fig. 4.8 f, fig. 4.9) se realizeaz din oel sau aluminiu, material ceramic, materiale plastice armate, etc. In cazul colectoarelor cu diametru mare, n vederea unei montri uoare, suporturile cu umplutur se realizeaz din 2-7 segmente. Acestea por fi apoi montate pe grinzi transversale executate din laminate (I, U, L sau alte profile). La coloanele a cror talere se construiesc din roc sau din material ceramic i care au distan relativ mare ntre elementele grtarului ( mai mare ca d ), deasupra grtarului se aeaz fie cteva straturi de crmid ( de exemplu crmid antiacid ), fie cteva straturi de corpuri de umplere cu dimensiuni mai mari dect cele prevzute pentru umplutur ( de ex. 100 x100 sau 150 x 150 ).Aceste prime staturi se aeaz ordonat, deasupra lor se toarn corpurile de umplere de diametru mai mic.

Suporturile cu umpluturi cu suprafa plan au dou dezavantaje majore: 1-lichidul i gazul circul n contra curent prin aceleai orificii, motiv pentru care pe suprafaa suportului se adun un strat de lichid prin care barboteaz gazul sau vaporii (fig. 4.8 d); 2 - stratul de umplutur din apropierea suprafeei suportului plan,

54

obtureaz parial spaiile libere ale acestuia. Ambele dezavantaje au ca efect reducerea capacitii coloanei.

Suporturile ondulate (fig. 4.9) permit trecerea separat a vaporilor i a lichidului (fig.4.8 f). Vaporii ptrund n umplutur prin ondulaiile superioare, care se afl deasupra ondulaiei prin care lichidul se scurge din stratul de umplutur, ceea ce mpiedic formarea stratului de lichid pe suprafaa suportului. In felul acesta vaporii sunt injectai prin suprafaa lateral a ondulaiilor n stratul de

lichid, iar lichidul datorit deschiderilor, din partea inferioar a ondulaiilor este uniform distribuit pe stratul de umplutur inferior. Aria liber a unor asemenea suporturi poate depi valoarea ariei seciunii transversale a coloanei. Se realizeaz astfel debite mari de lichid i de vapori n condiiile unei cderi minime de presiune. Pentru proiectarea optim a unui suport pentru umplutur, este necesar cunoaterea diametrului interior al coloanei, a nlimii stratului de umplutur, a tipului umpluturii, debitele de lichid i de vapori i materialul corpurilor de umplere. Materialul se alege pe baza cunoaterii agresivitii mediului de lucru. Suporturile ondulate se realizeaz din oel, aluminiu, material ceramic (porelan, material refractar ), material plastic ( furan sau poliester ) armat cu fibre de sticl, policlorur de vinil, polipropilen. La coloanele cu diametru mare , n vederea unei montri uoare suporturile pentru umplutur se execut din 2-7 segmente separate. Acestea se pot monta pe grinzi executate din cornier sau din alte laminate. 4. 6. 2 Grtare limitatoare de strat In coloanele cu umplutur, n cazul unor ncrcri mari cu lichid i gaz, cnd cderea de presiune pe nlimea de un metru de umplutur, devine mai mare dect 40-70 mm. col. H 2 O, este posibil fierberea aparent (fluidizarea) umpluturii n partea ei superioar, ceea ce determin micorarea capacitii coloanei ca urmare a distrugerii umpluturii ce implic micorarea fraciei de goluri. Pentru a evita asemenea efecte, n partea superioar a stratului de umplutur se prevede un limitator de strat (fig. 4.10). Aezarea direct pe umplutur a unui limitator de strat poate mpiedica prin greutatea sa (50...150 kg/m 2), fluidizarea umpluturii. Uneori, un

55

asemenea limitator nu mpiedic complet distrugerea umpluturii. Dac nu exist pericol de nfundare sau de corodare, sub placa limitatoare se poate prevede o sit, care mpiedic deplasarea corpurilor de umplere. Seciunea liber a limitatorului de strat trebuie s fie mai mare dect 70 % din aria seciunii transversale a coloanei. Limitatoarele de strat se suspend pe distribuitorul de lichid sau se fixeaz pe clipsuri sudate de peretele interior al coloanei. Limitatoarele de strat se realizeaz din metal (oel sau oel aliat) material termoplastic ( polipropilen, policlorur de vinil ). In general se realizeaz din 2-3 segmente, care se asambleaz ntre ele la montaj.

4. 6. 3. Dispozitiv pentru redistribuirea lichidului Spre a asigura contactul optim ntre fazele aflate n coloan, este necesar evitarea formrii de canale verticale prin care s aib loc curgerea preferenial a fluidelor. Aceasta se obine prin repartizarea uniform a fazei lichide pe suprafaa umpluturii i prin fracionarea umpluturii n straturi de nlime mic, ntre care se intercaleaz dispozitive pentru colectarea i redistribuirea lichidului (fig. 4.11) Uniformitatea optim a stropirii se obine pentru nlimi de umplutur date de relaia ( 4.10 )

uh

=

ie

iu

tgtg

Dh

2145

14 2

(4.10)

56

n care : este unghiul de frecare al umpluturii pe perei, orientativ e oe 2017 = este unghiul de taluz natural al umpluturii i ( )o45

Dup unele recomandri se poate determina i cu relaia (4.9). uh Dispozitivele de colectare i redistribuire a lichidului trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: - s nu ngusteze seciunea aparatului ( ceea ce va determina mrirea brusc a vitezei gazului sau vaporilor i deci la perturbarea regimului de lucru a coloanei ), s asigure redistribuirea uniform a lichidului i s nu fie complicate din punct de vedere constructiv. Utilizarea unor confuzoare simple (fig.4.11a ) este dezavantajoas din punct de vedere funcional.

Ca dispozitive de colectare i redistribuire se utilizeaz conuri cu guri tanate ( fig. 4.11 b ), buzunare inelare ( fig. 4.11 c ) i talere speciale ( fig. 4.12 ).

La onurile cu gurile tanate ( fig. 4.11 b ) lichidul care se scurge pe pereii coloanei (vaporiloprezeneipermit sc Buprin care Crpentru diumpluturondulat redistribu

c

1, este dirijat ctre centrul acesteia. In dreptul conului 2, viteza gazului r) se mrete fr a deranja prea mult funcionarea coloanei, datorit gurilor 3. Gurile mpiedic mrirea accentuat a vitezei gazului i nu urgerea lichidului dect spre partea central. zunarele inelare 1 ( fig. 4.11 c) relativ nguste sunt prevzute cu 3-6 evi 3, lichidul colectat este adus spre centrul coloanei 1. iteriile care stau la baza proiectrii unui redistribuitor sunt similare cu cele stribuitoarele de lichid. Redistribuitorul trebuie s fie compatibil cu suportul ii sub care acesta este prevzut. In fig. 4.12 c este prezentat un suport sub care este prevzut un redistribuitor (fig. 4.12 d). Racordurile itorului pentru trecerea vaporilor sau gazului sunt n dreptul i pe lungimea

57

ondulaiilor suportului umpluturii prin care trec vaporii. In felul cesta se asigur o cdere de presiune minim a ansamblului redistribuitor - suport pentru umplutur, ca urmare a neintersectrii traiectoriilor lichidului i vaporilor.

Rozetele distribuitoare (fig. 4.13), reprezint o clas special de

redistribuitoare, utilizate atunci cnd eficiena coloanei cu umplutur poate scdea datorit procentului ridicat de lichid care ar curge n preajma peretelui coloanei. Acest fenomen se petrece n cazul coloanelor cu diametru mic. Rozetele distribuitoare se prevd atunci cnd amestecul aflat n blazul coloanei urmeaz a fi epuizat total de componentul volatil. Aceste rozete pot fi amplasate n interiorul stratului de umplutur, deasupra stratului de umplutur sau deasupra unui distribuitor obinuit. Ele se prind etan de suporturi inelare prevzute pe interiorul coloanei, sau se instaleaz ntre flane.

58

4. 6. 4. Dispozitive de stropire Funcionarea n bune condiii a coloanei este influenat de uniformitatea distribuirii lichidului pe umplutur. Dispozitivele de stropire trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: - s asigure o distribuie uniform a lichidului asupra umpluturii, - s nu se nfunde n timpul funcionrii, - pentru o funcionare corect s nu fie necesar o presiune prea mare. Dispozitivele de stropire sunt de dou categorii: tip A dispozitive care asigur stropirea ntr-un numr determinant de puncte pe seciunea umpluturii, tip B dispozitive care asigur stropirea umpluturii sub form de picturi. Dispozitive de stropire tip A Numrul punctelor de stropire pe unitatea de arie a suprafaei transversale a umpluturii depinde de diametrul coloanei i de modul de aezare a umpluturii n coloan. Numrul optim al punctelor de stropire rezult din tabelul 4.1. Tabelul 4.1 Numrul punctelor de stropire pe 1m2 din aria seciunii transversale a coloanei

Numrul punctelor de stropire pe 1m2 din aria seciunii transversale a coloanei

Diametrul coloanei Di, m Umplutur

asezat ordonat Umplutur

asezat n vrac 0,4-0,8 344 20 0,8-1,2 173 20 1,2 43 20

Pentru coloanele cu diametru mic se recomand utilizarea dispozitivelor din

fig. 4.14 i 4.15. Pentru coloanele cu diametru mare se recomand utilizarea dispozitivelor din fig. 4.16 i 4.17. In cazul dispozitivelor din fig. 4.14, plcile pentru distribuirea lichidului 1, sunt prevzute cu evi 2, care ajung pn la nivelul umpluturii. Diametrul evilor de scurgere pentru variantele a i b, se alege astfel ca nivelul lichidului s se afle n permanen deasupra capetelor superioare ale evilor. Vaporii (gazul) sunt ndeprtai fie lateral (fig. 4.14 a), fie prin racorduri special prevazute n acest scop pe plac ( fig. 4.14b). Aria seciunii transversale, , a unei evi rezult din relaia debitului volumic de lichid: 1S

lv hgSzQ = 21 ( 4.11) n care: este coeficientul de scurgere; 8,0= z numrul evilor; nlimea coloanei de lichid deasupra evii.

lh

59

In cazul din fig. 4.14a capacul poate lipsi, dac procesul are loc la presiunea atmosferic, iar lichidul nu degaj vapori sau gaze, n condiiile regimului de lucru.

Spre a preveni nfundarea evile 2, se construiesc cu diametrul interior mai mare dect 15 mm. Lungimea evii se ia mai mare dect de 3 ori diametrul ei. In cazul deversrii libere a lichidului ( fig. 4.14 c ) evile 2, trebuie s aib diametrul mare ( 30 100 mm), deoarece lichidul si vaporii trec n contracurent prin aceleai evi. Tevile se dispun dup o reea hexagonal, ptrat sau circular. Spre a asigura o distribuie uniform a lichidului, capetele superioare ale evilor trebuie s se afle n acelai plan orizontal. Acest lucru este mai dificil de realizat n cazul coloanelor cu diametrul de 2 3 m. La aceste coloane se recurge la alte variante constructive, sau se construiete diametrul din segmente. Dispozitivul de stropire tip pianjen ( fig. 4.15 ) este o construcie robust, care se realizeaz la coloanele cu diametre ,5,2 mDi deoarece la diametrele mai mari devin prea grele. Deversorul zimat 2, amplasat ntre cilindrul central de alimentare 1 i nchiztorul hidraulic 3, de deasupra evilor de stropire 4, asigur linitirea i uniformizarea nivelului lichidului. Lichidul trece din 1 n spaiul inelar dintre 1 i 2 prin fereastrele a. Datorit nchiderii hidraulice, evile 4 funcioneaz n seciunea complet plin. In consecin, vaporii trebuie s fie dirijai, la un racord lateral care se afl sub dispozitivul de stropire. Debitul de lichid prin evile 4 se determin cu relaia (4.11) n care (fig. 4.15 ) - n cazul n care presiunea de deasupra i de dedesubtul dispozitivului e te aceeai.

hhl =

sghh

l

pl

= - cnd presiunile n cele dou spaii este diferit; , iar 21 ppp =

60

l este densitatea lichidului de pe taler. Plcile i talerele pentru distribuia lichidului se amplaseaz la m17,0 deasupra umpluturii.

Jgheaburile (fig. 4.16) se utilizeaz pentru distribuirea uniform a lichidului n coloanele cu diametru mare. Lichidul alimentat n jgheabul central 1, este repartizat n jgheaburile transversale 2, unde curge prin cdere liber, pin deversoarele 3 cu seciune triunghiular sau n unele cazuri, trapezoidal. Funcionarea corect a jgheaburilor este determinat de reglarea poziiei orizontale a

acestora. Vrfurile sau baza mic a deversoarelor trebuie s se afle n acelai plan ori ontal. Viteza lichidului n jgheaburi trebuie s fie mai mic dect 0,3 m / s. Jgheaburile se amplaseaz la 1,2 1,4 m deasupra umpluturii (sau a ultimului taler, n cazul coloanelor cu talere).

Dispozitivele de stropire din evi perforate (fig. 4.17) sunt eficiente i micoreaz mai puin dect celelalte dispozitive aria liber a seciunii transversale. Datorit pericolului nfundrii orificiilor, aceste dispozitive sunt recomandate pentru

stro nt

zpirea sub presiune a lichidelor curate, care au fost n prealabil filtrate. Diametrul orificiilor practicate n evi este de 3-6 mm. Distribuia uniform pe

reaga seciune transversal a coloanei se asigur prin alimentarea cu lichid a evii

61

inelare 1 ( fig. 4.17 a ) prin dou racorduri 3, diametral opuse. Tevile transversale 2, asigur stropirea i n zona central a coloanei. La alimentarea unidirecional ( fig. 4.17 b ) spre a asigura stropirea uniform, n special la coloanele cu diametru mare, este necesar ca diametrele orificiilor evilor a, de la captul opus alimentrii s fie mai mari dect al evilor din apropierea seciunii de alimentare. Dispozitivul de stropire cu ajutaje (fig. 4.18) se utilizeaz n aceleai condiii ca dispozitivele din figura 4.17.

Braele transversale ale acestui dispozitiv sunt prinse de eava central cu flane. Prin reglarea ajutajelor 1 se poate uniformiza debitul de stropire pe toata seciunea coloanei.

Dispozitive de stropire de tipul B Se utilizeaz dispozitive de stropire fixe sau rabatabile, a cror pies principal o constituie stropitorul care poate fi de form cilindric (fig. 4.19 a, c) sau semisferic (fig. 4.19 b) i care este prevzut cu orificii circulare (fig. 4.19 a si b) sau cu 6 - 8

62

fante dreptunghiulare (fig. 4.19 c ). Aceste elemente sunt dispuse n general n centrul coloanei la nlimea de 0, 7 1 m i mai mult deasupra umpluturii. Stropitorul din fig. 4.19 c, asigur stropirea pe o raz relativ mic, motiv pentru care n coloane cu diametrul mare se utilizeaz cteva asemenea piese. Orificiile se execut cu diametrul de 3 15 mm. Lichidul este alimentat sub o presiune de 1- 6 m col. H 2 O, de la o pomp sau vas de nivel. Funcionarea corect a acestor stropitoare are loc la debit constant al lichidului de stropire. La micorarea debitului, umplutura de lng perete nu va fi udat. La mrirea debitului peste cel optim, o parte din lichid va fi dirijat pe pereii coloanei. Stropitoarele sunt simple din punct de vedere constructiv i ieftine. Sunt utilizate la coloane cu diametre mari pn la 9 m. Se prefer soluiile constructive cu

orificii circulare, deoarece fantele dreptunghiulare se nfund uor. Dispozitivele de stropire cu deflector (fig.4.20) sunt simple din punct de vedere constructiv, permit stropirea unor debite mari de lichid i nu se nfund. Cea mai simpl construcie consta dintr-o eav 1, de care este sudat la o anumit distan discul deflector 2 (fig.4.20a). Lovindu-se de deflector lichidul se mprtie sub form de picturi n toate prile. Placa deflectoare (plan, bombat sau conic)este prevazuta cu orificii pentru a asigura i stropirea prii centrale a umpluturii. Pentru debite mari de lichid (50-200 m3/h) se utilizeaz stropitorul cu deflector multiplu (fig. 4.20 b)care are o raza de aciune de pn la 3m. Lichidul curge de pe elementele deflectoare (fig. 4.20b) sub forma unei pelicule care este ntrerupt de vaporii care 63

circul de jos n sus i o transform n picturi. Fiecare pelicul de acest fel asigura udarea umpluturii pe o distan radial de 0,3-0,6 m. Dispozitivele de stropire centrifugale sunt constituite dintr-un element rotitor pe care cade lichidul (fig.4.21). Datorit aciunii forei centrifuge, lichidul este raspndit sub form de picturideasupra umpluturii. Rotorul este constituit dintr-un arbore pe care este asamblat un disc stea.Acest dispozitiv nuasigur o stropire uniform pe seciunea coloanei. Un disc cu un diametru de 500mm la turaii de 48-190 rot./minasigur udarea pe o raz de 0,8-3m.

4.6.5. Racorduri pentru intrarea, redistribuirea i ieirea vaporilor (gazelor) i

pentru ieirea lichidului. Soluii constructive.

Racordurile prin care se introduc gazele ( vaporii ) trebuie astfel concepute nct s mpiedice intrarea direct a lichidului. In acest sens se adopt soluiile din

igura 4.22 a, captul racordului se taie nclinat fa de ax sau se prevd cu o f

degajare n partea inferioar i cu capac frontal (fig. 22distribuire sau redistribuire a vaporilor sau gazelor se ac Racordurile pentru ieirea vaporilor sau gazelormpiedecat trecerea mai departe (prin racord) a pictuvapori sau gaz. In acest scop, n calea vaporilor se prevn jurul intrrii n racord se prevd buzunare deschisprotectoare fixate n partea de jos (astfel ca n ele s nu de asemenea rol de separatoare de picturi ( fig. 4.24 )prevd n cazul antrenrii unor cantiti mari de picbuzunarele simple nu asigur reinerea picturilor (fig.4 Racordurile pentru ieirea fazei lichide trebuie slichid dar s mpiedice iesirea vaporilor sau gazelor. Lapresiune mic se utilizeaz nchiztoare hidraulice simppresiunile sunt mari se utilizeaza nchideri hidraulice din

b ). Racordurile talerelor de

oper cu capace (fig.4.23). se concep astfel nct s fie rilor antrenate de curentul de d separatoare de picturi, sau e n partea de sus, sau plci poat fi pstrat lichid) care au . Separatoarele de picturi se

turi i cnd deflectoarele sau .24). permit trecerea debitului de aparatele care funcioneaza la le (fig.4.25a). Cnd n coloan eav n form de U.

64

Partea inferioar a coloanei servete uneori i ca rezervor tampon, n care se gsete n permanen o cantitate de lichid. Aceasta permite cuplarea direct a coloanei cu pompa care evacueaz lichidul.

Diametrl racordurilor. Diametrul racordurilor se calculeaz n funcie de viteza admisibil a fluidului,

pe baza relaiei debitului masic:

wd

Q im

=

4

2 ( 4.12 )

n care: densitatea fluidului, diametrul interior al racordului, id w viteza admisibil a fluidului care depinde de rolul racordului, de diametrul su i de starea curentului de fluid. Pentru abur, viteza admisibil crete cu mrirea diametrului racordului. Diametrul racordului evii, mm 2,5 30 40 50 60 70 80 90

100

125

150

175

200

Viteza admis abur, m / s

12 13 15 17 19 20 22 23 25 25 25 27 27

La coloanele care funcioneaz la presiuni superioare celei atmosferice, viteza admisibil a fluidului pentru calculul racordurilor rezult cu aproximaie din relaia:

pw

w a= ( 4.13)

n care: - viteza admisibil la presiunea atmosferic, aw p - presiunea n da N / cm 2

65

5. CONSTRUCTIA APARATELOR TIP COLOANA 5.1 Construcia coloanelor cu umplutur Inlimea coloanei ca i forma sa depinde de soluia general adoptat. Astfel,

fierbtorul care prin evaporarea lichidului transmite vaporilor acestuia energia necesar nvingerii rezistenelor opuse pn la ieirea din coloan, poate face corp comun cu coloana, fiind amplasat n partea inferioar a coloanei (fig. 5.1 ) sau poate fi independent de coloan.

Condensatorul aparat tubular n care are loc condensarea fraciunii uoare care iese pe la vrful coloanei de rectificare, este n general independent de coloan. In anumite cazuri, condensatorul poate face corp comun cu coloana cu umplutur.

Corpul coloanei se construiete din oel laminat. In anumite cazuri, speciale oate fi utilizat fonta sau oelul turnat. Alegerea materialului pentru coloan depinde pde regimul de lucru i de agresivitatea mediului prelucrat. In unele cazuri se folosesc crmizi antiacide cu care se zidete n interior, corpul coloanei executat din oel carbon.

66

Coloanele emailate (fig.5.2) se construiesc n mod curent din tronsoane cu dimensiunile Di = 700; 800; 1000 mm i L = 2000 mm. Tronsoanele se asambleaz prin intermediul flanelor prinse cu uruburi cu agrafe. Inclzirea prii inferioare a coloanei se realizeaz prin intermediul cmii de nclzire cu care este prevzut (poziia 5 fig. 5.2). Grtarele 3 i 4 i talerele de distribuie a lichidului 2, sunt rezemate pe piese inelare a, prinse ntre flanele a dou tronsoane alturate. Pe suprafaa interioar a tronsoanelor emailate nu se poate fixa nici o pies a coloanei. Talerele de distribuie a lichidului 2 i grtarul 3, sunt construite din material ceramic. Grtarul 4, care are dimensiuni mai mari este din oel emailat. Ca material de etanare la strngerea inelelor sau a grtarului 4, ntre flanele emailate, se utilizeaz azbest sau teflon. Corpurile de umplere emailate, sau din material ceramic se aeaz pe grtarele coloanei . La montarea coloanei ca i n exploatare, spre a evita fisurarea emailului, racordurile emailate ale coloanei nu trebuie s fie solicitate de fore determinate de greutatea evilor, rezemare, etc.

5.2 Construcia coloanelor cu talere Figura 5.3 reprezint schematic o coloan cu 15 talere, n construcie sudat, format din corpul 1 i suportul cilindric de rezemare 2, fiind prevzut cu dispozitivul de ridicat 3, urechea de prindere 4, racordul 5, pentru ieirea reziduului, racordul 6 pentru golire, precum i cu gurile de vizitare 7 i 8, cu racorduri tehnologice, racord pentru aerisire i racord pentru termometru. Refluxul este introdus n coloan pe primul taler de la vrful coloanei, prin racordul 9, subansamblul corespunztor detaliului B este prevzut n figura 5.4. De la vrful coloanei, vapori sunt condui prin conducte de vapori la condensator, n cazul n care acesta este amplasat, chiar la vrful coloanei. Pentru coloanele foarte nalte aceast conduct vertical, lung, pune probleme deosebite din punct de vedere al prinderii i susinerii sale, al dilatrii termice i al prelucrrii acestor dilatri. Probleme asemntoare se pun i pentru conducte de reflux. O oarecare simplificare a acestor probleme se obine prin conducerea vaporilor spre baza coloanei, chiar prin intermediul coloanei printr-o conduct interioar. Aceasta poate fi format ntre peretele coloanei i o diafragm vertical, pe toat nlimea coloanei. Coloanele se prevd att cu racorduri tehnologice ct i cu racord de aerisire, racord i supap de siguran pentru a se evita producerea suprapresiunii Coloanele se monteaz fie direct pe fundaii prin intermediul suportului metalic aflat n prelungirea corpului coloanei, fie pe un postament supranlat de beton armat, cu gabarit de trecere de 2m. Coloanele de rafinare se monteaz pe platforme

67

nalte de 6 8 m. Deoarece aparatele tip coloan se caracterizeaz prin raport H / D mare, se impun msuri severe la fabricarea, montarea i exploatarea lor.

5.3 Corpul coloanei

Corpul coloanei se poate obine din virole sudate ntre ele, din tronsoane sudate sau turnate, prevazute cu flane si asamblate cu uruburi sau prezoane. Corpurile cilindrice executate din materiale cu plasticitate (otel sau metale neferoase), care lucreaz la presiuni de pn la 10 MN/m2, se realizeaz cu precdere din tabl prin vluire i sudare interioar. Corpurile cilindrice din oel pentru presiuni superioare celei de 10 MN/m2, se realizeaz n general prin forjare sau din tabl nfurat. Corpurile cilindrice din materiale fragile (fr plasticitate) pentru presiuni sub 0,8 MN/m2 se obin prin turnare i uneori cu prelucrare ulterioar a suprafeei interioare. Corpul cilindric i fundul aparatului se toarn odat.

Diametrul coloanei poate fi constant sau variabil pe nlimea sa. El depinde de desfurarea procesului fizic sau fizico-chimic n lungul coloanei. Corpurile

68

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

cilindrice se realizeaz cu diametrul interior corespunztor seriei normale de diametre (tabelul 5.1) Tabelul 5.1

Seria normal de diametre Dn 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2200 2400 2600Di 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2200 2400 2600

Corpul coloanei poate fi prevzut pe toat nlimea sau numai pe anumite

poriuni cu cmaa de nclzire sau de rcire. Indiferent de soluia constructiv a corpului coloanei, camaa se realizeaz din tronsoane. Aceasta depinde att de condiiile procesului de nclzire sau de racire pentru care este prevzut, ct i de stabilitatea corpului coloanei sub efectul presiunii exterioare din cmaa de nclzire sau de rcire.

Materiale

Corpul coloanei se poate realiza din oel laminat sau turnat, din font, precum i din materiale neferoase (cupru, aluminiu, etc.) sau nemetalice. Alegerea materialului de construcie depinde de parametrii regimului de lucru (presiune, temperatur), de agresivitatea chimic (gradul de coroziune) a substanelor care parcurg coloana, de gradul de puritate impus produsului (produsul obinut nu trebuie sa contin ioni ai metalelor din care este confecionat corpul), de posibilitatea de aderare a substanelor la pereii coloanei, de preul de cost al materialului etc.

La alegerea materialului se va ine seama i de procesul tehnologic de execuie a corpului coloanei. In cazul realizrii coloanei din virole sudate din tabl, materialul trebuie sa permit curbarea tablei n vederea obinerii virolelor (s aib plasticitate suficient), s aib sudabilitate asigurat, s nu duc n timpul sudrii la formarea unor carburi de crom, de nichel, care mresc fragilitatea cordonului de sudur, eventual sa nu necesite tratament al cordonului de sudur.

Tronsonarea

Grosimea corpului coloanei este determinat de intensitatea sarcinilor care acioneaz pe nlimea sa (sarcini seismice, sarcini eoliene, fore axiale, momente de ncovoiere etc.). Grosimea virolelor crete de la vrful coloanei spre baz ca urmare, corpul coloanei se obine prin asamblarea unor tronsoane de grosimi diferite, prin sudare sau demontabil (cu flane i uruburi). Greutatea unei coloane este influenat de grosimea peretelui acesteia. Ea poate fi micorat prin tronsonarea corespunztoare, ca i prin alegerea unui material de construcie de nalt rezisten.

69

PowerUserHighlight

PowerUserHighlight

Grosimile virolelor coloanei sunt constante pe nlime, grosimea lor crete de la vrful coloanei spre baza acesteia (fig.5.5). Corpul coloanei rezult deci din asamblarea unor tronsoane de grosimi diferite, prin sudare sau demontabil cu flane i uruburi. Tronsonarea optim a coloanelor, n special n cazul nlimilor mari ale acestora, poate duce la nsemnate economii de material. Tronsonarea optim, teoretic, rezult pe baza calculului de optimizare innd seama i de saltul de grosime ( S =12 mm a m d) de la o virol la alta. Tronsonarea optim efectiv ine seama i de limea de laminare a tablelor, Ll . Inlimea tronsonului este preferat s fie un multiplu al limii de calcul, L c a tablei. In general L c = L l L is , n care L s 0,12 m. Alegerea limii de calcul a tablelor influeneaz greutatea final a coloanei. Se apreciaz c la realizarea aparatelor de dimensiuni mari, supuse unor supranclziri repetate utilizarea tablelor cu lime de laminare mic L l 1,5 m duce la reduc