Aparate cilindrice verticale de tip coloana

Aparate cilindrice verticale de tip coloana

1. Prezenatrea generala a aparatelor de tip coloana.

Subsisteme. Iinteractiuni

Aparatele de tip coloana, din puncutul de vedere mecano-structural, ca fiind apate tehnologice cilindrice verticale zvelte, amenajate la interior cu echipamente si dizpozitive conforme proceselor tehnologice de transfer (de masa, mai recent si de caldura) in care sunt implicate, amenajate la exterior cu echipamente si dispozitive de acces, supraveghere tehnica si montare, la orice nivel, amplasate sub cerul deschis, cu rezemari la nivelul terenului amenajat si/sau intermediare pe inaltime, asigurate la actiuni exterioare (climatice, eoliene, seismice etc.) prin structuri de rezistenta autoportante, in sistem ghidat sau mixte.

Pentru a asugura timpul de contact intre faze, necesar realizarii procesului tehnologic urmarit, coloana trebuie sa fie dimensionata cu o anumita inaltime si un anumit diametru interior tehnologic. Din punctul de vedere constructiv, aparatele de tip coloana se caracterizeaza - de cele mai multe ori - printr-un siplex dimensional H/Dit relativa mare, denumit coeficient sau inaltime totala, gabaritica a aparatului, in mm).

Anticipand relevarea unor subansambluri ce vor fi abordate ulterior, in figura 6 se reda schita constructiv-functionala a aparatelor cilindrice verticale tip coloana apeland la 26 de reprere.

Introducand conceptul de subsistem, functionarea aparatelor de tip coloana (FAC) este determinata de interactiunea a minimum zece subsisteme, redate in ecuatia structurala din figura 7, dupa cum urmeaza:

• Subsistemul coloanei propiu-zise sau corpul coloanei simbolizat cu CC (reperele 2, 3, 4 in figura 6);
• Subsistemul de rezemare, piciorul de rezemare sau suportul coloanei, simbolizat cu SC (reperele 6, 7, 8, 9 in figura 6);
• Subsistemul amenajarilor (echipamentelor) interioare, conforme produselor tehnologice de tranfer de masa si/sau de caldura, simbolizate cu AI (reperele12 . 14 in figura 6);
• Subsistemul amenajarlor (echipamentelor) exterioare, simbolizate cu AE (reperele 21, a, c, c; 22, a, b; 23 si 24 in figura 6);
• Subsistemul mediului tehnologic (sau de lucru), simbolizat cu MT (reperele 25, a, b in figura 6);
• Subsistemul conexiunilor exterioare ale aparatului, simbolizat prin CONEX, incluzand, in principal, conductele: laterale (prizele), de varf si de fund (reperele 10 , a, ., b; 19 si 20 in figura 6);
• Subsistemul de asigurare la actiuni exterioare (climatice, eoliene sau seismice) a aparatului sau subsistemul de protectie (reperele 2, 3, 4, 6, 7, 8, 15 si 16 in figura 6), simbolizat prin SP;
• Subsistemul fundatiei (circulare sau inelare) din beton armat (reperul 5 in figura 6) simbolizat prin SF;
• Subsistemul terenului de fundatie (reperul 26 in figura 6) cu simbolul TF;
• Subsistemul actiunilor exterioare climatice (C), eoliene (V) si seismice (S) notate cu ACEX.

Figura 6. Schita constructiv functionala a unui aparat de tip coloana

1 - nevelul terenului amenajat (betonat); 2 - mantaua cilindrica; 3, 4 - fundul/capacul inferior/superior; 5 - fundatia din beton armat; 6 - pici 12312b19m orul cilindric sau fusta suportului de rezemare; 7 - inelul de reazem pe fundatie; 8a - contrainelul dispozitivului de ancorare; 8b - nervurile (placile radiale, guseele) de consolidare si rigidizare; 9 - suruburile de ancorare in fundatie; 10a - conducta de fund pentru aerisire si termometu; 11 - gura de vizitare fasra capac (Dn ≥ 450 pentru acces in spatiu de rezemare; 12 - amenajari interioare (s-a redat varianta amenajarii cu talere-sita → 12,a, deversoare interioare →12,b si preaplin → 12,c); 13 - inele de sustinere a talerelor, confectionate din profiluri metalice corniere cu aripi egale sa inegale, haftuite sau sudate etans la peretele metalic al coloanei; 14 - suruburile cu capac cican pentru fixarea talerelor pe inelele 13; 15 - sistemul constructiv termoizolant al coloanei, care, de regula, se realizeaza din saltele de vata minerala sau de sticla, fixate prin cleme sudate pe manta si prin intermediul unor inele de rezemare ale instalatiei de sustinere) pe care se rezeama, liber, panourile termoizolante; piciorul coloanei nu se izoleaza termic, in schimb, din motive de securitate tehnnica, se betoneaza antifoc cu un strat de beton cu grosimea de s = 20 . 40 mm, aplicat pe rabit; 16 - protectia anticlimatica, etansa fata de mediul inconjurator, realizata din tabla galvanizata imbinataprin falturi; in instalatiile petrochimice moderne, din motive ergonometrice, protectia anticlimatioca este vopsita in culori pastel, in prezentexistand chiar tentativa de standardizare a culorilor; 17 - gurile de vizitare (GV), practicate decalat sau dupa o elice cilindrica, la 3 . 4 (5 . 6) talere si inaltimea unui stat de om (1,2 . 2.0 m); 18 - racordurile conductelor care pot fi: de fund (pentru conductele 10a, b, c), de varf (pentru conductele (prizele) laterale; 20 - conducta de varf sau priza de varf (de regula, preia faza de vapori); la diametre tehnologice interioare mari, se utilizeaza doua-trei prize de varf; 21 a,b,c - podestele de tip sector, circulare si, respectiv, de varf (platforme de varf); 22 a,b,c - scarile de acces la un podset la altul, inclinate, pisica (cand sunt la inaltime - de lungime) de peste 2 000 mm

au cos de protectie), respectiv elicoidale (la coloanele de fractionare sub vacum, de regula, la coloanele cu dioametre mari); scarile inclinate si elicoidale au balustrade, cu inaltimea h = 1200 mm, fiind prevazute cu mana curenta; 23 - platforme de odihna (se prevad in cazul in care scarile au lungimi mari intre doua podeste); 24 - sistemul de ridicare, cu scripete sau macara pisica (de tip monorai); 25 - circulatia celor doua faze aflate in procesul de tranfer de masa (25 a - traseul vaporilor, 25 b - traseul lichidului); 26 - terenul de fundare.

2. Clasificarea aparatelor de tip coloana

2.1. Criteriul functiei tehnologice dominante

Functia tehnologica dominanta a aparatelor de tip coloana in realizarea produselor de transfer de masa intre doua faze, cum ar fi vapori (gaze) - lichid, lichid - lichid sau solid - gaze. Corespunzator proceselor tehnologice in care sunt implicate aparatele de tip coloana, exista o mare varietate constructi-functionala de coloane industriale, cum sunt cele de distilare, de fractionare de rectificare, de extractie etc., denumirea lor fiind impusa de procesul de transfer de substanta aplicat. In grupa generala a aparatelor tehnologice de tip coloana sunt incluse, de asemenea, absorberele si desorberele, adsorberele, vaporizatoarele, deflegmatoarele, scruberele (coloanele de spalare), contractoarele (camerele de contact), stabilizatoarele, camerele de cocsare, anumite aparate de speta reactoarelor tehnologice (cum sunt cele de hidrofinare, alchilare etc.) si corpul unora dintre acestea fiind absolut cav.

In industria chimica si petrochimica moderna, exista tendinta extinderii conceptiei structurale de dispunere pe verticala, in coloana, a subansamblurilor si elementelor componente ale instalatiilor destinate si altor procese fizoco-chimice decat cele de transfer de masa, cum este in domeniul peoceselor de transfer de caldura. Aplicarea acestei conceptii structurale se soldeaza cu realizarea unor structuri compacte, suple, estetice si, totodata, conduce la obtinerea unor economii de spatiu - in plan orinzontal - considerabile. Amplasarea pe verticala a maselor, implica insa si unele masuri suplimentare de protectie a structurii de rezistenta la actiuni climatice, eoliene si seismice, fata de o instalatie similara clasica.

2.2. Criteriul modului de realizare a contactului intre faze

In general, in aparate de tip coloana pentru procese de tranfer de masa, un mediu tehnologic, in faza lichida sau solida, se deplaseaza de sus in jos sub actiunea gravitatiei, respectiv sub actiunea unui grup motor-rector cu palete, iar cel de-al doilea mediu tehnologic, implicat in procesul de transfer de masa, aflat in faza de vapori (gaz) sau lichida, se deplaseaza de jos in sus, sub influienta presiunii. Amenajarile interioare au drept scop crearea si marirea la maximum a suprafetei de contact intre faze. Din acest punct de vedere, coloanele pot fi realizate in trei alternative:

regim de taler umed (ABC), corespunzator vitezelor mici ale vaporilor (gazului);

regim de barbotare (CD) ce se formeaza pe masura ce viteza vaporilor creste in circumstantele cresterii rezistentei hidraulice a talerului;

regim de emulsionare (DE), caracterizat prin disparitia aproape totala a stratului de lichid in favoarea spumei in interiorul careia au loc miscari turbionare;

regim de valuri (EP), corespunzator vitezelor mari ale vaporilor ce strabat stratul de lichid si spuma, formandu-se efectul val.

Figura 10

Talere - sita din tabla perforata: 1 - talerul propizis (de tip placa perforata); 2 - orificiile circulare; 3 - puntile metalice ale talerului; 4 - lichidul nespumat pe taler; s - grosimea de perete a talerului, in mm; d_o - diametrul perforatiilor (orificiilor), in mm; t - pasul perforatiilor, in mm; h₁ - inaltimea lichidului nespumat pe taler, in mm.

Valorile dimensiunilor caracterizate uzuale ale talerelor-sita

Tabelul 4

Distanta dintre talere-sita orizontale

Tabelul 5

Perforatiile (orificiile) se dispun dupa o repartitie in triunghi echilateral (figura 10) sau in patrat (figura 13, a). Repartitia in triunghi echilateral (figura 10), confera echipamentului o suprafata libera (activa) (S_r) mai mare.

Talerele-sita se executa in trei variante:

a)      talere-sita fara deversor (fig. 10, 11, 12);

b)      talere-sita cu deversor (fig. 13,b; 14; 15);

c)      talere-sita verticale (figura 16)

a)Talerele-sita fara deversoare (numite si talere cu cadere) pot fi plane (fig. 10; 13,a) sau ondulate (fig. 11; 12), dupa forma deschiderilor fiind cu orificii circulare (figura 10) sau cu fante lungite (figura11,b).

Talerele-sita fara deversor au avantajul ca simplifica constructia talerului si permit utilizarea intregii sale suprafete la procesul de tranfer de substanta. In conseciinta, viteza vaporilor in sectiunea libera (W_o, in m/s) si debitul unei asemenea coloane sunt de 1,5 . 3,0 ori mai mari decat au unei coloane cu talere cu clopote, pentru acelasi numar de talere (n) si acelasi diametru interior tehnologic (D_it). Datorita acestor performante, talerele-sita fara deversor, sunt utilizate atat la coloanele care lucreaza la presiune atmosferica cat si sub vacum.

Talerele ondulate se fabrica cu "ondulatii" triunghiulare (figura 12), dreptunghiulare si sinusoidale. Deoarece ondulatiile realizeaza o rigidizare transversala a talerului (prin efectul de "cuta"), echipamentul nu necesita grinzi de rezemare (in cazul coloanelor cu diametru interior tehnologic D_it mai mic decat 3000 mm). Talerele ondulate se construiesc dintr-o bucata, la coloanele cu diametru interior mare.

Totodata, din punct de vedere tehnologic, talerele ondulate, permit functionarea cu debite mari ale fazelor.

Figura 11

Coloana cu talere-sita ondulate: a - sectiunea longitudinala; b - detaliu de taler cu fante lungite (vedere din a); 1 - talerul ondulat cu "ondulatii" sinusoidale; 2 - peretele metalic al corpului coloanei; 3 - fatele lungite: l₁, l₂ - dimensiunile fantelor (l₁ = 3 - 8 mm; l₂ = 60 - 200 mm).

Figura 12

Tipuri de talere ondulate: a - cu ondulatii triunghiulare; b - cu ondulatii dreptunghilare; c - cu ondulatii sinusoidale.

b)          Talere-sita cu deversoare se fabrica in variantele: cu deversor la interior (sunt cele mai raspandite, fig 13, b si 14); cu deversor la exterior (sunt aplicate in cazul coloanelor din fonta pentru prelucrarea suspensiilor, figura 15).

La coloanele cu deversoare lichidul curge pe talerul superior prin tubul deversor, parcurge suprafata talerului, trece peste prag deversor care mentine o anumita inaltime de lichid pe taler merge - prin tubul deversor - pe talerul inferior. Tubul deversor imersat in lichid in lichidul de pe talerul inferior, formand o inchidere hidraulica, astfel impiedicandu-se trecerea vaporilor (gazelor) de la un taler la altul.

Figura 13

Talere sita:

a - fara deversor;

b - cu deversor;

1 - talerul-sita plat cu orificii;

2 - tubul deversor;

3 - orificiile circulare.

c)          Talerele-sita verticale. Acestea se construiesc cu deversoare inclinate (figura 16,a), respectiv cu deversoare orizontale (figura 16, b). Partile principale ale coloanelor cu taler vertical (figura 16) sunt:talerul vertical (1), deversoarele (2), camerele de contact (lucru) dintre faze (3). Lichidul curge - sub forma unei pelicule subtiri - pe talerul sita vertical, iar faza de vapori (gaz) trece prin orificiile talerului-sita, realizandu-se transferul de masa, ca urmare a barbotarii vaporilor (gazului) in masa de lichid. Lichidul acumulat in deversor trece prin orificiile talerului si uda peretele talerului pe partea opusa, corespunzator camerei de lucru inferioare. Prin schimbarea cu 180^o a directiei vaporilor (gazului), picaturile de lichid antrenate sunt separate in fiecare camera de lucru.

Figura 14

Coloana cu talere-sita cu deversoare interiare:

1 - talerul superior; 2 - tubul deversor interior; 3 - orificiile (perforatiile) talerelor; 4 - talerul Inferior; 5 - pragul deversor; 6 - sistemul de inchidere hidraulica; 7 - peretele metalic al corpului coloanei; 8 - sistemul de rezemare, asamblare si etansare a amenajarilor interioare; L - lichidul; V - vaporii; S - spuma; H - distanta dintre talere; H_d - ianltimea lichidului in conducte deversoare; h₁ - inaltimea lichidului nespumat de pe taler; ∆ - denivelarea determinata de "gradientul hidraulic".

Figura 15

Coloana cu talere-sita cu deversoare exterioare:

- reperele 1, 3 . 7, L, V - au aceleasi semnificatii ca in figura 14; 2 - deversoare amplasate la exterior.

Figura 16

Coloana cu talere sita verticale:

a - deversorinclinat; b - cu dfeversor orizontal; 1 - talerul vertical (de tip placa dreptunghiulara cu orificii); 2 - deversoarele; 3 - camerele de contact intre faze; 4 - corpul coloanei.

Talere cu clopote:

Aceste talere echipeaza peste 40% dintre aparatele de tip coloana, amplasate pe platforme chimice si petrochimice din tara, remarcandu-se prin eficacitatea si flexibiliatea lor in utilizare. In figura 17 este redata schita constructiv-functionala (de principiu) a unui taler cu clopote (in limbaj pactic - clopotei).

In principiu, talerele cu clopote functioneaza, ca si talere-sita cu deversoare la exterior (figura 14), circulatia lichidului de la un taler la altul facandu-se prin deversor. Clopotele reprezinta elementele principale ale talerului. Ele se deosebesc prin forma, dimensiuni, mod de asamblare, material si procedeu de executie (fabricare) etc. Capacele clopotelor sau clopotele propiu-zise pot avea formle (figura 18): circulare, cu fante dreptunghiulare sau zimti; dreptunghiulare; lungite (tunel); hexagonale s.a.

Figura 17

Schita constructiv-functionala a unei coloane cu clopote:

1 - talerul superior propiuzis (de tipul placa tubulara perforata cu orificii consolidate); 2 - tubul deversor interior; 3 - clopotul demontabil, alcatuit din: 3,a - niplul (stutul), 3,b - capacul, 3,c - fantele sau zimtii; 4 - talerul inferior; 5 - preaplinul (pragul deversor); 6 - inchiderea hidraulica; 7 - peretele metalic al corpului coloanei; 8 - sistemul de rezemare, asamblare si etansare a amenajarilor interioare; 9 - sistemul de fixare a clopotului; L - lichidul; V - vaporii; S - spuma; l_o - distanta dintre talere; H, h_l, h_d - aceleasi semnificatii.

Figura 18

Tipuri de capace pentru clopote: a - circulare, cu zimti; b - circulare, cu fante; c - lungite (tunel); d - dreptunghiulare; e - hexagonale.

Clopotele dreptunghiulare sunt recomandate in cazul mediilor tehnologice cu impuritati, pentru care coloana trebuie curata des, acest tip de clopot avand avantajul ca, la aceeasi suprafata activa a talerului, necesita un numar mai mic de clopote si, in conseciinta, se monteza-demonteaza mai usor, fata de alte tipuri, in schimb, clopotele rotunde obisnuite au o flexibilitate mai buna, se pot distribui uniform pe taler si obtin o eficienta mai mare a talerului. In figura 20 este redata consdtructia unui taler cu clopote circulare (rotunde) cu fante, figura 20a, este redat detaliu constructiv al unui clopot circular cu fante, in figura 20b, este prezentat acelasi clopot (executat din otel carbon) deteriorat, prin coroziune masiva, strapuns, datorita actiunii distructive a mediului tehnologic puternic coroziv (care implica prezenta sulfului). Asa cum se observa si din figura 20b, in primul rand se distrug clopoteii (clopotele), niplurile (stuturile acestora), tubulaturile deversoare si, uneori, insusiclopotul propiu-zis (de tp placa tubulara perforata cu orificii consolidate) al talerului (figura 13).

Corpul coloanelor cu talere u clopote (substructura CC) se fabrica din otel, fonta, cipru etc, intr-un spectru larg de diametre:

corpul coloanei din otel D_it = 400 - 500 mm;

corpul coloanei din fonta D_it = 1000 - 2400 mm;

corpul coloanei din cupru D_it = 300 - 2000 mm.

Dintre talerele cu clopote, mai utilizate sunt cele cu clopote rotunde si cele cu clopote tunel. Diametrul exterior al clopotelor rotunde este cuprins intre d = 50 - 150 mm, fiind corelat cu diametrul tehnologic al coloanelor D_it (tabelul 6).

Figura 19:

Constructia unui taler cu clopote circulare (rotunde) cu fante dreptunghiulare si dersor central: 1 - talerul propiu-zis (de tip placa tubulsrea perforata co oricficii consolidate prin stuturi); 2 - clopotelul (clopotul) propiu-zis, de tip capac circular cu fante dreptunghiulare; 3 - tubul deversor central; 4 - suprafata aferenta (ocupata) de deversorul lateral al talerului superior de areie S_d, in mm².

Fiura 20

Clopot circular (rotund) cu fante dreptunghiulare: a - contructia clopotului in stare de functionare; b - clopotul circular in stare deteriorata prin coroziune masiva; 1 - clopotul propiu-zis demontabil; 2 - niplul (stutul) pentru intrarea vaporilor; 3 - fanta dreptunghiulara; 4 - surubul de fixare; 5 - piulita de fixare.

Tabelul 6: