Aparate tip coloană în industria chimică

CAP.1. Caracterizarea aparatelor tip coloană

1.1. Definire şi elemente componente

Aparatele de tip coloană sunt recipiente cilindrice cu diametru mic comparativ cu înălţimea.

Considerarea unui utilaj ca aparat tip coloană, din punct de vedere mecanic, depinde de svelteţea sa caracterizată de înălţimea relativă.

Aparatele de tip coloană au ca scop realizarea unui anumit proces fizic sau fizico-chimic, caracterizat prin parametri de regim determinaţi. Se întâlnesc coloane care lucrează sub vid, la presiune atmosferică sau supra atmosferică (1-50 at.) şi la temperaturi de 500 – 600 o C (coloane de funcţionare în instalaţiile de cracare, reactoare şi generatoare pentru reacţii catalitice, etc.)

In industria chimică, în majoritatea cazurilor în aparatele de tip coloană au loc procese de transfer de substanţă (absorbţie, desorbţie, chemosorbţie, rectificare, extracţie, adsorbţie), motiv pentru care ideea de aparat tip coloană este asociată cu transferul de substanţă sau de masă.

În cazul proceselor de transfer de substanţă este necesar un contact intim între două faze : gaz – lichid, lichid – lichid; solid – gaz. Spre a asigura timpul de contact necesar realizării procesului dorit, coloana trebuie să aibă o anumită înălţime, care este un multiplu al diametrului.

In majoritatea coloanelor pentru procese de transfer de substanţă sau de masă, lichidul curge de sus în jos, sub acţiunea gravitaţiei , iar gazul sau vaporii de jos în sus, sub acţiunea presiunii. Interioarele coloanelor au drept scop crearea şi mărirea la maxim a suprafeţei de contact între faze. In acest scop se umple coloana cu corpuri de umplere, peste care curge lichidul supus prelucrării sau se pulverizează lichidul (coloane cu umplutură). In alte cazuri se compartimenteaza coloana pe înălţime, cu ajutorul unor talere, pe care are loc fie barbotarea gazului prin lichid (coloane cu funcţionare în regim de barbotare), fie pulverizarea lichidului de către gaz (coloane cu functionare în regim de picături sau de pulverizare). In coloanele cu umplutură sau cu pulverizare, concentraţia celor două faze variază continuu pe înălţime. In coloanele cu talere variaţia fazelor se face în trepte ale caror numar este egal cu cel al talerelor. Există şi coloane mixte, cumplutură şi cu talere, de exemplu în industria sodei caustice pentru recuperarea CO2 şi NH3.

Se intalnesc în principial două tipuri de coloane: cu umplutură şi cu talere.In interiorul coloanei cu umplutură se află un număr de grătare pe care se aşează câte un strat de corpuri de umplere. Lichidul L trece prin aceste straturi, curgând de sus in jos şi iese cu compozitia L1. Gazul G sau vaporii V trec de jos în sus prin stratul de umplutura şi ies cu compoziţia G1.

Coloanele cu talere sunt prevăzute în interior cu talere situate la o anumită distanţă H, între ele. Lichidul trece de sus în jos de la un taler la altul, iar gazul de jos în sus, pe taler schimbându-se atât compoziţia lichidului cât si a gazului.

Construcţia interiorului coloanei urmăreşte mărirea la maxim a suprafetei de contact dintre faze. Umplutura şi talerele au acest rol. Lichidul şi vaporii (gazele) circulă în general în contracurent.

Ideea dispunerii pe verticală, în coloană a elementelor componente ale instalaţiilor a fost aplicată şi în domeniul proceselor de transfer de căldură (coloane de evaporare).

Construcţiile de aparate de mare capacitate, prevăzute cu dispozitive de amestecare, ce se caracterizează prin raport H/Di mare se încadrează în categoria aparatelor tip coloană.

In general aparatul tip coloană este cilindric cu acelaşi diametru interior, sau diametre diferite pe înălţime. Un aparat tip coloană este construit din

următoarele părţi principale: corpul coloanei, inclusiv sistemul de rezemare, amenajările interioare (interioarele); amenajările exterioare (exterioarele).

Amenajările sau echipamentele interioare favorizează transferul de substanţă, iar amenajările exterioare permit realizarea operaţiilor de întreţinere curentă, montarea sau demontarea interioarelor coloanelor.

Amenajările interioare pot fi: talere, corpuri de umplere, serpentine, iar cele exterioare : scări, platforme, dispozitive de ridicare.

Corpul coloanei (aparat tip recipient) se realizează prin sudare din virole (cilindrice sau cilindrice şi tronconice) sau se asamblează din virole (sudate sau turnate) prevăzute cu flanşe.

Coloana se rezeamă pe o virolă suport (coloană autoportantă), pe suporturi laterale sau este rezemată la diverse niveluri. Corpul coloanei se realizează din materiale corespunzătoare condiţiilor de lucru, ţinând seama şi de tehnologia de fabricare posibil a fi aplicată.

Grosimea peretelui coloanei în anumite condiţii de funcţionare (presiuni şi temperaturi mari) poate ajunge până la 120 mm. In funcţie de diametrul şi înălţimea coloanei precum şi în funcţie de valoarea parametrilor de regim grosimea pereţilor poate avea valori ce variază între 4 şi 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 în utilaj si trebuie să satisfacă, prin formă şi dimensiuni condiţiile pentru realizarea funcţionării optime. Alegerea tipului de amenajări interioare se face în functie de asigurarea unui debit de lichid (L), corespunzător unei densităti de stropire mai mare decât o valoare minimă de 10-12 m3/m2 h.

Exterioarele coloanei au drept scop deservirea elementelor funcţionale ale coloanei (armături), accesul la gurile de vizitare şi control, etc. Acestea sunt constituite din: scări, platforme, dispozitive de ridicat, etc.

Aparatele tip coloană pot atinge înălţimi de peste 100 m şi diametrul de peste 15 m.

Aparatele tip coloană se montează în instalaţii fie independent, fie în grup. In acest din urmă caz coloanele pot avea fundaţii independente sau comune. De asemenea platformele de deservire pot fi commune, sau individuale. La coloanele montate în grup, care necesită deservire la multe niveluri, în locul platformelor prinse la corpul coloanei, se utilizează o construcţie metalică independentă (ca o schelă) care cuprinde toate coloanele, pe laturi şi pe înălţime. Pe partea exterioară coloana este prevăzută cu inele şi cleme pentru fixarea izolaţiei termice şi ignifuge.