Proiectarea mecanică a unei coloane de fracționare

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Ideea de tip de coloană în industria chimică este asociată cu ideea de proces de transfer de substanţă sau masă (absorbţie, desorbţie, chemosorbţie, rectificare, extracţie, adsorbţie, etc.).

După extracţie petrolul brut este prelucrat în instalaţii speciale denumite uzual rafinării. În principal prelucrarea petrolului presupune distilare primară, urmată de reformare catalitică şi de cracare catalitică. Fracţiile rezultate au utilizări directe sau mai suportă şi alte procese de prelucrare denumite „chimizare”.

Prelucrarea primară foloseşte metode fizice de separare furnizează în principal carburanţi şi lubrefianţi. Prin distilare fracţionată la presiune atmosferică - distilare primară – se obţin mai multe tipuri de produse petroliere. Ele distilă şi se separă în anumite intervale de temperatură şi sunt amestecuri de mai multe componente (omologi şi izomeri) cu diferite utilizări.

Distilarea primară a ţiţeiului se face în instalaţii prevăzute cu coloane de fracţionare în care vaporii urcă de jos în sus, iar lichidul condensat coboară. În acest sistem au loc numeroase condensări şi evaporări pe talerele coloanei, la diferite nivele adunându-se fracţiunile dorite.

Fracţiunile uşoare rezultate la distilarea primară sunt tratate cu solvenţi selectivi care dizolvă numai hidrocarburile aromatice. Soluţiile obţinute sunt separate şi supuse distilării fracţionate. Prin acest procedeu se obţin hidrocarburi aromatice în stare pură.

Prin distilare fracţionată la presiune scăzută (distilare secundară) a păcurii se obţin lubrefianţi sau uleiuri minerale. Din păcura ţiţeiurilor neparafinoase sau asfaltoase se obţin uleiuri de uns obişnuite; din păcura parafinoasă, după îndepărtarea parafinei, se obţin uleiurile speciale pentru

motoarele autovehiculelor şi avioanelor. Reziduul acestei distilări îl constituie smoala sau asfaltul folosit în general la acoperirea şoselelor.

Prelucrarea secundară foloseşte metode fizico-chimice de prelucrare a unora dintre fracţiunile distilării primare. Produsele acestei prelucrări sunt: arene, alchine, alchene, cantităţi suplimentare de benzină, cocs petrolier.

În prezent, datorită economiei de spaţiu în plan orizontal şi creşterii capacităţilor de producţie, se manifestă tendinţa dezvoltării pe verticală a construcţiei de utilaje pentru industria petrochimică. Din aceste motive au fost concepute şi realizate sub formă de aparate de tip coloană, aparate destinate şi altor procese fizico-chimice decât procesele de transfer de masă. De exemplu, ideea dispunerii pe verticală, în coloană, a elementelor componente ale instalaţiilor a fost recent aplicată şi în domeniul proceselor de transfer de căldură.

Totuşi, marea majoritate a aparatelor de tip coloană care se întâlnesc în prezent în industrie, sunt utilizate pentru realizarea proceselor de transfer de masă (procese care necesită un contact intim între două faze: gaz-lichid, lichid-lichid, solid-gaz).

Forma coloanei este în prezent cilindrică şi este prevăzută cu amenajări interioare (talere, corpuri de umplere, serpentine) şi exterioare (scări, platforme, dispozitive de ridicat).

Amenajările şi echipamentele interioare favorizează transferul de substanţă, iar amenajările exterioare permit realizarea operaţiilor de întreţinere curentă,montarea sau demontarea amenajărilor interioare ale coloanei.

Pentru a asigura tipul de contact necesar realizării procesului dorit, coloana trebuie să aibă o anumită înălţime, care este un multiplu al diametrului. Din punct de vedere constructiv, paratele de tip coloană se caracterizează printr-un raport H/Di relativ mare (Di-diametrul interior, H-înălţimea coloanei).

În stadiul actual al tehnicii, costul aparatelor de tip coloană reprezintă în instalaţiile petrochimice, 10% din totalul investiţiilor.

Dacă se ţine seama de faptul că procesul pe coloană este determinat de caracteristicile fizice ale substanţelor prelucrate, de mărimi caracteristice procesului fizic sau fizico-chimic şi de construcţia amenajărilor interioare ale coloanei, devine evidentă importanţa calcului şi construcţiei optimea coloanelor.

Calculul complet al aparatelor de tip coloană cuprinde dimensionarea tehnologică şi dimensionarea mecanică a aparatului. Aceste două activităţi au în mod inevitabil zone de interferenţă.

Lucrarea de faţă are ca obiectiv dimensionarea mecanică optimă a unei coloane de fracţionare din instalaţia de distilare şi porneşte de la datele oferite de proiectul tehnologic al aparatului.

CAPITOLUL 2

PREZENTAREA CONSTRUCTIV FUNCŢIONALĂ A APARATELOR DE TIP COLOANĂ

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

În general, aparatul de tip coloană este cilindric cu acelaşi diametru interior sau cu diametre interioare diferite pe înălţimi (fig.2.1). Un aparat de tip coloană este construit din următoarele părţi principale: corpul coloanei, inclusiv sistemul de rezemare; echipamentul sau amenajările interioare; echipamentul cu amenajări exterioare.

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