Coloană de distilare sub vacuum

1. Tema lucrarii

Sa se proiecteaze din punct de vedere mecanic, la nivel de proiect tehnic, un aparat cilindric vertical. Datele de proiectare sunt prezentate in capitolul 3.

2. Prezentarea constructiv funcţională a aparatului

În industriile de rafinare a petrolului, chimică şi petrochimică, precum şi în alte industrii, se intîlnesc aparate tehnologice care, prin formă şi dimensiuni, intră în categoria aparatelor de tip coloana, aparate zvelte, cu raport relativ mare între înălţime şi diametru.

După extracţie petrolul brut este prelucrat în instalaţii speciale in cadrul rafinăriilor. 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 aparatele 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 se 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, aparatele 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 optime a 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.

Distilarea sub vacuum

Prin procesul de distilare in vid (DV) se realizează recuperarea unor cantitaţi maxime de distilate de o anumită calitate din păcura de distilare atmosferica (DA) supusă prelucrării.

În coloana de DV se realizează, sub vacuum, separarea amestecului lichid-vapori, care vine din cuptor, în distilate şi un rezidiu, avînd în vedere limitarea temperaturii la ieşirea din cuptor pentru a preîntîmpina descompunerile termice şi deteriorarea produselor.

Pentru o valoare dată a temperaturii în zona de vaporizare a coloanei, scăderea presiunii parţiale a hidrocarburilor are ca efect creşterea procentului vaporizat şi deci a cantităţii de distilate obţinute.

Coloanele de distilare în vacuum se deosebesc ca formă geometrică şi amenajări interioare de cele de distilare atmosferică.

Coloanele pentru obţinerea de uleiuri au un număr mai mare de talere (29 - 33) pentru a realiza o separare mai bună şi au diametrul de bază mai mic decît în zona de mijloc pentru a asigura un timp de staţionare mic (3-5 min) a rezidiului de vacuum, în scopul evitării cocsării zonei datorită temperaturilor mari.

Pentru limitarea antrenărilor, coloanele sunt prevazute cu demistere în zona de sub talerul de curgere a fracţiei de ulei greu, la vîrful coloanei deasupra primului taler, şi în zona de intrare a vaporilor în conductele de vîrf.

Coloanele sunt echipate cu talere de fracţionare cu clapeţi şi talere coşuri.

Coloanele mai noi sunt echipate cu talere cu clapeţi şi pachete de umplutură de tip „Glitch grid” aranjate în diferite combinaţii şi talere sită care dau o cădere mică de presiune şi au un preţ de cost scazut. Talerele cu clopoţei se utilizează din ce în ce mai rar.

Avînd în vedere importanţa menţinerii unei presiuni scăzute în zona de vaporizare de 50 – 90 mm Hg abs., talerele şi amenajările interioare trebuie să realizeze căderi mici de presiuni în comparaţie cu cele de la DA.

Zona de bază a coloanelor pentru obţinerea distilatelor este prevăzută cu talere de stripare şi are un diametru mai mic decît zona centrală, la fel ca şi la coloanele pentru obţinerea uleiurilor.

Coloanele de DV au diametre mai mari decît cele de DA; în baza coloanei de DV, diametrul este mai redus decît în restul coloanei pentru a micşora timpul de staţionare al rezidiului şi a evita descompunerile termice. De asemenea coloanele de DV, care nu scot produs de vîrf pot avea în partea superioară un diametru mai mic.

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