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.
Coloana se rezemă pe o virolă suport (coloana autoportantă) pe suporturi laterale sau este rezemată la diverse nivele. Corpul coloanei se realizează din materiale corespunzătoare condiţiilor de lucru, ţinând seama de tehnologia de fabricare posibil de a fi aplicată.
Interioarele coloanei au drept scop realizarea procesului fizic sau fizico-chimic propus. Acestea depind de tipul procesului fizic sau chimic care are loc în utilaj şi trebuie să satisfacă, prin formă şi dimensiuni, condiţiile pentru realizarea optimului funcţional.
Exterioarele coloanei au drept scop deservirea elementelor funcţionale ale coloanei (armături), accesul la gurile de vizitare şi control. Acestea sunt constituite din: scări, platforme, dispozitive de ridicat.
Aparatele de tip coloană ating astăzi înălţimi de peste 100m şi diametre de peste 15m. Grosimea peretelui coloanei în anumite condiţii de fracţionare poate ajunge la 20mm şi chiar mai mult.
Aparatele de tip coloană se montează în instalaţie fie independent fie în grup. În acest din urmă caz coloanele pot avea fundaţii independente sau fundaţie comună. La fel, platformele de deservire pot fi comune sau individuale.
La coloanele montate în grup, care necesită deservire la multe nivele, în locul platformelor prinse în corpul coloanei, se utilizează o construcţie metalică independentă (ca o schelă), care cuprinde toate coloanele, pe laturi şi pe înălţimi. Pe partea exterioară, coloana este prevăzută cu inele şi cleme pentru fixarea izolaţiei termice.
PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL APARATELOR DE TIP COLOANĂ PENTRU PROCESELE DE TRANSFER DE SUBSTANŢĂ
În majoritatea cazurilor coloanele pentru procesele de transfer de substanţă sau de masă, lichidul curge de sus în jos sub acţiunea gravitaţiei, iar gazul de jos în sus, sub influenţa presiunii. Interioarele coloanelor au drept scop crearea şi mărirea la maxim a suprafeţei de contact între faze. În acest scop: se umple coloana cu corpuri de umplere, peste care curge lichidul supus prelucrării (coloane cu umplutură), sau se pulverizează lichidul; se compartimentează coloana pe înălţime, cu ajutorul unor talere, pe care are loc fie barbotarea gazului prin lichid (coloane cu fracţionare cu regim de barbotare), fie pulverizarea lichidului de către gaz (coloană cu fracţionare in regim de picături sau de pulverizare).
În coloanele cu umplutură sau cu pulverizare, contracţia celor două faze variază continuu pe înălţime. În coloanele cu talere, variaţia concentraţiei fazelor se face în trepte, ale căror număr este egal cu cel al talerelor. Se întâlnesc şi coloane mixte, cu umplutură şu cu talere (exemplu: în industria sodei caustice, pentru recuperarea CO2 şi NH3).
În cele ce urmează vor fi tratate interioarele coloanelor destinate proceselor de transfer de substanţă. Nu vor fi tratate probleme legate de cazul numărului de talere teoretice.
În fig. 2.2. sunt prezentate cele două tipuri de coloane (cu umplutură şi cu talere). La 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 în jos.
Gazul G sau vaporii V trec de jos în sus prin stratul de umplutură şi ies cu compoziţia G1. Coloanele cu talere sunt prevăzute 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 se schimbă compoziţia lichidului şi a gazului.
Construcţia interiorului coloanei urmăreşte mărirea la maxim a suprafeţei de contact dintre faze. Umplutura şi talerele au în esenţă acest rol. Lichidul şi vaporii (sau gazele) circulă în general în contracurent.
CUPRINS
Capitolul 1
INTRODUCERE………………………………………………………..5
Capitolul 2
PREZENTAREA CONSTRUCTIV FUNCŢIONALĂ A APARATELOR DE TIP COLOANĂ…………………………………………………….9
Capitolul 3
CALCULUL DE PROIECTARE MECANICĂ AL COLOANEI……..30
3.1.Alegerea materialelor şi calculul tensiunilor admisibile……………31
3.2.Calculul de dimensionare al corpului coloanei……………………..37
3.2.1.Tronsonarea coloanei…………………………………………...37
3.2.2.Calculul de dimensionare al mantalei…………………………..38
3.2.3.Calculul de dimensionare al fundurilor semisferice…………….42
3.3.Alegerea racordurilor şi calculul de consolidare……………………45
3.4.Calculul asamblării demontabile prin flanşe………………………..52
Capitolul 4
EVALUAREA ÎNCĂRCĂRILOR ACCIDENTALE ŞI EXTRAORDINARE PE COLOANĂ…………………………………..59
4.1.Determinarea sarcinilor gravitaţionale……………………………...60
4.2.Determinarea perioadei oscilaţiilor proprii………………………….72
4.3.Evaluarea efectelor acţiunii vântului………………………………..90
4.4.Evaluarea efectelor acţiunii sarcinilor seismice…………………….98
Capitolul 5
CALCULUL MECANIC DE VERIFICARE LA REZISTENŢĂ ŞI STABILITATE………………………………………………………...103
5.1.Determinarea eforturilor unitare…………………………………...104
5.2.Verificarea condiţiilor de rezistenţă şi stabilitate………………….108
Capitolul 6
CALCULUL SISTEMULUI DE REZEMARE……………………….113
Capitolul 7
ANALIZA CONSTRUCTIVĂ A TIPURILOR DE AMENAJĂRI INTERIOARE DE LA COLOANE…………………………………...119
Capitolul 8
NORME TEHNICE DE SECURITATE A MUNCII LA EXPLOATAREA COLOANELOR ÎN INSTALAŢIE……………….130
Capitolul 9
CONCLUZII…………………………………………………………..136
Bibliografie…………………………………………………………139
