АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Насадочные абсорберы

Наиболее широкое применение в промышленности в качестве абсорберов нашли башни и колонны, запол­ненные насадкой, по которой жидкость стекает сверху вниз навстречу поднимающемуся газу.

Такие абсорберы изготовляют, с учетом хими­ческих свойств обрабатываемых газов и жидко­стей, из стали, свинца, кислотоупорных камней и керамики.

На рис. 331 представлен керамический абсор­бер. Он собран из керамических царг 1 и имеет внутри решетки 2, на которые укладывается насадка (в дан­ном случае керамические кольца). Газ подводится к абсорберу через нижний штуцер 3 несколько выше днища, чем предотвращается попадание жидкости в газопровод. Жидкость подается к абсорберу через от­верстие 4 в крышке и поступает на распределительную тарелку, снабженную отверстиями для прохода газа и отверстиями для прохода жидкости. Газ протекает по абсорберу снизу вверх и удаляется через штуцер 5, жидкость же про'іекает сверху вниз. Абсорберы. дан­ного типа применяются в установках относительно небольшой производительности. В установках большой производительности, например в производстве азотной кислоты, абсорбционные башни изготавливают из кис­лотоупорных естественных камней—андезита, или из стали с футеровкой внутри кислотоупорной керамикой.

При конструировании насадочных абсорберов очень важно предусмотреть равномерное по всему сечению аппарата орошение насадки жидкостью. Наиболее надежным в этом отношении являет­ся установка в абсорбере решеток, как показано на рис. 331.

Схемы абсорбционных установок. Движение жидкости и газа в аб­сорбере происходит обычно противотоком; газ проходит через абсорбер
снизу вверх, а жидкость стекает сверху вниз. Так как при противотоке уходящий газ соприкасается со свежим поглотителем, над которым пар­циальное давление поглощаемого компонента равно ^уДЮ» то можно до­стичь более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при пря­мотоке, когда уходящий газ соприкасается с уже концентрированным рас­твором поглощаемого газа в жидкости; кроме того, при противотоке можно получить и более высокое насыщение поглотителя компонентом, т. е. получить более концентрированные растворы компонента в поглотителе.

Абсорбции, а также для повышения плотно­сти орошения в насадочных абсорберах ча­сто применяют схему с рециркуляцией по­глотителя (рис. 332); вытекающий из абсор­бера 1 поглотитель насосом 2 через холо­дильник 3 снова подается в абсорбер. Ис­пользованный поглотитель частично отво­дится, а взамен вводится соответствующее количество свежего поглотителя.

Следует указать, что рециркуляция jocy^inaej извлечение компонента из газо­вой смеси, так как при этом повышается кон­центрация поступающей на орошение абсор­бера жидкости.

Часто вместо установки одного высокого абсорбера используют несколько абсорберов, соединенных последовательно, (как по газу, так и жидкости). На рис. 333 показана схема последовательно соединенных
абсорбер. Выводимая из цикла жидкость поступает в цикл орошения сле­дующего по ходу жидкости абсорбера. Из последнего (по ходу жидкости) абсорбера жидкость через теплообменник направляется в отгонную ко­лонну, где освобождается от растворенного газа. Регенерированный по -

Глотитель поступает из отгонной колонны в теплообменник, где от­дает тепло жидкости, направляемой на десорбцию, и далее через холо­дильник возвращается в цикл орошения первого (по ходу жидкости) абсорбера.

^Насадки. Для того чтобы колонна работала эффективно, заполня­ющая ее насадка должна удовлетворять следующим требованиям:

1) Обладать большой поверхностью, на единицу объема (м2/м3)',

2) Иметь большой свободный_ объем, в котором осуществляется контакт между жидкостью и* паром;"'

3) Оказывать малое сопротивление газовому потоку;

4) Жидкость и мельчайшие"твердые частицы не должны скапливаться в некоторой части объема насадки; жидкость не должна протекать между насадкой и стенками аппарата;

5) Материал насадки должен быть стойким к химическому воздей­ствию жидкости и газа, находящимся в' колонне;

6) Иметь малый удельный вес;

7) Обладать высокой механической прочностью при отсутствии зна­чительных боковых давлений.

При этом стоимость 1 м2 эффективной поверхности должна быть невысокой.

Вначале в качестве насадочных тел широко применяли дробленый кокс и кварц, которыми беспорядочно заполнялся объем аппарата. Этот вид насадки обладает рядом существенных недостатков (большой вес, незначительное живое сечение, недостаточная механическая прочность и др.); однако благодаря химической стойкости, дешевизне и доступно­сти дробленый кокс и кварц иногда используют в качестве насадки и в настоящее время.

Наиболее распространенным видом насадки являются специально приготовленные насадочные тела различной (иногда довольно сложной) формы, обеспечивающие более равномерное орошение поверхности на­садки и сравнительно длительное соприкосновение жидкой и газообраз­ной фаз. К числу их относятся широко распространенные кольца, а также шары, пропеллерная, седлообразная, хордовая и другие насадки (рис. 335).

Наиболее распро­странена кольцевая на­садка; кольца загружают в колонну беспорядочно или укладывают правиль­ными рядами (кольца боль­ших размеров).

К числу правильно укладываемых насадок от­носится также деревянная хордовая насадка, состо - . ящая из * поставленных на ребро досок (рис. 335, VII).

В табл. 22 приведены характеристики важней­ших видов насадок.

При выборе насадки учитывают достоинства и недостатки различных ти­пов для того, чтобы принять для данного конкретного случая наиболее эффективную.

На заводах химической промышленности насадочные колонны за­полняют главным образом кольцами, изготовленными из керамики. Эти кольца обладают высокой стойкостью к воздействию кислот, кислых газов и других химически агрессивных вєщєсте.

Оптимальный режим работы насадочных колонн. Производитель­ность насадочных колонн определяется скоростью газа, отнесенной к свободному сечению колонны; скорость же газа зависит от максимально допустимой нагрузки колонны по газу. Наибольшая производительность, г' очевидно, будет при максимальной или предельно допустимой нагрузке колонны.

В так называемой пленочной теории массообмена Льюиса и Уитмана (которой до последнего времени. пользовались при исследовании диф* фузионных процессов) массообмен рассматривается как процесс, опре­деляемый явлениями молекулярной диффузии: но при этом не учитывается конвективный обмен, возникающий при взаимном течении двух фазовых потоков в колонных аппаратах. По этой теории возможность существо­вания режима развитой турбулентности потоков в колонне исключа­ется, поэтому и не указываются пути интенсификации диффузион­ной аппаратуры.

В. В. Кафаров на основе анализа уравнений молекулярной и кон­вективной диффузии и их совместного решения предложил схему массо­обмена в колоннах с насадкой и разработал метод определения оптималь­ного режима работы колонн, позволяющий значительно интенсифици­ровать диффузионные процессы.

По этой схеме передача массы и энергии в колоннах с насадкой определяется не только молекулярным обменом, зависящим от физиче­ских свойств фаз, взаимодействующих в колонне, но и влиянием

Турбулентности потоков, определяемой гидродинамическими условиями работы колонны.

В насадочном колонном аппарате, так же как при протекании жид­костей по трубопроводам, в зависимости от скорости потока возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулент­ный. При малых числовых значениях критерия Рейнольдса молекуляр­ные силы преобладают над инерционными, вследствие чего в этом режиме будет преобладать молекулярный массообмен.

С повышением степени турбулентности, т. е. с увеличением число­вого значения критерия Рейнольдса, инерционные силы становятся срав­нимыми с молекулярными и масса и энергия переносятся не только путем молекулярного обмена, но и конвективными токами.

Развитие турбулентного движения в пределах потоков жидкости и газа может привести к разрыву граничной поверхности между потоками (если силы поверхностного натяжения не могут этому противостоять). В результате такого разрыва поверхности раздела фаз газовые вихри проникают в поток жидкости и возникает «эмульгирование»
жидкости газовым потоком, в связи с чем массообмен между фазами резко возрастает; одновременно возрастает и гидродинамическое сопро­тивление.

Турбулентность, возникающая в ламинарном, промежуточном и турбулентном режимах, определяется наличием твердой фиксированной поверхности насадки, поток газа является сплошным и непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. В этих условиях контакт фаз зависит в основном от поверхности насадки, а отсюда основное требование, предъявляемое к насадочным телам,— наибольшая поверхность единицы их объема.

В режиме эмульгирования жидкость распределяется не по поверх­ности насадки, а занимает весь свободный объем ее, не занятый газом.

В этих условиях жидкость является сплошной фазой, а газ—дисперс­ной, распределенной в жидкой фазе, т. е. происходит инверсия ф а з. Инверсия фаз имеет все чер­ты кризисного явления и сопровож­дается резким увеличением массооб - мена. Здесь граничный двухфазный слой настолько турбулизован, что молекулярным обменом можно, как исчёзающе малым по сравнению с турбулентным, пренебречь.

Точку перехода от турбулент­ного режима к режиму эмульгирова - ' ния, соответствующую началу запол­нения свободного сечения насадки жидкостью, называют точкой и нверсии или точкой начала 1 эмульгирования. Эта точка ранее опре­делялась как точка «захлебывания» или как точка «затопления колонны», при этом считали, что при скоростях газа, больших, чем при этой точке, происходит выброс жидкости газом из колонны. Однако, как это показали более поздние работы, выброс жид­кости из колонны сразу же после инверсии не наблюдается. Выброс про­исходит только тогда, когда уровень жидкости в колонне будет выше верх­него уровня насадки.

Роль насадки в условиях работы при режиме эмульгирования сводит­ся к раздроблению газовых вихрей на большое число мелких вихрей, пронизывающих жидкость, к распределению их по всему сечению колон­ны, увеличению длины пути их и завихрению еамой жидкости; все это приводит к увеличению массопередачи.

На рис. 336 представлена в графической форме зависимость между скоростью газа в колонне и скоростью массопередачи. Как видно из гра­фика, скорость массопередачи в насадочной колонне растет по мере увели­чения скорости газа в колонне (отрезок OA соответствует ламинарному, отрезок А В—переходному и отрезок ВС—турбулентному режимам рабо­ты колонны; точка С является точкой инверсии, а точка D соответствует началу выброса жидкости из колонны). Наиболее выгодным в отношении интенсификации процесса массопередачи является режим эмульгирова­ния на участке, близком к точке D.

В этом случае, как это уже указывалось, практически колонна по всей высоте насадки будет заполнена завихренной жидкостью, которая пронизывается газовыми (паровыми) вихрями.

Режим эмульгирования можно осуществить и при любой скорости газа ниже точки инверсии. Для этого колонна предварительно за­полняется жидкостью, а отводится жид­кость из колонны через переливную U-об - разную трубу (рис. 337). Зависимость между скоростью газа и скоростью массо­передачи в такой колонне изображается на рис. 336 линией OD. График показывает, что почти при любой скорости газа скорость массопередачи в эмульгационной колонне всегда выше, чем в обычной насадочной колонне, не заполненной жидкостью.

Таким образом, режим эмульгирования является наиболее выгодным по производи­тельности насадочных колонн и позволяет значительно интенсифицировать их работу не только при проведении процессов абсорб - . ции, но в такой же степени ректификации и N> L экстракции.

^ На основании анализа гидродинамиче­

Ских условий и условий массопередачи, со­ответствующих точке инверсии в насадочных колоннах, при абсорбции газов, ректификации жидкостей и экстракции жидкостей жидко­стями В. В. Кафаровым было предложено сле­дующее уравнение:

Gx \Т(Уу

Ух

Где wy—линеиная скорость газа, пара или сплошной жидкои

Фазы (при экстракции) в м/сек-, а—удельная поверхность насадки в м2/м3-, —удельный вес газа или пара или дисперсионной фазы

В кгс/м3', *

—удельный вес жидкой фазы в кгс/м3-, Рев.—относительно свободное сечение или свободный объем насадки в м2/м2 или в м3/м3\ g—ускорение силы тяжести в м/сек2-, [Ад;—вязкость жидкости в сп; р.—вязкость воды при 20° в сп', Зту»сд'в»°ув—поверхностное натяжение на границах: сплошная фаза—дисперсионная фаза, сплошная фаза—воздух; дисперсионная фаза—воздух в дн/см или в кгс/м', Gx—весовая скорость жидкой фазы при абсорбции и ректи­фикации в кгс/м2-час, или объемная скорость дис­персной фазы при экстракции в м3/м3-час\ Gy—весовая скорость газа или пара при абсорбции и ректификации в кгс/м2 час, или объемная скорость сплошной фазы при экстракции в м3/м3-час.

Постоянная А имеет следующие числовые значения:

Для системы газ—жидкость (при Абсорбции) .... 0,022 Для системы пар—жидкость (при ректификации) . . . —0,125 Для системы жидкость—жидкость (при экстракции). . —0,474

Уравнение (3—86) позволяет вычислить в каждом конкретном случае скорость газа или пара wy в сечении колонны, соответствующую режиму точки инверсии, и определить необходимый диаметр колонны.

При заданных условиях работы колонны все величины, входящие в уравнение (3—86), кроме скорости wy, являются известными и не зависящими от скорости wy и диаметра колонны. Обозначая величину, входящую в скобки левой части уравнения (3—86), через С, т. е. принимая

С= 1 ^ Г (3-87)

ЕКвУх

И зная числовое значение правой части того же уравнения

(3—87а)

Можно по нему, как по логарифму, найти числовое значение величины С и определить скорость w из равенства

Числовые значения а и FCB, в уравнениях (3—86), (3—87) и (3—876) для данного вида насадки в зависимости от ее размера находим по табли­це (табл. 22).

В последнее время В. В. Кафаров и Ю. И. Дытнерский на основе собственных работ и анализа работ других исследователей показали, что в условиях режима эмульгирования линейная скорость газа, пара или сплошной жидкой фазы (при экстрагировании) определяется тем же „уравнением (3—86). При этом в знаменателе следует вместо удельного ве - са брать разность удельных весов фаз, а значение коэффициента А для всех случаев можно принимать А=0,079, т. е. для режима эмульгирова­ния в насадочных колоннах при ректификации, абсорбции и экстрагиро­вании можно пользоваться одним и тем же уравнением:

= 0,079—1,75

Диаметр насадочных колонн и высота насадки. Зная величину скорости газа в колонне, легко определить диаметр колонны. Если ^іУу—скорость газовой фазы в колонне в м/сек-, V—расход газа в колонне в м3/сек, то внутренний диаметр колонны

(3—89)

Высоту насадки можно определить по двум методам. Наиболее ло­гично определить высоту насадки насадочных колонн, пользуясь общими положениями теории массопередачи, изложенными в главе X. В этом случае высота насадки определяется по уравнениям (3—43) и (3—43а):

И = HVTriy М\ Н = Hxmx М П п

В случае линеиной равновесной зависимости

U Л -— t/o У.

Mv — -!.. ; mҐ =

Д#ср. Х Ьхср.

И^при любой равновесной зависимости

В данном случае для определения высоты насадки необходимо знать числовые значения коэффициентов массопередачи. К сожалению, данные о коэффициентах массопередачи в насадочных колоннах весьма ограниче­ны и противоречивы. По последним работам М. Е. Позина, для насадки из колец и процесса абсорбции можно принять: при Я^<300

Ку = 0,035 0Rey)°'7*> (Рг')0'5 м/сек (3—90)

При /?еу<300 для хорошо растворимых газов

Ку = 0,015 -&L (#ev)0-9 (Р/)0-5 м/сек (3—91)

И^ для трудно растворимых рзов

Wv\0'

= м/час (3-92)

Где wx—фиктивная скорость Жидкости в колонне в кгс/мъ\ а—удельная поверхность насадки в м2/мЛ\ I—высота слоя насадки! в м\

\ Г) 0,67v0,33

Л =J\39,5 -2-Ї!—

\ Н-л-

(Dx—коэффициент диффузии k жидкой фазе в м2/сек)\ dH—диаметр насадки. \

При отсутствии данных о значениях коэффициентов массопередачи можно пользоваться графическим метоДом. В этом случае графическим путем (см. стр. 549) находят число ступеней изменения концентрации NQ и {определяют высоту насадки по фбрмуле

H=h9KB. NcM (3-93)

Где Nc—число ступеней изменения концентрации;

H3KB—высота насадки, эквивалентная одной ступени изменения кон­центрации, в м.

В. В. Кафаров и Ю. И. Дытнерский установили, что в условиях ре­жима эмульгирования высота насадки насадочных колонн зависит только от удельной поверхности насадки, ее свободного объема (или свободного сечения) и скорости газовой или паровой фазы при абсорбции и ректифика­ции или легкой фазы при экстракции. Они предложили следующую фор­мулу для определения высоты насадки, эквивалентной одной ступени изменения концентрации:

А-^ЯО^)"^* (3 94)

Гидравлическое сопротивление насадочных колонн. Для того чтобы в колонне происходило движение газа и жидкости, необходимо затрачи­вать механическую энергию. Если жидкость, поступающая сверху ко­лонны, может орошать насадку самотеком, то пар или газ, поступающий в колонну, должен всегда иметь некоторое избыточное давление для про­движения его через аппарат. Давление это должно быть не меньше сопротивления, которое оказывает аппарат газовому потоку.

При определении потерь напора в насадочных колоннах их рас­сматривают как трубы, заполненные насадочными телами, и определяют сопротивление трения в них по формуле:

Где —коэффициент трения;

Н—высота насадки в м; d3KB.—эквивалентный диаметр насадки в м; —уд. вес газа в кгс/м3;

W—средняя скорость газа в місек.

Отдельные величины, входящие в уравнение (3—95), определяют следующим образом.

Среднюю скорость газа находят по формуле

W р - м/сек (3-96)

/сн.

Где w—фиктивная серость газа, т. е. скорость его, отнесенная ко всему сечению аппарата, в м/сек;

/св.—среднее свободное сечение насадки, выраженное долей общего сечения аппарата, заполненного насадкой, в м2/м2.

Среднее свободное сечение насадки /св. принимают численно равным свободному объему насадки VCH., представляющему собой объем пустого пространства между элементами насадки в ж3 на 1 м3 полного объема, занимаемого насадкой.

Эквивалентный диаметр насадки определяют по формуле

4 = (3-97)

Где VCB.—свободный объем насадки в м3/м3;

А—поверхность единицы объема насадки в м21м3.

Коэффициент трения X может быть определен в зависимости от характера движе­ния газа по формулам, предложенным Н. М. Жаворонковым и М. Э. Аэровым.

Для сухой кольцевой и кусковой насадки (беспорядочно лежащей)

При ламинарном движении газа (/?еу<40)

140

1 = (3 98)

При турбулентном движении газа (^у>40)

16

Причем критерий Рейнольдса для газа

ReY = —7

32 а г. Касаткин.

Подставив значения W И d3KB. из формул (1—96) и (1—97) и заменив WYY=G (G— Весовая скорость газа в кгс/м2»сек), получим

«'V - <3-10°>

Где (j. y—вязкость газа в кгс-сек/м2.

Для правильно уложенной сухой насадки коэффициент трения

А V /макс. -

Здесь h—высота одного ряда насадки в ж; /мин. и /макс.—минимальное (в плоскости сопри­косновения рядов) и максимальное (в самом ряду) свободное сечение насадки. Для кольцевой правильно уложенной насадки

F МИН. dft

/макс. ^н

Где DB—внутренний диаметр кольца; dH—наружный диаметр кольца. Для хордовой насадки

/мин.

/макс - / + S

Где t—расстояние между досками в свету; s—толщина доски.

Обычно считают, что при орошении насадки жидкость стекает по поверхности насадки, покрывая ее тонкой пленкой. Таким образом, на насадке имеется некоторое количество жидкости (так называемый захват насадки), что ведет к уменьшению свобод­ного объема и вследствие этого к повышению гидравлического сопротивления орошаемой насадки по сравнению с сухой.

Если жидкость стекает пленкой по какой-либо поверхности шириной Ь, то кри­терий Рейнольдса может быть выражен следующим образом:

Rex = WxdaKB-Px (3—102)

М-х

Где Wx —скорость стекания жидкостной пленки в м/сек\ D3KB.—эквивалентный диаметр пленки в м; рх—плотность жидкости в кгс-сек2/м4; Fj-д-—вязкость жидкости в кгс»сек/м*. Эквивалентный диаметр пленки определяют по уравнению

4W

4кв. == = 4S М (3—103)

Где S—толщина пленки в м.

Подставив значение D3Кв. в формулу (3—102), получим

4Wxbpx

Re. = — (3-104)

Если по рассматриваемой поверхности стекает Gx Кгс/сек жидкости, то, принимая во внимание, что сечение потока равно ЬЪ, можно на основании уравнения расхода написать

Gx = WxbbyA

Отсюда следует, что

6 и

Где U—линейная плотность орошения в кг/м'сек (U=-^-).

Подставив значение wxb в уравнение (3—104), получим, учитывая, что R{X=GpGx-

AU

Re, = — (3-105)

Для насадочных колонн плотность орошения определяют как весовую скорость жидкости W (кгс/ м2 > сек), т. е. как количество жидкости, подаваемой в единицу времени на единицу площади поперечного сечения колонны. Можно считать, что периметр наса­дочных тел на 1 м2 поперечного сечения равен величине а. Тогда плотность орошения

А

Или, подставляя это значение в уравнение (3—105), получим

4 W

Rex= ---------------------------------------------------- (3—106)

Eg V-X

По исследованиям Н. М. Жаворонкова и М. Э. Аэрова, коэффициент сопротив­ления орошаемой насадки может быть определен из равенства

Хор. = 1т (3—107)

Где величина т, показывающая, во сколько раз сопротивление орошаемой насадки больше сопротивления сухой насадки, определяется в зависимости от так называемого Безразмерного коэффициента орошения

Где W—весовая скорость жидкости в кгс/м2-сек; ух—уд. вес жидкости в кгс/м3.

Коэффициент Ь, учитывающий трение жидкости о насадку, определяют по фор­муле

1 75

(з-109)

Величина m имеет следующие значения:

Для колец диаметром меньше 30 мм, а также для колец большего диаметра при

А <0,3

(1-А)»' (3_110)

Для колец диаметром свыше 30 мм при Л>0,3

______ 1

(1,13— 1.43Л)"

Для металлических колец

Т==(1-1,39Л)з (3-1106)

Опытным путем установлено, что при орошении насадки жидкость стремится растекаться от центра к периферии колонны, что приводит к неравномерному смачиванию насадки.

Для устранения неравномерного смачивания необходимо, чтобы отношение диаметра колонны DK к диаметру насадки dn отвечало усло­вию

^>8 "Н

Потеря напора в насадочной колонне при режиме эмульгирования Д/?эм. может быть определена по уравнению

ЛРэМ. = A/W + #„Гэм. кгс/м2 (3—111)

Где #н—высота насадки в м\ ДРинв.—сопротивление насадки в точке инверсии, причем

/ П \0,405 / v \0,225 / \0,С

+ 8.4(f) (£) (*) Тэм. — удельный вес газо-жидкостной эмульсии в кгс/м3, причем

/ /7 \ 0,325 /V \0,18 / м, \0,0362

T«.-T, + (T,-TP 0.43(f) £ £

VhhB. =ДРу

Высота переточной V-образной трубы насадочной колонны (см. рис. 337), обеспечивающая работу колонны в режиме эмульгирования, опре­деляется уравнением

Ар инв. Л-Ну эм»

Неподвижной или медленно дви­жущейся жидкости.

Простейшим аппаратом такого типа является абсорбер, применявшийся ранее в произ­водстве серной кислоты (рис. 338). Для распределения газа на пузырьки служит колокол 3, имеющий внизу прорези. Ко­локол погружен в жидкость таким образом, что между верх­ним уровнем жидкости и про­резями образуется слой жидко­сти, через который и барботи - руют пузырьки газа, выходя­щие из прорезей. В результате тесного контакта между жид­ка. костью и газом растворяющийся

В данной жидкости компонент газовой смеси поглощается жидкостью, а инертная часть газа удаляется из абсорбера через штуцер. Для отвода тепла, выделяющегося при раство­рении газа, через резервуар 1 протекает охлаждающая вода. Аппараты подобного типа обладают сравнительно низкой производительностью.

Наиболее распространенными абсорбционными аппаратами явля­ются тарельчатые колонны. По своему устройству они делятся на колонны с колпачков ы ми тарелками и колонны с ситча - т ы м и тарелками.

Колонны с колпачковыми тарелками. На рис. 339 показано устрой­ство тарельчатой колонны с колпачковыми тарелками. Аппарат состоит из нескольких царг(на рис. 339 показаны только три), представляющих собой полые цилиндры. Каждая царга имеет одну тарелку 1, на которой
установлен патрубок для прохода газа или пара, а над патрубком —кол­пачок круглого сечения, нижние края которого имеют прорези. Тарелка снабжена переливной трубкой для жидкости; трубка установлена таким образом, чтобы достичь определенной высоты жидкости на тарелке. Ниж­ний конец трубки погружается в жидкость, находящуюся на ниже­лежащей тарелке, и таким образом создается гидравлический затвор, устраняющий возможность прохож­дения газа по переливным трубкам.

Края колпачка также погруже­ны в жидкость, благодаря чему и на тарелке создается гидравлический затвор, и газ, выходящий из пат­рубка, в прорезях колпачка дробит­ся на мелкие пузырьки; в виде пу­зырьков он проходит через слой ЗЩ жидкости на тарелке.

Для наиболее полного насыще­ния жидкости газом переливные труб­ки располагают на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних тарелках протекала во взаимно про­тивоположных направлениях. В ко­лоннах большого диаметра устанавливают не одну, а несколько; перелив ных трубок. Наиболее часто применяемые схемы расположения тру бок показаны на рис. 340.

Y

Рис. 340. Схемы движения жидкости на тарелках" тарельчатых" колонн:

А—тарелки с радиальным движением жидкости; б, в—тарелки с круговым движением жидкости; г—тарелки с движением жидкости по диаметру; д—тарелки с раздельными потоками жидкости, /—вход» жидкости на тарелку; 2—Выход жидквсти с тарелки; 3—перегородка.

Так как скорость протекания газа через патрубки и прорези колпач­ков ограничена определенными пределами, на тарелке устанавливают не­сколько патрубков, при этом либо над каждым патрубком ставят отдельный

Колпачок круглого сечения, либо один колпачок ставят над рядом тру­бок; в последнем случае колпачок имеет прямоугольное сечение.

Схема работы колпачковой тарелки приведена на рис. 341. Выходя­щие через прорези колпачка пузырьки газа или пара сливаются в струйки, которые проходят сквозь слой жидкости, находящийся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг—основная область массо­обмена между газом или паром и жидкостью на тарелке.

Процесс барботажа на тарелке весьма • сложен. Проводившиеся до сих пор исследования дают возмож­ность представить лишь качествен-

Ную картину процесса. Движущиеся струйки газа (пара) обычно сливаются друг с другом (рис. 342, /); при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается и образуются каналы, по которым газ (пар) проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа (пара) с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основ­ная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидко­стью, которые образуются вследствие распыления газа (пара) в жидкости и уноса брызг при трении газа (пара) о жидкость.

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа (пара) и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ (пар) разбивается на более мелкие струйки, что увеличивает поверхность сопри­косновения фаз.

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшем к. п. д. показана на рис. 342, II. В этих условиях высота открытия прорезей колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути газа (пара) и времени контакта его с жидкостью.

Для создания достаточной поверхности соприкосновения между га­зом (паром) и жидкостью на тарелках обычно устанавливают не один, а несколько колпачков.

Колпачки располагают на небольшом расстоянии друг от друга (шаг равен в среднем 1,5 диаметрам колпачка) с тем, чтобы пузырьки газа (пара), выходящие из'соседних колпачков, прежде чем принять вертикаль­ное направление движения, не столкнулись друг с другом.

Типовые колпачковые тарелки изготовляют с радиальным и диамет­ральным переливом жидкости. Тарелки первого типа (рис. 343) представ­ляют собой стальные диски 2 и 5; они укреплены на болтах 3 (с проклад­ками 8) к опорному кольцу 7. Колпачки 1 расположены на тарелке в шах­матном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным переливным трубкам б, течет к центру и сливается на сле­дующую тарелку по центральной переливной трубке 4, затем снова течет к периферии и т. д.

Тарелки второго типа с диаметральным переливом жидкости (рис. 344) представляют собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2\ с одной стороны тарелка ограничена приемным поро­гом 3, ас другой стороны—переливным порогом 5 со сменной гребенкой 6, при помощи которой устанавливается уровень жидкости на тарелке.

Рис. 343. Колпачковая тарелка с ра­диальным переливом жидкости: 1 —колпачки; 2, 5—диски; г—болт; 4—Цен­тральная переливная трубка; 6—периферий­ные переливные трубки;" 7—опорное кольцо; 8—прокладка.

В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных труб сегментообразными отверстиями, ограниченными перегород­ками 7; это уменьшает вспенивание и брызгообразование при переливе жидкости.

В тарелках с туннельными колпачками (рис. 345) колпачки 1 пред­ставляют собой стальные штампованные пластины полукруглого сечения с гребенчатыми краями; каждый колпачок установлен при помощи двух уравнительных шпилек 3 горизонтально над желобом 2. Жидкость сли­вается через переливной порог 4 в сегментный карман 5, а затем через три переливные трубки 6—в приемный сегментный карман сле­дующей тарелки. Здесь образуется гидравлический затвор, и поднимаю­щийся по колонне газ (пар) не может проходить на тарелку, лежащую выше, минуя колпачки. Ток жидкости на тарелках имеет направление по диа­метру.

* На тарелках такого типа можно легко установить определенную высоту слоя жидкости и разместить в горизонтальной плоскости колпач­ки, а следовательно, создать благоприятные условия для равномерного распределения газа (пара).

Ректификационные тарельчатые колонны с круглыми (капсуль - ными) и туннельными колпачками, предназначенные для работы под

Атмосферным давлением, нормализованы (рис. 346) и имеют диаметры

1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2200, 2600 и 3000 мм. Эти колонны

J по а * изготовляются из углеродистой ста-

\________________ ли. Разделение химически активных

FjT.Fc........... ■■■■1--------- ЇГ^-'І смесей производят] в колоннах из

| [jijUpE - - - -' в кислотоупорных сталей, высококрем-

То J нистого чугуна и других химически

| ; стойких* материалов.

/ По в в

Рис. 345л Колпачковая тарелка с туннельными колпачками: ^—колпачки; 2—Желоб; 3—Шпильки; 4—Переливной порог; 5—сегментный карман; 6—Переливные трубки»

На рис. 347 показаны некоторые распространенные конструкции колпачков. Штампованный капсульний колпачок (рис. 347, I) состоит из патрубка 2, который развальцован в отверстии тарелки, и соединительной

Разборные стальные колпачки другой конструкции (рис. 347, II) укрепляют при помощи болта и скобки. На рис. 347, III изображен также туннельный стальной колпачок.

Колонны с ситчатыми тарелками. Колонны с колпачковыми тарел­ками работают хорошо, однако они значительно сложнее и дороже других диффузионных аппаратов, а кроме того, обладают существенным недостат­ком: при ремонте такой колонны или при переходе на работу с другой жид­костью весьма трудно освободить тарелки от слоя жидкости на них. В этом отношении гораздо проще по устройству колонны с ситчатыми тарелками.

Колонны этого типа (рис. 348) состоят из вертикального цилиндри­ческого корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых рав­номерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок погружены в ста­каны 4, находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравли­ческие затворы.

Газ (пар) проходит в отверстия тарелки (см. схему на рис. 349) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором рас­стоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг—основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большей эффективностью, чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости газа (пара), —0,1 місек, жидкость просачивает­ся через отверстия тарелки и в связи с этим резко уменьшается к. п. д. тарелки.

Давление и скорость газа (пара), проходящего через отверстия тарел­ки, должны быть достаточными для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через от­верстия.

Протекание жидкости через отверстия ситчатых тарелок возрастает с увеличением диаметра тарелки и при отклонении от строго горизонталь-
ного положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать такими, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась ме­ханически паром. Обычно принимают диаметр отверстий ситчатых тарелок 0,8—3 мм.

Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затрудни­тельно. Кроме того, ситчатые тарелки дол­жны быть установлены строго в горизон­тальной плоскости, так как иначе, как уже указывалось, газ (пар) будет прохо­дить через часть отверстий, не соприка­саясь с жидкостью.

Ситчатые тарелки уступают колпач - ковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем в кол - пачковых.

В случае внезапного прекращения поступления газа (пара) или значительно­го снижения его давления тарелки ситча - той колонны полностью опоражниваются

. J-Ю m & fe ^ (si ® ^

Nap

Рис. 349. Схема работы ситчатой тарелки.

От жидкости, и для достижения заданного режима процесса требуется вновь пустить колонну.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся отно­сительно удобно и легко.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют главным образом для ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Для повышения эффективности ситчатых тарелок (как и колпачковых) увеличивают длительность контакта между жидкостью и газом (паром). На рис. 350 изображена схема одной из современных конструкций ситча­тых колонн, в которой длительный контакт достигается принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении ее движения на всех тарелках колонны.

Колонны с провальными тарелками. За последние годы в химиче­ской технологии для осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью находят применение колонны с ситчатыми провальными

{дырчатыми) тарелками без специальных переливных устройств. По сравнению с другими конструкциями эти колонны отличаются высокой производительностью, более низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим сопротивле­нием и др.

Отличительной особенностью тарелок в этих колоннах является то, что газ (пар) и жидкость проходят в них противотоком через одни и те же отверстия или щели, в результате чего на тарелке образуется дисперсная система, состояние кото­рой зависит от ряда факторов: линейной скоро­сти газа (пара), геометрических размеров тарел­ки, физических свойств фаз и др.

Исследования работы колонн с провальны­ми тарелками показали, что при некотором опре­деленном гидродинамическом режиме они имеют максимальную эффективность. Такой гидродина­мический режим мы называем оптималь - н ы м.

Диаметр колонны, работающей на оптималь­ном режиме, может быть определен в зависимо­сти от скорости газа (пара), которая для оптималь­ного режима устанавливается из следующего уравнения:

У =\0е-*х

Здесь:

Іжв.^св.

В приведенных уравнениях:

Е—основание натуральных логарифмов; . w—скорость газа (пара) в сечении колонны в м/сек-, с1ЭКВм—эквивалентный диаметр щели или отверстия тарелки в м\ FCB.—свободное сечение тарелки в м2/м2\ Уг—удельный вес газа (пара) в кгс/м3-, Тж—удельный вес жидкости в кгс/м3-,

[Аж—ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ В СП-,

J-ь—вязкость воды при 20°С в сп; L—весовая скорость жидкости в кгс/м2-час\ G—весовая скорость газа в кгс/м2-час. Высота пены на тарелке определяется уравнением

^п = ■ Fr0*2

Где Fr—критерий Фруда.

Расстояние Н между тарелками может быть определено как:

Н = /zn -J- H М

Где H для непенящихся жидкостей равно 0,08—0,1 м.

Сопротивление провальной тарелки ДРХ складывается из трех ве­личин:

ЛРТ = ЛРС. Т + АРП + АРП. Н. (3-116)

Где ДРс. т—сопротивление сухой тарелки; ДРП—сопротивление столба пены; ДРП. Н—потеря давления на преодоление поверхностного натяжения жидкости.

Сопротивление сухой тарелки можно определить из уравнения

Л —F 4-С - I________ —

Vі 1 z) ^ - р •

Где <;—коэффициент сопротивления при внезапном расширении; 8—толщина тарелки в м; Re—критерий Рейнольдса для газа (пара); Л=4000 FJ (/—ширина щели или диаметр отверстия в м). Сопротивление столба пены на тарелке определяется по уравнению

Дрп=0,43Л„ТЖ (-£-)*» {trtrrT™ *«"* Р-116б>

Где jj-r—вязкость газа (пара) в сп.

Потеря давления на преодоление поверхностного натяжения жидкости определяется по уравнению

ЛРп. н=-#- (3-1 16в)

"экв.

Где 5—поверхностное натяжение жидкости в кгс/м.