МАШИНОСТРОЕНИЕ

БАРБОТАЖНЫЕ ГАЗЛИФТНЫЕ АППАРАТЫ

Конструкции барботажных газлифт­ных аппаратов. Газлифтные аппараты отли­чаются от барботажных колонн тем, что внутри их корпуса 1 установлены одна или несколько барботажных труб 3, в которые с помощью газораспределителя 2 вводится газ (рис. 6.4.3). При подаче газа в затопленный жидкостью аппарат в барботажных трубах образуется га­зожидкостная смесь, плотность которой мень­ше плотности однородной жидкости в цирку­ляционной зоне (на рис. 6.4.3 - в межтрубном пространстве), вследствие чего в аппарате воз­никает циркуляция жидкости с восходящим потоком смеси внутри циркуляционной трубы и нисходящим потоком в зазоре между корпу­сом и циркуляционной трубой. Конструктив­ное исполнение газлифтных аппаратов может

Быть различным, но независимо от конструк­ции в основу их работы положен принцип цир­куляционного контура, состоящего из восхо­дящего газожидкостного потока и нисходящего потока жидкости с небольшим количеством захваченных ею газовых пузырей.

Максимальная приведенная скорость газа в циркуляционном контуре, определяющая производительность аппарата по газу, состав­ляет 2 м/с (в пересчете на свободное сечение кожуха аппарата - до 1 м/с). Скорость цирку­лирующей жидкости может достигать 1 ...2 м/с, что позволяет обрабатывать в газлифтных ап­паратах неоднородные жидкие системы с большой разностью плотностей сплошной и дисперсной фаз.

Стремление увеличить удельную (отне­сенную к единице объема) площадь поверхно­сти теплообмена привело к созданию конст­рукций многотрубных газлифтных аппаратов. Наиболее совершенными из них следует при­знать устройства, в которых барботажные и циркуляционные трубы объединены в общем кожухе.

Аппарат, представленный на рис. 6.4.4, выполнен в виде трубчатого теплообменника, заключенного в корпус /. Закрепленные в ре­шетках трубы делятся на барботажные 2 и цир­куляционные 3. Нижние концы всех труб вы­ведены под трубную решетку на длину

/ = (4,5...5)с/, Где D - внутренний диаметр труб.

В стенках выступающих концов барбо­тажных труб на расстоянии H\ - 4D от нижнего среза просверлены отверстия 4, расположен­ные на одном уровне. Диаметр и количество отверстий в одной трубе выбирают исходя из условий работы газораспределителя.

Жидкость вводится в аппарат через шту­цер 5 и, заполнив трубное пространство, слива­ется через штуцер б. При подаче в аппарат газа через штуцер 7 под нижней трубной решеткой образуется газовый слой, отжимающий жид­кость вниз до тех пор, пока не откроются от­верстия 4 и газ не устремится через них в бар­ботажные трубы. Расчетная высота H газового слоя (от оси отверстий до уровня жидкости) определяется сопротивлением односторонне затопленных отверстий, зависящим в основном от скорости проходящего через них газа. Меж­трубное пространство аппарата используется для подачи в него теплоносителя.

Расчет газлифтного аппарата. Одной из основных задач гидродинамического и тепло­вого расчета газлифтного аппарата является определение скорости циркуляции газожидко­стной смеси или приведенной скорости жидко­сти ажб в барботажных трубах. Основное уравнение газожидкостного циркуляционного контура

Рж (егб ~ егц ) 8Н = ЛРб + ЛРц (6.4.7)

Показывает, что движущий напор газлифта, обусловленный разностью газосодержаний в барботажной вгб и циркуляционной вгц трубах, затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления барботажной Аи циркуля­ционной Д/?ц труб контура {Н - высота труб аппарата).

6.4.3. БАРБОТАЖНЫЕ АППАРАТЫ С МЕХАНИЧЕСКИМИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

В барботажных аппаратах с механиче­ским перемешиванием жидкости вследствие развитой турбулентности достигается наиболее тонкое диспергирование газовой фазы, что при достаточно высоком газосодержании создает большую площадь поверхности контакта фаз. Благодаря этому аппараты с механическим диспергированием газа получили широкое распространение в промышленности. Опыт эксплуатации как газожидкостных химических реакторов, так и ферментаторов, показал, что аппараты с механическим перемешиванием газа в жидкости целесообразно выполнять с номинальным объемом не более 100 м3 при диаметре сосуда не более 3,6 м. Пропускная способность таких аппаратов по газу обычно не превышает 2000 м3/ч. Различают аппараты с мешалкой(ами) в свободном объеме и с мешал­кой в циркуляционном контуре.

Газожидкостный аппарат с перемеши­вающими устройствами в свободном объеме Обычно выполняют в виде сосуда 1 (с эллипти­ческими или плоскими крышками и днищами), заключенного в рубашку 2 (рис. 6.4.5). На ап­паратах с объемом менее 6,3 м3 рубашка дела­ется сплошной, а при объемах более 6,3 м3 - секционированной. Внутри сосуда на верти­кальном валу закреплены одна - четыре ме­шалки 3, в зависимости от высоты аппарата. Под нижней мешалкой или на одном уровне с ней размещают газораспределитель (барботер) 4. Вдоль образующих сосуда устанавливают три или четыре отражательные перегородки 5 Шириной ЬП = 0,Ш и высотой hn = Яж/( 1 - - 8Г), где D - внутренний диаметр аппарата;

Нж - высота исходного слоя жидкости в нем. При объеме сосуда более 16 м3 внутри него могут быть устанавлены дополнительные теп­лообменные элементы - змеевики.

Наиболее эффективными для дисперги­рования газа в жидкости считаются открытые турбинные мешалки с прямыми или изогнуты­ми лопастями при соотношении диаметров

Мешалки DM и аппарата D, равном 0,2.. .0,3.

Газораспределитель (барботер) выполня­ют в виде горизонтально расположенного тора или кольцевого открытого снизу желоба с рав­номерно распределенными и обращенными

Вверх отверстиями. Диаметры отверстий D0 = = 2...5 мм при шаге размещения T да 2D0. При диаметре сосуда D > 2 м необходимо устанав­ливать несколько параллельно работающих кольцевых желобов.

В аппаратах небольших объемов или с малой глубиной заполнения для диспергирова­ния газа могут применяться самовсасывающие турбинные мешалки. Отличительная особен­ность такой мешалки заключается в том, что внутри ее корпуса I на прямых лопастях 2 за­креплен кольцевой конический газораспреде­литель 3 с патрубком 4 для подвода газа (рис. 6.4.6). Патрубок с помощью уплотняющего устройства соединен с неподвижной воздухо - заборной трубой, выведенной из аппарата на - ружу.

Использование самовсасывающих меша­лок исключает необходимость принудительной подачи газа в аппарат. В этом их основное дос­тоинство. Особенно часто такие мешалки при­меняют для подсоса в жидкость воздуха из окружающей среды в процессах аэрирования и ферментации. Однако разрежение, создаваемое самовсасывающими мешалками, относительно невелико. Это ограничивает глубину их погру­жения, которая по данным Иркутского НИИхиммаша [18] обычно не превышает

H = 0M2DHg,

Где п - частота вращения мешалки, с"1, DM -

Диаметр мешалки, м.

Самовсасывающие мешалки как устрой­ства для ввода газа в жидкость имеют невысо­кий энергетический КПД. Однако хорошее дробление газа, обеспечивающее большую площадь поверхности контакта фаз, ставит эти мешалки по удельным энергозатратам (на еди­ницу массы поглощенного целевого газообраз­ного компонента) на один уровень с высокоин­тенсивными диспергирующими устройствами.

Пропускная способность по газу аппара­тов с мешалкой в свободном объеме ограниче­на режимом захлебывания, когда при достиже­нии некоторого расхода подаваемого в аппарат газа избыточный его объем не диспергируется в жидкости, а, обтекая мешалку, поднимается вверх вдоль вала. При перемешивании наибо­лее эффективными турбинными мешалками открытого типа этот режим наступает при ус­ловии, что критерий расхода газа

Qr

-^->0,6...0,7, (6.4.8) Ndl

Где Qr - объемный расход газа, м3/с.

По этой зависимости можно предвари­тельно выбрать минимальную частоту враще­ния мешалки п.

Мощность привода следует находить ис­ходя из условий перемешивания гомогенной жидкости:

(6.4.9)

Где - коэффициент мощности.

Мощность, затрачиваемая на перемеши­вание газожидкостной системы, характеризу­ется зависимостью

(6.4.10)

Где 8ГЛ - локальное газосодержание системы в зоне действия мешалки.

Барботажные аппараты с мешалкой в циркуляционном контуре могут быть выполне­ны в двух вариантах: с винтовой (пропеллер­ной) мешалкой внутри циркуляционного ста­кана и с открытой турбинной мешалкой, рас­положенной под циркуляционным стаканом.

Аппарат с винтовой мешалкой внутри циркуляционного контура выполнен в виде сосуда 2 с отношением высоты к диаметру L/D = 5... 10 (рис. 6.4.7, а). Внутри сосуда ус­тановлен циркуляционный стакан 3, диаметр которого рассчитывается из условия равенства площадей сечений стакана и кольцевого зазора, образованного им со стенками сосуда. Нижняя часть стакана имеет уменьшенное сечение, и в ней размещены винтовая мешалка 4, выпол­няющая роль осевого насоса, и спрямляющие поток устройства. Практика эксплуатации та­ких аппаратов показала, что в качестве насоса может быть использована мешалка с прямыми лопастями, имеющими угол наклона к гори­зонтали а = 15... 45°.

Аппарат наиболее эффективно работает в условиях полного заполнения его объема газо­жидкостной смесью, поэтому вывод непогло­щенного газа и жидкости осуществляется через верхний штуцер, соединенный с сепаратором 1 газожидкостной смеси.

Конструктивно аппарат с одним циркуля­ционным стаканом может быть выполнен объ­емом до 20 м3. При установке в одном сосуде нескольких параллельно работающих стаканов с перемешивающими устройствами объем ап­парата можно увеличить до 100 м3, что позво­ляет существенно снизить удельную мощность

Перемешивания (А7ГЖ). Например, в аппарате с тремя стаканами она может быть уменьшена на 40 %.

Пропускная способность аппарата по газу определяется предельной приведенной скоро­стью его в циркуляционном стакане, которая не должна превышать 0,02 м/с. В противном случае возможен срыв работы мешалки и на­рушение циркуляции жидкости. Устойчивая работа перемешивающего устройства опреде­ляется газосодержанием системы, предельная

Величина которого составляет вг » 0,4, поэтому аппараты с винтовой мешалкой в циркуляци­онном контуре можно применять только для жидкостей, не образующих устойчивых пен.

Если в реакции участвуют газы с воз­можным образованием взрывоопасной смеси, аппарат с циркуляцией газожидкостной смеси является одним из наиболее надежных уст­ройств. Внутри аппарата не образуется боль­ших объемов газов со взрывоопасной концен­трацией, так как аппарат полностью заполнен газожидкостной смесью. В верхней части сепа­ратора опасная ситуация может быть устранена за счет непрерывной продувки его азотом.

Аппарат с турбинной мешалкой в цирку­ляционном контуре конструктивно отличается от рассмотренного тем, что турбинная откры­тая шестилопастная мешалка (рис. 6.4.7, б) с первичным газораспределителем (барботером) размещена под циркуляционным стаканом.

По результатам испытаний реакторов обоих типов наиболее эффективным по массо - переносу вещества из газа в жидкость оказался аппарат с турбинной мешалкой под циркуля­ционным стаканом. В нем достигается лучшее диспергирование газа, и он устойчиво работает при повышенных газосодержаниях системы и даже на устойчивых пенах. Однако пропускная способность по газу у этого аппарата также невелика, он работает устойчиво только при

Скоростях Vr < 0,1 м/с.