МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПЛЕНОЧНЫЕ АППАРАТЫ

Проведение тепло-, массообменных про­цессов в тонком слое жидкости всегда связана с высокой интенсивностью, малым временем пребывания жидкости в аппарате, низким со­противлением по газовой фазе и хорошо разви­той поверхностью газ - жидкость. Пленочные аппараты применяются для проведения хими­ческих превращений в системах газ - жид­кость, если реакция протекает быстро с выде­лением (поглощением) большого количества теплоты.

По способу организации течения жидко­сти в виде пленок различают аппараты: со сте­кающей пленкой, с восходящей пленкой, с закрученным гаюжидкосгным потоком и с механически перемешиваемой пленкой.

Аппараты со стекающей пленкой. Их применяют для проведения процессов как тре­бующих подвода или отвода большого количе­ства теплоты, так и при тепловом эффекте, близком к нулю.

Для проведения процессов с большим те­пловым эффектом применяются аппараты с развитой теплообменной поверхностью. Наи­более совершенной конструкцией этого типа является кожухотрубный аппарат (рис. 6.4.9). Жидкость, подаваемая на верхнюю трубную решетку, равномерно распределяется по тру­бам 2 и в виде пленки, образованной оросите­лем 7, стекает вниз по внутренней поверхности труб. Газ отводится из нижней части аппарата вместе с жидкостью и направляется в сепаратор. Если проведение процесса требует подвода газа, который должен двигаться противотоком

С жидкостью, то в нижней части аппарата не­обходимо расположить газораспределительную тарелку с патрубками.

Для проведения процессов с незначи­тельным тепловым эффектом применяются пластинчатые аппараты. Как трубчатые, так и пластинчатые аппараты имеют распредели­тельное устройство для жидкости и газа, оро­сительные устройства и сепаратор. Распреде­лительные устройства необходимы для обеспе­чения равномерной раздачи жидкости и газа по отдельным элементам (трубам, каналам, пла­стинам). Стремление улучшить качество рас­пределения жидкости привело к появлению одно-, двух - и даже трехярусных перераспре­делительных тарелок (рис. 6.4.10, а).

Как правило, подвод жидкости к трубам осуществляется из кольцевого коллектора (рис. 6.4.10, б), размещенного по контуру трубной решетки, или при помощи одиночного цен­трального патрубка (рис. 6.4.10, в). Такие спо­собы подвода обеспечивают равномерное рас­пределение жидкости по отдельным трубам при достаточно высоком слое ее на трубной решетке.

Распределительное устройство для газа в аппарате со стекающей пленкой необходимо только при противоточном движении фаз. Для трубчатых аппаратов оно выполняется в виде тарелки с патрубками. Для распределения жид­кости по каналам и одновременно по ширине пластин пластинчатого аппарата можно при­менить коллектор (рис. 6.4.11), выполненный из труб.

Оросительное устройство предназначено для распределения жидкости по периметру каждого элемента. Оно должно отвечать сле­дующим требованиям: обеспечивать равно­мерность орошения, иметь минимальное гид­равлическое сопротивление проходящему по­току газа, максимальные размеры пленкообра­зующих зазоров (каналов), способных дли­тельно работать без засорения. По способу образования пленки оросительные устройства можно подразделить на следующие виды: пе­реливные, щелевые, разбрызгивающие, капил­лярные и струйные.

Образование пленки в переливных уст­ройствах происходит при переливе жидкости через верхние кромки труб (рис. 6.4.12, а) или через прорези различной конфигурации (рис. 6.4.12, б). Такие устройства работают при вы­соте уровня жидкости над переливом 5...20мм, т. е. они могут быть применены в трубчатых аппаратах, имеющих малое число

Труб, либо в многотрубных аппаратах с уста­новленными в них перераспределительными тарелками (см. рис. 6.4.10, а).

К щелевым оросителям относятся уст­ройства, в которых пленка образуется при ис­течении жидкости через затопленные щели или каналы различного профиля. Устройства с кольцевой щелью по условиям истечения мо­гут иметь ширину зазора не более 0,5 мм. В связи с этим они требуют точной обработки деталей и концов труб и могут быть примене­ны только при работе на чистых жидкостях без механических примесей.

— б)

А-А

Удовлетворительное качество распреде­ления жидкости достигается при применении оросителей с тангенциальной подачей ее на поверхность труб при помощи одного или двух винтовых каналов (рис. 6.4.12, г) или отверстий (рис. 6.4.12, в). Применение щелевых оросите­лей позволяет удерживать на трубной доске слой жидкости высотой 100 мм и более.

К разбрызгивающим относятся оросите­ли, в которых жидкостная пленка формируется из капель, образующихся при дроблении жид­кости форсунками. Их можно использовать при работе аппарата по схеме нисходящего прямо­тока.

Струйные оросители - это устройства, в которых жидкость подается на орошаемую поверхность в виде струй (рис. 6.4.12 д, е).

Такие оросители весьма надежны при больших плотностях орошения и пригодны как для трубчатых, так и для пластинчатых аппаратов. Оросители типа капиллярно-щелевые можно применять только в аппаратах, в которых от­сутствует сквозной проток газа, например, в испарителях или в выпарных аппаратах.

Выбор плотности орошения. При экс­плуатации пленочных аппаратов необходимо добиваться полного смачивания всей поверх­ности орошаемых элементов. Это условие вы­полняется лишь в том случае, если локальная плотность орошения в любой точке поверхно­сти элемента превышает некоторое минималь­но допустимое значение Гт|п. Если же это условие не выполняется, то пленка разрывает­ся, и жидкость течет отдельными струйками. Уравнение для расчета минимальной плотно­сти орошения можно получить на основе ана­лиза сил, действующих в месте разрыва плен­ки. Для свободно стекающей пленки, когда касательное напряжение между пленкой и га­зовым потоком пренебрежимо мало по сравне­нию с напряжением на стенке, оно имеет вид

5/8

G(1-cos0)

4/3 1/3 Vh! РЖ g.

Где рж - плотность жидкости кг/м3; 0 - краевой угол смачивания; а - поверхностное натяже­ние жидкости, Н/м; Уж - кинематическая вяз­кость жидкости, м2/с.

Течение с брызгоуносом наступает, когда относительная скорость фаз превышает неко­торое предельное значение. Газ с каплями жидкости образует практически гомогенную газожидкостную смесь плотностью

Ргк =Рг+Рж— У, (6.4.12)

Где м>ж - скорость жидкости, приведенная к полному сечению канала; wr - скорость газа, приведенная к полному сечению канала; У - Унос, характеризующий долю жидкостного потока, взвешенного в газе;

(6.4.13)

В этом случае действительная плотность орошения поверхности труб

(6.4.14)

П

Где £?ж ~ расход жидкости, м3/с.

Для количественной оценки величины уноса в длинных трубах, когда процесс срыва и осаждения капель на поверхность пленки при­ходят в динамическое равновесие, можно вос­пользоваться зависимостью, представленной на рис. 6.4.13.

При противоточном движении фаз с рос­том скорости газа сначала увеличивается тол­щина пленки, а при некотором значении скоро­сти газа wr течение жидкости вниз с заданном расходом становится невозможным, наступает, так называемый, режим захлебывания. Вели­чину wr можно найти из уравнения

/ ? Л0,25

Рг^г

+ т

= 0,9, (6.4.15)

Где т = 2,2 Re-0'25 при Re < 25 ; т = 1 при Re > 25; Ар = рж - рг; D - внутренний диа­метр трубы, м; wr и wyк - приведенные к пол­ному сечению трубы средние расходные ско­рости газа и жидкости, м/с.

Уравнение (6.5.15) справедливо только для труб длиной более двух метров.

^жг - приведенная к полному сечению канала скорость жидкостного потока, диспергирован­ного в газе.

Аппараты с восходящей пленкой. Их

Применяют для процессов, требующих разви­той поверхности массообмена между газом и жидкостью и высоких коэффициентов массо­отдачи, протекающих с большим тепловым эффектом. В нижней части аппарата размеще­но распределительное устройство (рис. 6.4.14), которое позволяет равномерно распределить подаваемую в аппарат жидкость по трубам. Оросителем поверхности труб может служить отверстие 1 в стенке трубы. Газ, подаваемый снизу в трубы со скоростью 10...50 м/с, увле­кает жидкость вверх в виде капель и пленки, равномерно распределенной по периметру трубы.

По сравнению с аппаратами со стекаю­щей пленкой аппараты с восходящей пленкой имеют высокое гидравлическое сопротивление.

Область существования режима восхо­дящей пленки. С ростом скорости газа в аппа­рате нисходящее течение пленки становится невозможным. При этом внутри канала уста­навливается циркуляционное течение: нисхо­дящее по стенкам и восходящее в ядре потока. Высокие волны на поверхности пленки смы­каются, образуя жидкостные пробки. Пленоч­ный режим переходит в снарядный.

Условие смены снарядного режима коль­цевым (режим восходящего пленочного тече­ния) характеризуется эмпирическим уравнени­ем, предложенным Уоллисом [5]

0,5

При Ргж < 2,25 ;

(6.4.16)

•°'5 -(7 + 0,06рж/рг)Fr^'5 при Fгж >2,25,

(6.4.17)

; Ар = рж -

Ар GD

— рг, D - внутренний диаметр труб.

Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к интенсивному брызгоуносу с по­верхности восходящей пленки. Такой режим течения называется дисперсно-кольцевым. Количественно величину брызгоуноса можно оценить по рис. 6.4.13.

Аппараты с закрученным газожидко­стным потоком (рис. 6.4.15) отличаются от рассмотренных выше тем, что внутри каждой трубы I установлены винтовые вставки-завих - рители 2, сообщающие газовому потоку вращательное движение. Жидкость, подавае­мая сверху (в данной схеме), после первого

/

Ґ

Ф

А)

Рис. 6.4.16. Оросительные устройства аппарата с закрученным газожидкостным потоком: а - питание через тангенциальное отверстие в стенке трубы; б - центральное питание через патрубок (закрутка газа с помощью тангенциальных щелей)

Завихрителя приобретает вращательное дви­жение и отбрасывается к стенке трубы. Каса­тельное напряжение на границе раздела фаз поддерживает крутку пленки. Вследствие тре­ния крутка газожвдкостного потока уменьша­ется, и для поддержания ее на требуемом уров­не необходимо устанавливать по длине трубы ряд завихрителей. Самый нижний завихритель играет роль сепаратора.

Аппараты с закрученным газожидкост­ным потоком по сравнению с аппаратами со стекающей пленкой имеют в 2 - 3 раза более высокий коэффициент массообмена. Крутка газожидкостного потока позволяет равномерно распределить жидкость по поверхности каждой из труб даже при малых плотностях орошения. Поэтому в аппаратах с закрученным газожид­костным потоком применяют простейшие оро­сительные устройства, задача которых - подача определенного количества жидкости в область действия интенсивно закрученного газового потока.

Жидкость может быть введена или через одиночное отверстие в стенке трубы (рис. 6.4.16, а), или с помощь питательного патруб­ка, расположенного в центре газового потока (рис. 6.4.16, б).

Роторные пленочные аппараты прак­тически незаменимы при переработке вязких, кристаллизующихся, терм о лабильных сред. Основными элементами конструкции аппарата (рис. 6.4.17) являются корпус с рубашкой 1, вал 2 с лопастями 3 и распределитель жидкости 4. Корпус аппарата может быть цилиндрическим или коническим. Аппараты с цилиндрическим корпусом устанавливаются, как правило, вер­тикально, а с коническим - горизонтально.

Лопасти вертикальных цилиндрических аппаратов имеют в основном три ввда (рис. 6.4.18):

А) жесткие, лопасти которых жестко со­единены с валом и имеют постоянный зазор с внутренней поверхностью корпуса;

Б) шарнирные, лопасти которых крепятся шарнирно, и во время работы зазор А между кромкой лопасти и корпусом аппарата самоус­танавливается, достигая в режиме «стирания» значения А = 0;

В) маятниковые, лопасти которых закреплены шарнирно, но зазор всегда больше нуля. Распределительное устройство верти­кальных роторных аппаратов выполняют в виде кольца 4 (см. рис. 6.4.17), вращающегося вместе с валом ротора; оно предварительно распределяет расход жидкости по периметру корпуса. Образовавшаяся жидкостная пленка перемешивается лопастями ротора, в результа­те чего происходит выравнивание распределе­ния жидкости по поверхности аппарата, интен­сифицируется теплообмен между корпусом аппарата и жидкостью, улучшается процесс массообмена и химического взаимодействия в жидкой фазе.

Иногда вертикальные роторные аппараты применяют и в тех случаях, когда процесс мас­сопередачи лимитируется условиями массооб- мена в газовой фазе. В этом случае устанавли­ваются роторы жесткой конструкции с зазо­ром А, превышающим толщину стекающей жидкостной пленки. Вертикальные цилиндри­ческие роторные аппараты изготовляют диаметром 0,15... 1 м с площадью теплообмен - ной поверхности до 16 м2. В них можно обра­батывать жидкие среды, максимальная дина­мическая вязкость которых достигает 20 Па-с.

В аппаратах с жестким ротором окружная скорость обычно составляет 5... 12 м/с, а зазор между корпусом и ротором А = 0,6...3 мм. Эти аппараты следует применять при получении продуктов, когда недопустимо их загрязнение частицами, появляющимися при трении лопа­сти о стенки корпуса. Аппараты с жестким ротором требуют точной обработки внутрен­ней поверхности корпуса и кромок лопастей ротора, строгой соосности корпуса и ротора.

В аппаратах с шарнирными лопастями окружная скорость ротора составляет 1,5...5 м/с. Поскольку в них не исключена воз­можность трения лопастей о внутреннюю по­верхность корпуса, возможно загрязнение про­дукта частицами натира. Аппараты с шарнир­ными лопастями имеют меньшую стоимость, так как их корпус допускает бблыпую оваль­ность и менее строгую соосность с ротором.

Горизонтальные аппараты с коническим корпусом имеют площадь теплообменной по­верхности до 7 м2, угол конусности обычно составляет 2...5°. Роторы горизонтальных ко­нических аппаратов изготовляют жесткими. Зазор А между кромками лопастей и корпусом легко регулируется за счет осевого перемеще­ния ротора. Эти аппараты обладают повышен­ной удерживающей способностью по сравне­нию с вертикальными. Время пребывания жид­кости в них может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

При переработке высоковязких материа­лов (до 50 Па с) жидкости следует подавать в аппарат со стороны узкой части корпуса. В этом случае центростремительное ускорение способствует увеличению осевой составляю­щей скорости течения в сторону выгрузки про­дукта. При переработке жидкостей низкой вяз­кости подача осуществляется со стороны ши­рокой части корпуса. В этом случае аппарат обладает гарантированной удерживающей спо­собностью, и даже при низких расходах жид­кости сохраняется высокая интенсивность про­цессов тепло-, массообмена.