Процессы и аппараты упаковочного производства

Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рис. 16-9, я, б) насадка 3 Укладывается на опорные решетки 4, Имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с Помощью распределителя 2 И стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам (рис. 16-10). Из этого рисунка следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 16-9,6 и 16-11), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

Жидкость Жидкость

А 5

Рис. 16-9. Насадочные абсорберы:

А-со сплошным слоем насадки; 6 С секционной загрузкой насадки: /корпуса; 2 Распредели­тели жидкости; 3 - Насадка; 4 Опорные решетки; 5 Перераспределитель жидкости; 6 - гидравли­ческие затворы; В Эмулы анионная насадочная колонна: / насадка; 2 сетка, фиксирующая насадку; 3 Гидравлический затвор; 4 Опорная решетка; 5 Распределитель газа

58

I^^H

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки и виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является и основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность-а (м2/м3) и свободный объем (м3/м3). Обычно величину определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину . Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение S (м2/м2). Принимают, что свободное сечение насадки S равно по величине ее свободному объему, т. е. S= .

Гидродинамические режимы в насадочных абсорберах. Рассмотрим гидродинамические режимы в противоточных насадочных колоннах, используя графическую зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от скорости газа в колонне (рис. 16-12).

Первый режим - Пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке

59

Рис. 16-12. Зависимость гидравлического сопротивле­ния насадки от скорости газа в колонне (L = const):

1 сухая насадка; 2 - Орошаемая насадка

Жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А На рис. 16-12, называемой Точкой подвисания.

Второй режим - Режим подвисания (или Торможения). После точки А Повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости газовым потоком. Вследствие этого скорость течения пленки жидкости уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно-интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В.

Третий режим -режим эмульгирования - Возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или Инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ-дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС На рис. 16-12).

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн преимущественно вследствие увеличении контакта фаз, который в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующейся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В насадочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмульгирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между

Точками В И С). Поэтому разработана специальная конструкция эмульгационной колонны (см. рис. 16-9, я).

Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при повышенных давлениях). Поэтому большинство насадочных адсорберов работает в пленочном режиме (т. е. при скоростях газа до точки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания) ,, которая определяется по следующему уравнению:

, (16.21)

Где А Удельная поверхность насадки, м2/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; S -свободное сечение насадки, м2/м2; вязкость жидкости, сП; L' И G" расходы жидкости и газа, кг/с; для систем газ жидкость А = 0,079.

Из этого уравнения следует, что с увеличением плотности орошения (или расхода жидкости), вязкости жидкости и уменьшением ее плотности скорость захлебывания снижается; для крупной насадки, имеющей большее свободное сечение, при одинаковых расходах жидкости и газа величина ,, выше.

Четвертый режим (от точки С На рис. 16-12 и выше)- режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газом. Этот режим в технике не используется.

Распределение газа. Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат (см. гл. 5). При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата (см. рис. 5-1, л).

При боковом вводе входящая струя газа движется к противоположной стенке и, ударяясь о нее, поворачивает затем вверх (см. рис. 5-1, г). Изменение конструкции входного и выходного отверстий не оказывает существенного влияния на распределение струи. Наличие же опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата, причем это явление наблюдается в случае, если коэффициент сопротивления решетки больше некоторой величины которая определяется по справочникам.

Рассмотренный случай относится к распределению газа в полой колонне. Для создания более равномерного движения газового потока по сечению полой колонны служат дополнительные спрямляющие устройства 2 (см. рис. 5-1,в, е). В насадочной колонне роль спрямляяющего устройства выполняют прежде всего нижние слои насадки. Однако и для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, и того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насадкой делают достаточно большим. Обычно это расстояние принимают равным 1,0-1,5D.

Рис.16-13.Виды насадки:

А-насадка из колец Рашига:1-отдельное кольцо,2-кольца навалом,3-регулярная насадка;б-фасонная насадка,1-кольца Палля,2-седлообразная насадка,3-кольца с крестообразными перегородками,4-керамические блоки,5-витые из проволоки насадки,6-кольца с внутренними спиралями,7-пропеллерная насадка

Выбор насадки. Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насад­ки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверх­ность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала Эффективно, Она должна удовлетворять следующим тре­бованиям: 1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т. е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивле­ние газовому потоку, т. е. иметь возможно большее значение сво­бодного объема или сечения насадки; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения е или SCB; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механи­ческой прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, уве­личение удельной поверхности А Насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допус­тимых скоростей газа и т. д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разно­образных по форме и размерам насадок, изготовленных из различ­ных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные Кольца Рашига (рис. 16-13, я), имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых разме­ров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 х 50 мм и выше) укладываюг правильными рядами, сдвинутыми друг отно­сительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой назы­вают загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку-Регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед не­регулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим i идравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Хордовую насадку (см. рис. 16-13,6) обычно применяют в абсор-иерах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, нордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоя­щими видами фасонных насадок, часть из которых представлена на рис. 16-13,6. В табл. 16.1 приведены основные характеристики наса-к>к некоторых типов.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с уве-шчением размеров ее элементов увеличивается допустимая ско-гь газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера

Деревянная хордовая (таг в свету 10 х 100 мм) Керамические кольца Рашига

Керамические кольца Рашига

Стальные кольца Рашига Керамические кольца

Палля Стальные кольца

Палля Керамические седла

Берля

1

Снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой буде ниже за счет снижения диаметра абсорбера, несмотря на то что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случав рациональнее использовать мелкую насадку. Мелкая насадка предпочтительнее при проведении абсорбции под повышенным давлением, так как при этом потеря напора в абсорбере составит малую долю от общего давления газовой смеси.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условии при котором отношение диаметра D колонны к эквивалентному диаметру насадки D/d,> 10 [см. уравнение (6.62)].

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлений Для этих сред можно использовать также гак называемые a6coрберы с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких абсорберах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние.

Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В абсорберах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппара­тах (до 3-5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.