Lektsii_14

Струйный режим наблюдается при дальнейшем увеличении скорости газа, когда газовые струи проходят сквозь слой жидкости не распадаясь. При этом образуется большое количество крупных брызг и резко падает высота барботажного слоя, что приводит к уменьшению поверхности контакта фаз по сравнению с пенным режимом. Унос жидкости по сравнению с пенным режимом возрастает за счет увеличения скорости газа, но снижается за счет увеличения высоты сепарационного пространства.

Одной из характеристик работы тарелки является ее гидравлическое сопротивление, т.е. потеря давления газового потока при прохождении через

орошаемую тарелку рор . Обычно его рассматривают как сумму трех составляющих: сопротивления сухой тарелки рсух , сопротивления сил поверхностного натяжения р и гидростатического сопротивления

Стремление уменьшить гидравлическое сопротивление колонны, складывающееся из гидравлических сопротивлений всех тарелок, обусловлено необходимостью уменьшения затрат на прокачку газа. Однако многочисленные факторы, снижающие гидравлическое сопротивление тарелки, обычно, уменьшают и эффективность ее работы. Таким образом, при проектировании тарельчатых колонн следует решать достаточно сложную задачу оптимизации.

Основными геометрическими характеристиками тарелок, приводимыми в справочной литературе являются: диаметр колонны (внутренний);

свободное сечение колонны - площадь ее поперечного сечения; периметр слива - длина сливной перегородки, через которую переливается жидкость, попадая в сливное устройство; высота сливной перегородки - ее высота над полотном тарелки, с помощью которой регулируется уровень жидкости на тарелке; сечение перелива - площадь сечения сливного устройства;

свободное (живое) сечение тарелки - суммарная площадь отверстий для прохода газовой фазы; длина линии барботажа - суммарная длина рядов всех отверстий для прохода газовой фазы через тарелку; длина пути жидкости - расстояние, которое проходит жидкость по рабочему сечению тарелки.

Рассмотрим устройство наиболее широко используемых в промышленности тарелок с перекрестным движением фаз. Ситчатые тарелки представляют собой плиту со значительным количеством небольших отверстий диаметром 3 8 мм. Достоинствами ситчатых тарелок являются: простота изготовления и монтажа, дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Основной недостаток ситчатых тарелок - узкий диапазок устойчивой работы. При малых скоростях газа жидкость начинает проваливаться в отверстия тарелки. Такой «провальный» режим не является рабочим для колонн со сливными устройствами. При значительном снижении расхода газа жидкости может полностью слиться с тарелок и колонну придется запускать заново. Еще одним недостатком ситчатых тарелок является их чувствительность к загрязнениям, которые могут забивать их отверстия небольшого диаметра.

Колпачковые тарелки лишены недостатков ситчатых. Они представляют собой плиту с достаточно крупными отверстиями (диаметром более 30 мм), к которым приварены патрубки. Над каждым патрубком установлен колпачок диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези, как правило, в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Газ поступает на тарелку через патрубки, а затем разбивается прорезями колпачка на множество мелких струй, проходя сквозь слой жидкости. Выступающие над поверхностью тарелки патрубки не позволяют жидкости сливаться вниз даже

23

при малых скоростях газа, что расширяет диапазон устойчивой работы колпачковой тарелки по сравнению с ситчатой. Недостатками колпачковых тарелок являются значительное гидравлическое сопротивление, металлоемкость, сложность и стоимость изготовления.

Клапанные тарелки совмещают достоинства колпачковых и ситчатых тарелок. Они выполняются в виде плит с достаточно крупными круглыми или прямоугольными отверстиями, закрытыми сверху клапанами соответствующей формы.

В зависимости от расхода газа клапаны автоматически действием собственного веса регулируют степень открытия отверстия, приподнимаясь над ним. Предельная высота подъема клапана задается ограничителем. Достоинством данного типа тарелок является широкий диапазон возможных изменений нагрузок по газу. При этом скорость газа в зазоре между клапанами и плоскостью тарелки остается примерно одинаковой, обеспечивая стабильность работы тарелки и малое изменение гидравлического сопротивления. В случае прекращения подачи газа клапаны закрывают отверстия и прекращают слив жидкости с тарелок. Разновидностью клапанных тарелок являются балластные, обеспечивающие еще большую равномерность их работы. В них над легким клапаном устанавливается более тяжелый балласт. При малых расходах газа поднимается только клапан, а при больших и балласт. Недостатками клапанных тарелок по сравнению с ситчатыми являются несколько большие сложность изготовления и гидравлические сопротивления при малых расходах газа.

Общим недостатком тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз является возникновение так называемого градиента уровня жидкости - разности уровней жидкости на входе и на выходе с тарелки. Этот перепад уровней обеспечивает преодоление гидравлического сопротивления жидкости при ее движении по тарелке.

Вследствие различия высоты слоя жидкости на тарелке нарушается однородность ее работы. Так, например, у входа на тарелку, где уровень жидкости выше, может наблюдаться пузырьковый режим (для ситчатых даже провальный), а у выхода с тарелки - струйный.

Градиент уровня жидкости пропорционален длине пути жидкости на тарелке и ее скорости. Поэтому наибольших значений градиент уровня жидкости наблюдается для тарелок большого диаметра и при больших расходах жидкости. Обычно в этих случаях используют двухпоточные тарелки. Они представляют собой чередование тарелок с боковым и центральным сливом жидкости, причем на каждой тарелке жидкость разделяется на два потока, движущихся в противоположных направлениях. Такая конструкция позволяет в два раза уменьшить как длину пути жидкости, так и ее скорость, что приводит к существенному снижению градиента уровня жидкости по сравнению с однопоточными тарелками.

Рассмотрим устройство и работу тарелок с прямоточным движением фаз на примере пластинчатой тарелки.

Пластинчатая тарелка представляет собой ряды наклонных пластин. Жидкость из гидравлического затвора, переливаясь через переливную перегородку, попадает на тарелку и , дойдя до первой щели, образованной наклонными пластинами, встречается с потоком газа. Газ, двигаясь с большой скоростью (15-20 м/с), увлекает жидкость, диспергирует ее в виде капель и уносит к следующей щели. Поскольку угол наклона пластин мал ( 15-20 ), то газожидкостная система движется практически параллельно плоскости тарелки. Такой режим работы тарелки может быть назван капельным, газовая фаза при этом является сплошной, а жидкая - дисперсной. В таком режиме работы нет необходимости поддерживать определенный уровень жидкости на

24

тарелке и в отличие от тарелок с перекрестным движением фаз на прямоточных тарелках сливная перегородка не устанавливается. Основным преимуществом прямоточных тарелок является высокая нагрузка по газовой и жидкой фазам. При этом градиент уровня жидкости на тарелке невелик, так как жидкость движется, в основном, за счет увлечения газовым потоком, а не под действием различия собственного уровня на тарелке.

Кдостоинствам пластинчатой тарелки относятся также невысокое гидравлическое сопротивление, простота изготовления, возможность работы с загрязненными жидкостями, малое обратное перемешивание при движении жидкости вдоль тарелки. Недостатками пластинчатых тарелок являются: снижение их эффективности при уменьшении нагрузок по газу и жидкости, возможность провала жидкости при малых расходах газа.

Кпрямоточным тарелкам относятся также чешуйчатые, представляющие собой плиту с отогнутыми вверх под небольшим углом вырезанными полукругами, а также тарелки с прямоугольными клапанами, открывающимися под углом к плоскости тарелки.

Перейдем к рассмотрению тарелок без сливных устройств,

которые еще называются провальными, так как жидкость проваливается с верхней тарелки на нижнюю через отверстия для прохода газа. По взаимному направлению движения фаз на тарелке их можно отнести к противоточным. При малых скоростях газа жидкость проваливается сквозь отверстия тарелки практически без взаимодействия с газовым потоком (нерабочий режим). С увеличением скорости газа сток жидкости затрудняется и она начинает накапливаться на тарелке. При этом возможны те же режимы работы, что и для тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз, то есть пузырьковый, пенный и струйный. Однако для провальных тарелок отличительной особенностью является неравномерность работы отдельных отверстий: в какой-то момент времени через одни отверстия стекает жидкость,

ачерез другие проходит газ; в следующий момент времени жидкостной и газовый потоки могут проходить через иной набор отверстий. В целом же по тарелкам при строго горизонтальной их установке слив жидкости и барботаж газа происходят достаточно равномерно. Рассмотрим конструкции наиболее часто используемых в промышленности провальных тарелок.

Дырчатые тарелки аналогичны по конструкции с ситчатыми и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств и несколько большим диаметром отверстий.

Решетчатые тарелки отличаются от дырчатых лишь формой

отверстий, которые выполнены в виде щелей шириной 3 8 мм.

Волнистые тарелки представляют собой гофрированный лист металла с отверстиями, как в нижних, так и в верхних изгибах. При таком устройстве жидкость стекает, как правило, через нижние отверстия, а газ проходит через верхние, что улучшает равномерность работы тарелки и несколько расширяет диапазон ее работы. Однако волнистые тарелки более сложны в изготовлении.

Основным недостатком провальных тарелок является узкий диапазон устойчивой работы при варьировании нагрузок по газовой и жидкой фазам. К их достоинствам можно отнести простоту изготовления, малое гидравлическое сопротивление, большое рабочее сечение (в связи с отсутствием сливных устройств рабочее сечение тарелки становится равным свободному сечению колонны).

Распыливающие аппараты

В распыливающих аппаратах поверхность межфазного контакта создается разбрызгиванием капель жидкости в газовом потоке. По способу

25

диспергирования жидкости распыливающие абсорберы можно подразделить на: форсуночные, Вентури и механические.

Форсуночный или полый распыливающий абсорбер представляет собой полую колонну, по которой снизу движется поток газа, а сверху с помощью форсунок распыливается жидкость. При большой высоте колонны форсунки могут устанавливаться на нескольких уровнях.

Во избежание уноса жидкости допустимые скорости газового потока обычно не превышают 2-3 м/с. Преимуществами форсуночных аппаратов являются: простота изготовления и эксплуатации, противоточное движение фаз, возможность работы с загрязненными газами, низкое гидравлическое сопротивление. К недостаткам этих аппаратов относятся: низкие объемные коэффициенты массопередачи, необходимость большого расхода жидкости для создания достаточной удельной поверхности контакта фаз. Обычно полые распыливающие абсорберы применяются для поглощения хорошо растворимых газов.

В абсорберах Вентури жидкость захватывается и диспергируется газовым потоком, движущимся с большой скоростью. Основным элементом такого аппарата является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор, стекая в виде пленки по его стенкам. В горловине жидкость распыляется, а в диффузоре скорость газожидкостной системы снижается. Сепаратор предназначен для отделения капель жидкости от газового потока.

Абсорберы Вентури могут выполняться в различных конструктивных вариантах. Так жидкость может подаваться в конфузор через центральное сопло или через отверстие в горловину. Основным преимуществом данных абсорберов являются высокие объемные коэффициенты массопередачи, а недостатками: прямоточное движение фаз, значительное гидравлическое сопротивление.

В механических абсорберах диспергирование жидкости происходит за счет подвода внешней энергии с помощью вращающихся устройств (дисков, валов, лопастей и т.д.). Направление движения фаз при этом может быть различным. Механические абсорберы достаточно эффективны, но требуют затрат энергии на распыл жидкости и более сложны, поэтому применяются реже.

26