Широкие распространение в промышленности в качество абсорберов получили насадочные, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадка равномерного распределения жидкости по сечению колоны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом большой плотностью укладки насадки в нейтральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к се стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колонне большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.
В насадочной колонне жидкость течет по элементам насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.
Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность, а (м2/м3) и свободной объеме ε (м3/м3). Величину свободного объема для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε.
60. Насадки для массообменных колонн. Их характеристика и выбор
Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.
Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рис. ХI-15), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.
В качестве насадки используют также засыпаемые навалом в колонну куски кокса или кварца размерами 25-100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т. д.) к у с к о в у ю насадку в настоящее время применяют редко.
Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15—150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рис. ХI-15а). Большие кольца (размерами не менее 50 50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рис. Х1-15б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Хордовая деревянная насадка (рис. ХI-15, ж) обычно используется в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство простота изготовления, недостатки относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.
За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки (рис. ХI-15, д), а также насадка из стеклянного волокна.
При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно — производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).
Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.
Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.
Насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями. Для таких жидкостей в последнее время стали применять абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние.
В абсорберах с «плавающей» насадкой допустимы более высокие скорости газа, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к большему расширению слоя шаров и, следовательно, к незначительному увеличению гидравлического сопротивления аппарата.
61.Трубчатый плёночный абсорбер (рис. Х1-9) сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают, воду или другой охлаждающий агент.
Аппарат работает при противотоке газа и жидкости (газ движется с низу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутся сверху вниз). Трубчатые абсорберы, а также абсорберы с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе тепла в процессе абсорбции; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз и по интенсивности массопередачи эти абсорберы значительно превосходят поверхностные. Гидравлическое сопротивление трубчатых абсорберов даже при сравнительно больших скоростях газа (45 м/с) невелико. Абсорберы с восходящим движением пленки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15-20 м/с), высокоинтенсивные аппараты, но в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением. В настоящее время пленочные абсорберы применяются сравнительно редко; из них наиболее распространены трубчатые абсорберы, используемые для поглощения хорошо растворимых газов (NCl, NH3) из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла.
62.Тарельчатые абсорберы обычно представляют собой вертикальные цилиндры-колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещаются горизонтальные перегородки -тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействии жидкости и газа.
Таким образом, процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется в основном в газожидкостных системах, создаваемых на тарелках, поэтому в таких аппаратах процесс проходит ступенчато, и тарельчатые колонны в отличие от насадочных, в которых массоперенос происходит непрерывно, относят к группе ступенчатых аппаратов.
На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.
По способу слива жидкости с тарелки абсорберы этого типа подразделяют на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости).
Тарельчатые колонны со сливными устройствами. К аппаратам этого типа относятся колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую-сливные трубки, карманы и др. Нижние концы сливных устройств погруже ны в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство
Принцип работы абсорберов такого типа показан на рис, а на примере колонны с колпачковыми тарелками. Жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера.
Переливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте ацпарата тарелках протекала во взаимопротивоположных направлениях. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (в других абсорберах - через отверстия, щели и т. д.) затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется в основном высотой сливного порога. При этом газ в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой происходят основные процессы массо- и теплопереноса. Эта пена нестабильна, и при подходе ее к сливному устройству жидкость осветляется. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата.
Колонны с тарелками без сливных устройств. В тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. При этом одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку - «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого гипа часто называют провальными. Конструкции (типы) провальных тарелок представлены на рис. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.
Ситчатые тарелки. Эти тарелки рис имеют большое число отверстий диаметром 2-8 мм, через которые проходит газ в слой жидкости на тарелке. К достоинствам ситчатых тарелок относятся простота их устройства, легкость монтажа и ремонта, сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Однако эти тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают их отверстия. Если происходит внезапное прекращение подачи газа или существенное снижение его давления, то с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления нормальной работы аппарата необходимо вновь запускать колонну
Клапанные тарелки. Принцип действия этих тарелок состоит в том, что клапан , свободно лежащий над отверстием в тарелке , с изменением расхода газа увеличивает подъем и соответственно площадь зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа. Поэтому скорость газа в этом зазоре, а значит и во входе в слой жидкости на тарелке, остается приблизительно постоянной, что обеспечивает неизменно эффективную работу тарелки.
Пластинчатые тарелки, В отличие от рассмотренных выше тарелок эти тарелки работают при однонаправленном движении фаз. К достоинствам пластинчатых тарелок относятся достаточно низкое гидравлическое сопротивление, большие допустимые нагрузки по жидкости и газу, небольшой расход материала на их изготовление. Недостатками пластинчатых тарелок являются сложность подвода и отвода теплоты, невысокая эффективность при низких нагрузках по жидкости и др