- •Колонные аппараты процессов абсорбции и ректификации и элементы расчета
- •Рецензенты:р.Н.Фаткуллин Доцент кафедры,кандидат технических наук т.Г. Белобородова
- •Содержание
- •Основные обозначения
- •1 Классификация аппаратов колонного типа
- •1.2 Отбойные устройства колонных аппаратов
- •2 Колонные аппараты насадочного типа
- •2.1 Распределительные устройства насадочных колонн
- •2.1.1 Распределительные устройства для подачи жидкости
- •2.1.2 Распределители газа
- •2.2 Насадочные контактные устройства
- •2.2.1 Характеристика насадок
- •3 Колонные аппараты тарельчатого типа
- •3.1 Классификация контактных тарелок
- •3.2 Характеристика тарелок с переливными устройствами
- •3.2.1 Устройство и работа барботажной тарелки
- •3.2.2 Конструкции переливных устройств
- •3.2.2.1 Устройства ввода и вывода жидкости
- •3.2.3 Минимальная скорость перехода на беспровальный режим
- •3.2.4 Градиент уровня жидкости на тарелке
- •3.2.5 Захлебывание тарелок с переливными устройствами
- •3.2.6 Тарелки колпачкого типа
- •3.2.6.1 Тарелки с круглыми колпачками
- •3.2.6.2 Тарелки с s – образными элементами
- •3.2.7 Тарелки клапанные
- •3.2.8 Тарелки ситчатые
- •3.2.8.1 Тарелки ситчатые с отбойными элементами
- •3.2.8.2 Тарелки ситчато-клапанные
- •3.2.9 Тарелки с однонаправленным движением пара (газа) и жидкости
- •3.3 Характеристика тарелок провального типа
- •3.3.1 Решетчатые тарелки
- •3.3.2 Тарелки вихревого типа
- •3.4 Основы выбора типа тарелок
- •3.5 Технические характеристики тарелок
- •Колонные аппараты пленочного типа
- •5 Распыливающие аппараты колонного типа
- •5.1 Полые распыливающие аппараты
- •5.2 Скоростные прямоточные распыливающие аппараты
- •6 Гидродинамика аппаратов колонного типа
- •6.1 Гидродинамика аппаратов насадочного типа
- •6.1.1 Однофазное движение потока через насадку
- •6.1.1.1 Движение газа
- •6.1.1.2 Движение жидкости
- •6.1.2 Двухфазное движение газа и жидкости через насадку
- •6.2 Гидродинамика аппаратов тарельчатого типа
- •6.2.1 Гидродинамика барботажных тарелок
- •6.2.2 Гидродинамика тарелок с переливными устройствами
- •6.2.2.1 Гидродинамика тарелки колпачкового типа
- •6.2.3 Гидродинамика тарелок провального типа
- •6.3 Гидродинамика аппаратов пленочного типа
- •6.3.1 Однофазное пленочное течение
- •6.3.2 Пленочное течение в двухфазном потоке
- •7.Гидродинамический расчет аппарата тарельчатого типа.
- •7.1 Гидродинамический расчет аппаратов тарельчатого типа
- •7.1.1 Расчет переливных устройств
- •7.1.2 Гидродинамический расчет тарелок с переливными устройствами
- •7.2. Расчет тарелок провального типа
- •8 Расчет сосудов и аппаратов колонного типа.
- •8.1Расчетные сечения.
- •8.2. Расчетные нагрузки и расчетная температура.
- •8.3 Сочетание нагрузок.
- •8.4 Корпус колонного аппарата.
- •8.5 Расчет элементов опоры колонных аппаратов.
- •9 Расчет опорных балок под тарелки и решетки.
- •1 Расчет на прочность колонны
- •1.9 Расчет нижнего днища Расчет аналогичен расчету верхнего днища.
- •2 Расчет колонны на ветровую нагрузку
- •10 Расчет опор колонных аппаратов на ветровую нагрузку и сейсмическое воздействие
- •11 Компьютерный расчет опор колонных аппаратов на ветровую нагрузку и сейсмические воздействия
- •Список использованных источников.
2 Колонные аппараты насадочного типа
Аппараты насадочного типа представляют собой колонны, заполненные насадкой из твердых тел различной формы [1,2,3,4,5,9,12,14]. Взаимодействие газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки, орошаемой жидкостью. Течение жидкости по поверхности насадочных тел носит в основном пленочный характер. Однако при перетекании жидкости пленка 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 и является неактивной. Однако, при достаточной плотности орошения (U), характеризуемой расходом жидкости (м3/с) на единицу площади поперечного сечения аппарата (м2), практически вся поверхность элементов насадки покрыта жидкостными пленками, так что поверхность массопередачи близка к суммарной поверхности насадочных тел. В ряде случаев (при хорошей смачиваемости насадки, отсутствии застойных зон) поверхность массопередачи между газовой и жидкой фазами может превышать геометрическую поверхность всех элементов насадки за счет наличия капель и струй между ними [9].
Одним из условий эффективной работы аппаратов насадочного типа является равномерное распределение газа и жидкости по сечению колонны. 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 её стенкам ( рисунок 2.1). Из рисунка следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти её 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, направляющие жидкость в осевое сечение колонны [5].
В насадочном аппарате (рисунок 2.2,а) на опорной решетке 1 уложен слой насадки 2. Через распределительное устройство 3 на насадку подается жидкость. Для уменьшения поперечной неравномерности потока жидкости насадку загружают слоями с размещением между ними перераспределительного устройства 4 (рисунок 2.2,б).
Рисунок 2.1- Распределение орошающей жидкости по высоте насадочной колонны
Опорная решетка представляет собой тарелку (рисунок 2.3), состоящую из отдельных секций, которые можно монтировать через люк. Секции опираются на кольцо 1, приваренное к корпусу, и балку 2. Балки установлены на столиках 3 так, что поверхность балки, на которую опираются секции, находится на одном уровне с опорным кольцом.
Секцию изготавливают из полос (колосников) 4, установленных на ребро и приваренных к планкам 5. Расстояние между полосами не должно превышать ¾ наименьшего размера элемента насадки.
Для загрузки и выгрузки насадки непосредственно на уровне засыпки и над поддерживающей насадку тарелкой в колонне устанавливают люки [12].
Равномерное перераспределение жидкости достигается с помощью распределительных тарелок 1 (рисунок 2.4), в которых жидкость, стекая по всем патрубкам 2, равномерно орошает практически всю насадку. Для включения в работу всех патрубков и создания пленки по всему их внутреннему периметру в них делают вертикальные прорези 3. Вертикальные прорези обеспечивают устойчивое пленочное стекание жидкости по всему внутреннему периметру патрубков, что ведет к равномерному орошению [9].
1-опорная решетка; 2-слой насадки; 3- устройство для распределения жидкости; 4-перераспределитель; 5-корпус
Рисунок 2.2–Насадочные аппараты со сплошным (а) и секционными (б) слоями
На рисунке 2.2 изображены насадочные аппараты с противоточным движением взаимодействующих потоков. Однако в последнее время большое внимание уделяют созданию прямоточных насадочных аппаратов, работающих с большими скоростями газа (до 10 м/с). При таких скоростях, которые в случае противотока недостижимы из-за наступления захлебывания, интенсифицируется процесс массообмена, уменьшаются габариты аппарата; гидравлическое сопротивление при прямотоке значительно ниже, чем при противотоке. Применение таких аппаратов целесообразно в тех случаях, когда направление движения фаз не влияет заметно на движущую силу.
Весьма эффективным и сравнительно простым является аппарат с псевдоожиженной насадкой на тарелках (рисунок 2.5) [9]. В качестве насадки, помещаемой на опорные решетки 1, используют тела различной формы (чаще всего шаровые) с кажущейся плотностью ρк, меньшей плотности жидкости ρж. Насадку (шары диаметром от 10 до 30 мм полые или сплошные) изготавливают из полиэтилена, полипропилена и других полимеров, а также из металла или резины. При скоростях газа, превышающих некоторое критическое значение, на тарелках образуется слой жидкости, а насадка переходит в псевдоожиженное состояние. С ростом скорости газа высота слоя насадки и, следовательно, порозность слоя увеличивается. При интенсивном перемешивании насадки хорошо перемешивается и жидкость на тарелке. Это уменьшает поперечную неравномерность потока жидкости и увеличивает эффективность аппарата.
1-опорное кольцо; 2-балка; 3-столик; 4-колосники
Рисунок 2.3-Тарелка под насадку
1-распределительная тарелка;2-патрубки; 3-прорези
Рисунок 2.4 –Перераспределительное устройство жидкости
Образующиеся и подхватываемые газовым потоком капли жидкости в значительной степени улавливаются смоченными псевдоожиженными шарами и вновь возвращаются в слой жидкости при попадании шаров в нижнюю часть секции, ограниченной двумя соседними тарелками. Для предотвращения уноса шаров из самой верхней секции установлена ограничительная решетка 2 (см. рисунок 2.5). Все это позволяет работать при повышенных (в сравнении с насадочными аппаратами, у которых скорость газа ограничена скоростью захлебывания неподвижной насадки) скоростях газового потока. Рабочая скорость газа достигает здесь 4…5 м/с при плотностях орошения до 0,05 м3/(м2·с).
1- опорные решетки; 2-ограничительная решетка; 3- шаровая насадка; 4-распределитель жидкости
Рисунок 2.5 - Аппарат с псевдоожиженной шаровой насадкой
Переток жидкости с тарелки на тарелку происходит здесь через те же отверстия, через которые проходит и газ.
Достоинствами этих аппаратов является:
-высокая эффективность (КПД) одной ступени за счет развитой поверхности массообмена (это поверхность пленок на шарах и поверхность капель) и высоких значений коэффициентов массоотдачи вследствие малых толщин жидкостной пленки и пограничного слоя со стороны газа при больших скоростях газового потока. Высоким КПД способствует так же отсутствие поперечной неравномерности за счет хорошего перемешивания жидкости по объему секции ( как в виде пленок жидкости на элементах подвижной насадки, движущихся в различных направлениях, так и в виде капель, брызг);
-увеличение интенсивности абсорберов в 4…6 раз по газовому потоку и ещё больше – по жидкостному;
- возможность работы с загрязненными жидкостями и газами.
Один из главных недостатков этих аппаратов - выравнивание концентраций в продольном направлении и уменьшение за счет этого средней движущей силы процесса массопередачи. Эффективным средством борьбы с продольным перемешиванием является секционирование аппарата (см. рисунок 2.2, б).
Насадочные колонны отличаются простотой конструкции, имеют низкое гидравлическое сопротивление. Однако в них затруднен отвод тепла; они малопригодны для работы с загрязненными жидкостями.