7.2. Принципы конструирования массообменных аппаратов. Типы контактных устройств
Совершенные массообменные аппараты должны обеспечивать образование в них возможно большей поверхности контакта фаз при интенсивном перемешивании. Как мы уже выяснили, противоточная организация процесса обеспечивает более равномерное распределение движущей силы внутри аппарата и поэтому предпочтительна.
Эти два положения объясняют, почему одни массообменные аппараты снабжаются перемешивающими устройствами, а другие для движения фаз вверх и вниз используют силу тяжести и подъёмную архимедову силу, возникающую за счет разности плотностей взаимодействующих фаз.
Аппараты с перемешивающими устройствами могут быть горизонтальными, наклонными или вертикальными. Аппараты, использующие силу тяжести, могут быть только вертикальными, а так как для увеличения поверхности контакта целесообразно увеличивать высоту, то аппараты этого типа представляют собой высокие колонны.
С устройством мешалок различного типа мы уже познакомились в разделе гидромеханических процессов. Остановимся подробнее на устройстве колонных аппаратов.
Для рационального распределения движущихся навстречу друг другу потоков требуется заполнение внутренней полости колонны специальными устройствами. Эти устройства должны обеспечивать плёночное движение жидкой фазы сверху вниз и свободное и равномерное движение газовой или паровой фазы снизу вверх.
По типу внутреннего устройства колонные аппараты можно разелить на две группы:
насадочные колонны, внутренний объем которых заполнен насадкой — небольшими деталями, образующими пористую структуру, в которой могут свободно перемещаться взаимодействующие фазы. Наиболее распространенный тип промышленной насадки — кольца Рашига — керамические или стеклянные полые цилиндрики внешним диаметром и высотой от 15 до 150 мм. Кольца могут быть уложены слоями либо хаотически — навалом (рис. 7.8, а). Регулярная укладка слоями хотя и более трудоемка, но обеспечивает большую площадь свободного сечения. В качестве насадки можно использовать стеклянные, полимерные или металлические шарики или специально изготовленные седла (рис. 7.8, б). Простейшие аппараты иногда заполняют камнями (щебнем или кварцем) размером от 25 до 100 мм;
тарелочные колонны, которые по высоте разделены горизонтальными тарелками различных конструкций.
Простейшей тарелкой является ситчатая провальная тарелка, представляющая собой сито с круглыми или продолговатыми отверстиями (рис. 7.9, а). Тяжелая фаза (жидкость) стекает с верхней тарелки на нижнюю через те же отверстия, через которые легкая фаза (газ или пар) поднимается наверх, вступая в контакт с падающими струями и барботируя через жидкий слой на тарелке. Главный недостаток подобного устройства — неустойчивость в работе, так как даже при незначительных колебаниях давления под тарелкой отдельные отверстия то пропускают жидкость, то, наоборот, начинают пропускать газ. Устойчивую работу тарелок можно обеспечить, устроив переливные трубки для жидкости (рис. 7.9, б). Жидкость на верхней тарелке переливается через трубку на нижнюю тарелку, а газ или пар проходит через отверстия в верхней тарелке и барботирует через слой жидкости. Необходимую толщину слоя жидкости на тарелке обеспечивает водослив, через который сливаются излишки жидкости. Нижний конец переливной трубки утоплен в жидкости, что создает гидравлический затвор, делающий невозможным переход газа или пара по трубке.
Колпачковые тарелки также снабжены переливными устройствами (например, сливными трубками, рис. 7.10), а проход газа или пара осуществляется через небольшие по высоте патрубки, сверху закрытые колпачками. Пар или газ под действием разности давлений под тарелкой и над тарелкой барботирует через прорези в колпачке и слой жидкости. В отличие от ситчатых тарелок колпачковые не засоряются твердой примесью, содержащейся в разделяемой смеси, и поэтому широко используются в спиртовой промышленности.
Клапанные тарелки (рис. 7.11) принципиально отличны от первых двух типов тарелок. Над прямоугольным или круглым отверстием в тарелке лежит плоский клапан, который при отсутствии давления снизу перекрывает отверстие. Когда давление под тарелкой возрастает, клапан приподнимается и пропускает газ или пар. Высота подъема клапана в пределах свободы, предоставляемой кронштейнами-ограничителями, зависит от разности давлений. Последнее обстоятельство позволяет поддерживать постоянную скорость движения пара или газа, что делает работу колонны устойчивой даже при колебаниях давления.
Совершенство тарелок оценивают по достигаемой площади поверхности контакта фаз, гидравлическому сопротивлению газу или пару, устойчивости работы при колебаниях подачи газа или пара. Колпачковые тарелки по этим показателям совершеннее ситчатых, но уступают клапанным тарелкам.
Описанные контактные устройства не исчерпывают их многообразия в современных массообменных аппаратах. Подробнее с этими устройствами можно познакомиться в специальной литературе.
Контрольные вопросы и задания. 1. Почему необходимо перемешивать фазы в массообменном аппарате? 2. Под действием каких сил движутся потоки в колонных аппаратах? 3. Поясните роль насадки. 4. На какие две группы можно разделить колонные аппараты? 5. Какие тарелки используют в аппаратах колонного типа?