Практическое занятие № 32

3.2.2.2. Тарелки провального типа

Эти тарелки отличаются простотой конструкции и не имеют переливных устройств. При очень малых скоростях газа жидкость полностью протекает через отверстия. С повышением скорости газа жидкость начинает задерживаться на тарелке и газ барботирует через жидкость. Барботаж на провальных тарелках происходит неравномерно: через часть отверстий движется газ, а через остальные отверстия протекает жидкость. При этом, газ и жидкость попеременно проходят через одни и те же отверстия. Чтобы жидкость проваливалась через отверстия, на тарелке должен быть определённый её слой, зависящий от скорости газа. При её повышении провал жидкости в первый момент прекращается и становится возможным лишь после того, как вследствии поступления на тарелку свежей жидкости, установится новый более высокий уровень её.

Тарелки провального типа, как и ситчатые, могут работать только в сравнительно узком диапазоне нагрузок по газу, поскольку при малых нагрузках на тарелке отсутствует слой жидкости.

На провальных тарелках происходит полное перемешивание жидкости, вследствии чего они по эффективности несколько уступают тарелкам перекрёстного типа.

Различают провальные тарелки следующих типов (рис.109.):

а) Дырчатые. Как правило, они имеют прямоугольные фрезерованные или штампованные щели шириной 3 – 6 мм. Иногда щели образуются путём набора тарелки из полос (колосников).

б) Решетчатые. Используются в больших колоннах где тарелку собирают из отдельных секций в которых устроены короткие щели длиной 60 – 120 мм.

в) Трубчатые или трубчато – решетчатые. Они составляются из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся газ и жидкость. По трубам движется хладоагент. Две наиболее распространённые конструкции приведены на рис.15. Испытан трубчатый абсорбер в котором пучок вертикальных труб проходит через отверстия в тарелках. Эти отверстия имеют диаметр несколько больший чем наружный диаметр труб; в результате, образуются кольцевые зазоры для прохода газа и жидкости. Охлаждающая вода стекает плёнкой по внутренней поверхности труб.

г) волнистые или гофрированные. Эти тарелки штампуются из металлических перфорированных листов толщиной 2,5 – 3 мм с диаметром отверстий 3 – 8 мм. Гофр имеет тем более крупные размеры, чем больше нагрузка по жидкости. Отношение высоты гофра к расстоянию между гофрами (h/b) равно 0,2 – 0,4.

Р ис.109. Схема тарелок провального типа

а) Дырчатые тарелки; б) Решетчатые (щелевые) тарелки; в) Трубчатые тарелки; г) Трубчато – решетчатые тарелки; д) Волнистые (гофрированные) тарелки.

1. Щели; 2. Труба; 3. Перфорированный лист; 4.Коллекторы.

Тарелки располагают в колонне так, чтобы гофры смежных тарелок были взаимно перпендикулярны. Эти тарелки работают в более широком диапазоне нагрузок и лучше функционируют при загрязнённых жидкостях, причём их отверстия загрязняются медленнее чем в обычных провальных тарелках.

д) Тарелки с различной перфорацией . Они представляют собой разновидность дырчатых тарелок. Обычно, в центре отверстия малого диаметра (порядка 2 мм), а на остальной кольцевой площади отверстия крупного диаметра (порядка 6 – 8 мм). Площадь, занятая мелкими отверстиями, составляет 15 – 50 %. В этих тарелках через мелкие отверстия проходит только газ, а через крупные и газ и жидкость; т.е. крупные отверстия играют роль переливного устройства. Они устойчиво работают в более широком диапазоне нагрузок, чем другие типы провальных тарелок.

е) Клапанные провальные тарелки. В них крупные отверстия или щели перекрыты клапанами. Подъём клапанов зависит от нагрузки по газу. Это увеличивает диапазон работы тарелок.

3.2.2.3. Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости

Подобных конструкций очень много. Рассмотрим лишь несколько наиболее распространённых.

Тарелки Киттеля

В тарелке Киттеля (рис.110.) отверстия образуются попарно двумя параллельными прорезями, причём, полоска между этими прорезями изгибается так, что одна её сторона лежит ниже, а другая выше плоскости тарелки.

Р ис.110. Схема тарелки Киттеля

Таким образом, плоскости отверстий расположены вертикально, а выходящий через отверстия газ движется сначала горизонтально, в результате чего, жидкость на тарелке получает движение в том же направлении. Направление движения жидкости определяется расположением отверстий. На тарелке «А» с круговым движением жидкость течёт в направлении, указанном стрелками, от сектора к сектору. На тарелке «В» жидкость движется радиально от переферии к центру.

Обычно, тарелки Киттеля устанавливают попарно с расстоянием между ними около 200 мм, причём, на нижней жидкость имеет радиальное, а на верхней – круговое движение. Между парой тарелок иногда насыпают насадку из колец Рашига с диаметром порядка 25 мм. Над каждой парой этих тарелок устанавливают брызгоотбойную тарелку такой же конструкции, но с более широкими щелями. Описанные тарелки, обычно, не имеют переливных устройств.

Особенность таких тарелок – относительно тонкий слой жидкости, который хорошо распределён по всему сечению тарелки и низкое гидравлическое сопротивление.

Многоугольная тарелка Киттеля

При больших нагрузках по жидкости энергии газового потока недостаточно для создания направленного движения жидкости. В этом случае применяют многоугольные тарелки Киттеля (рис.111.).

Эти тарелки имеют переливные устройства, причём, жидкость на смежных тарелках движется или от переферии к центру, или от центра к переферии, совершая одновременно круговое движение по тарелке. Круговое движение сообщается жидкости вследствии её поступления на тарелку через косо расположенные жалюзийные отверстия.

Р ис.111. Многоугольная тарелка Киттеля.

Тарелка из «S» – образных элементов

Подобная тарелка (рис.112) собирается из штампованных «S» образных элементов, которые образуют патрубки (колпачки) для прохода газа.

Р ис.112. Схема тарелки из «S» образных элементов.

С торцов патрубки закрыты заглушками. С одной стороны каждого колпачка имеется трапецивидные прорези. Вследствии одностороннего выхода газа из-под копачков создаётся направленное движение жидкости поперёк элементов в сторону перелива.

Чешуйчатая (струйная) тарелка

Наиболее распространённые разновидности подобной тарелки приведены на рис.113.

Чешуйчатая тарелка «а)» имеет направляющие прорези чешуйчатой формы с отогнутой вверх вырезанной частью. Тарелка имеет переливное устройство, но без сливного порога. Она работает в барботажном режиме лишь при сравнительно невысоких скоростях газа. При повышении скорости газа барботажный режим переходит в струйный (капельный), в котором сказывается направленное действие газовых струй. В струйном режиме сплошной фазой становится газ, а жидкость распыляется на капли. Такой режим отвечает наибольшей поверхности контакта фаз и является рабочей областью.

Видоизменением чешуйчатой тарелки является пластинчатая конструкция «б)». Тарелка собирается из наклонных пластин, между которыми движется газ, сообщая жидкости движение в сторону слива. Сливной порог отсутствует.

Струйная тарелка с отбойниками «в)» изготавливается из просечно – вытяжного листа. При этом, отогнутые кромки листов основания образуют с плоскостью тарелки острый угол.

Тарелка Бентури «г)» рекомендуется при больших нагрузках по жидкости.

Р ис.113. Схема чешуйчатой (струйной) тарелки

а) Истинно чешуйчатая тарелка; б) Пластинчатая тарелка; в) Тарелка с отбойниками; г) Каскадная тарелка Бентури.

3.2.2.4. Тарелки прочих типов.

Наиболее распространённые конструкции приведены на рис.114.

Р ис.114. Схема однонаправленных тарелок прочих типов.

а) Простая тарелка; б) Секционированная тарелка; в) Тарелка Левы.

1. Барботажная часть тарелки; 2. Переливной патрубок; 3. Распределительный диск.

Тарелка типа «а)» представляет собой комбинацию барботажной тарелки (например, сетчатой) с дополнительной зоной контакта фаз в межтарелчатом пространстве. Жидкость из барботажной части тарелки стекает через переливной патрубок 2 и далее вытекая из кольцевой щели между обрезом патрубка 2 и распределительным диском 3, образует плёнку, перекрывающую сечение колонны (показано пунктиром). Газ прорывается через плёнку у переферии, причём, при достаточно большой скорости газа происходит распад плёнки на капли; при этом, и образуется дополнительная (плёночная) зона контакта. Плёночная часть оказывает сепарирующее действие на газ и уменьшает брызгоунос. В аппаратах больших диаметров барботажную часть секционируют на отдельные ячейки с самостоятельным переливом «б)». Разновидностью секционной тарелки является устройство Лева «в)». Она состоит из сплошного листа с закреплёнными на нём патрубками, направленными вниз. Вытекающая через патрубки жидкость движется в виде плёнки по тарелке, соприкасаясь с газом. Тарелки располагаются на малом (порядка 50 мм) расстоянии друг от друга и обладают очень низким гидравлическим сопротивлением (50 – 100 Па).

Практическое занятие № 33

3.2.3. Абсорберы с подвижной насадкой

В подобных аппаратах лёгкие насадочные тела поддерживаются током газа в псевдоожиженном состоянии. В качестве насадочных тел обычно используют полые или сплошные шары из полиэтилена, полипропилена, пенополистирола и т.д., а также из пористой резины. Можно использовать кольца, у них эффектив­ность выше, но больше сопротивление.

Положение насадки фиксируется нижней (опорной) и верхней (ограничи­вающей) решетками. Нижняя служит для поддержания насадки, верхняя - пре­пятствует уносу. Живое сечение опорных решеток 0,35 - 0,45; ограничительных 0,3 - 0,5. Статическая высота слоя насадки 0,2 - 0,3 м; расстояние между решет­ками 1,0 - 1,5 м, что допускает 3-4 кратное расширение слоя. Скорость газа 2,5 -5,0 м/с

В некоторых случаях (при большой статической высоте слоя или при большом диаметре) наблюдается неравномерное псевдоожижение: насадка дви­жется вверх по одной стороне аппарата и возвращается вниз нетурбулизирован-ным нисходящим потоком по другой стороне. При этом, контакт между газом и жидкостью ухудшается. Поэтому, в этих случаях пространство между решетками делят вертикальными перегородками на квадратные, прямоугольные или сектор­ные отсеки.

Конструкция подобных аппаратов приведена на рис.115.

Рис.115. Схема абсорбера с подвижной насадкой.

1. Опорная решетка: 2. Ограничительная решена; 3. Шаровая насадка; 4. Ороситель.

Для улучшения распределения жидкости и уменьшения брызгоуноса пред­ложены конические аппараты, в которых сечение возрастает по направлению вверх с одновременным уменьшением скорости газа от 6 - 10 до 1 -2 м/с.

Такие абсорберы применяют при загрязнённых газе и жидкости. Они мо­гут работать при больших скоростях газа без захлёбывания и обладают высоким коэффициентом массопередачи.

Недостатком подобных аппаратов является довольно высокое гидравличе­ское сопротивление, значительный (по сравнению с неподвижной насадкой) брызгоунос и износ шаров.

3.2.4. Абсорберы с механическим перемешиванием жидкости

Конструкция подобных аппаратов приведена на рис.116.

Такие абсорберы представляют собой сосуды с мешалками, в которых газ барботирует через слой перемешиваемой жидкости. Механическое перемешивание повышает скорость массопередачи, т.к. касательные напряжения, возникаю­щие в жидкости при перемешивании, вызывают дробление пузырьков газа, что ведёт к увеличению поверхности соприкосновения фаз- Их сопротивление опре­деляется высотой уровня жидкости.

Подобные аппараты применяют при небольших отношениях газ; жидкость, а также, если в жидкости есть механические примеси или требуется длительное время пребывания жидкости в аппарате. Тепло отводится с помощью рубашки или змеевика по которым пропускают хладоагент.

Наиболее употребительны турбинные мешалки с прямоугольными лопа­стями (а), создающие радиальный поток перемешиваемой жидкости. Чтобы избе­жать образования воронки у стенок располагают отражающие перегородки.

Рекомендуются следующие соотношения: Н/D = 1 - 4 и D/d = 2,5 - 4. Ок­ружная скорость на конце лопаток 3-8 м/с.

При больших отношениях (H/D) > 2,5) применяют многорядные мешалки. При малом расстоянии между турбинами нижняя турбина создает осевое движе­ние жидкости, что не благоприятствует абсорбции. Наилучшие результаты дости­гаются при h/d =3-7.

Р ис.116. Схема абсорберов с механическим перемешиванием жидкости.

а) Аппарат с центральный вводом газа; б) Аппарат с вводом газа через перфорированное кольцо, в) Аппарат с вводом газа через вал.

3.3. Распиливающие абсорберы

Распиливающие абсорберы делятся на три группы:

1. Полые (форсуночные) - представляют собой колонны или камеры в которых движется газ, встречающий на своём пути жидкость, распыляемую на капли при помощи форсунок (распылителей);

2. Скоростные прямоточные распиливающие абсорберы, в которых рас­пыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газового потока;

3. Механические распиливающие абсорберы, в которых жидкость рас­пыляется вращающимися деталями.

3.3.1. Форсуночные абсорберы

В этих абсорберах (рис.117) газ обычно движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны распылители с направ­лением факела распыла сверху вниз «а)» или под некоторым углом к горизон­тальной плоскости «б)». Во многих случаях, особенно при большой высоте ко­лонны, распылители располагаются в несколько ярусов. При этом, факелы распы­ла направляют сверху вниз или под углом к горизонтальной плоскости, либо, на­конец, снизу вверх. Применяют также комбинированную установку распылите­лей: часть факелом вверх, а часть факелом вниз. Наиболее низкий коэффициент массопередачи в случае «г)», а наиболее высокий в «е)».

В абсорбере, где распылители с направлением факела сверху вниз распо­ложены в один ярус теоретически осуществляется противоток. Однако, вследствии циркуляции и перемешивания газа такие аппараты по характеру контакта газа и жидкости ближе к аппарату с полным перемешиванием и эффективная движу­щая сила в них ниже, чем в противотоке.

В многоярусных полых абсорберах, а также в абсорберах с направленным факелом распыла вверх, противоток отсутствует, хотя движущая сила примерно такая же, а эффективность выше.

В рассмотренных абсорберах газ распределяется неравномерно, что сни­жает их эффективность. Предложено несколько конструкций, улучшающих распределение газа. Например, «в)». Через отверстие в пережиме газ идёт с большой скоростью (6-10 м/с), что способствует более равномерному его распределению вследствии добавочного сопротивления в пережиме. Добавочное сопротивление может быть создано также тонким слоем насадки, отделяющим струю газа от ос­новного объёма аппарата.

В циклонном распиливающем абсорбере (скруббере) сделана попытка из­бежать неравномерности в распределении газа (рис.118).

Газ движется вверх по винтовой линии, а поглотитель разбрызгивается че­рез расположенные на центральной трубе 1 форсунки 2. Часть поглотителя попа­дает на стенки и стекает по ним плёнкой. Но достичь равномерности в распреде­лении газа не удалось, т.к. у стенки он движется со сравнительно большой скоро­стью (по винтовой линии), а в центре аппарата скорость газа мала. Поверхность контакта фаз в полом абсорбере пропорциональна плотности орошения, поэтому, при низких степенях орошения эти абсорберы работают неудовлетворительно. Обычно применяют плотность орошения не ниже 10 - 20 м/ч и не выше 30 - 45 м/ч. Во избежании уноса распылённой жидкости скорость газа не превышает I -5,5 м/с.

Достоинством полых распиливающих абсорберов служит простота конст­рукции, низкая стоимость, малое гидравлическое сопротивление и возможность работы при сильно загрязнённых газах.

Недостатками подобных аппаратов является невысокая эффективность, обусловленная перемешиванием газа и плохим заполнением объема факелом рас­пыленной жидкости. Кроме того, расход энергии на распыление жидкости до­вольно высок (0,3 - 1,0 кВт ч на 1 т жидкости).

В качестве форсунок в основном используются: механические, центробеж­ные и ударные устройства (рис.119).

Рис.118. Схема циклонного скруббера