6. Отличительные особенности, принципы действия и основные характеристики аппаратов типа тарельчатые абсорберы

Введение

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на границе раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыливающие.

1.Тарельчатые абсорберы

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.

2.Гидродинамические режимы работы тарелок

Эффективность тарелок любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Поэтому до описания основных конструкций тарелок рассмотрим эти режимы.

В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамических режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также величину поверхности контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой режим наблюдается при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная система –– пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит на поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушении их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз на барботажных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

Следует отметить, что переход от одного режима к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов (критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пределам работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.

3. Конструкции тарелок

На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

Тарелки можно подразделить на три основные группы:

1) Тарелки перекрестного типа, в которых движение газа и жидкости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит.

2) Тарелки провального (беспереливного) типа, в которых переливные устройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости.

3) Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости (прямоточные). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания жидкости и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента.

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).

3.1.Тарелки перекрестного типа

Тарелки перекрестного типа получили наибольшее распространение в промышленности. К ним относятся колпачковые, ситчатые, клапанные, с S-образным элементом и колпачково -ситчатые. На этих тарелках движение газа и жидкости осуществляется перекрестным током, что способствует интенсивному массообмену. Тарелки этого типа имеют переливные устройства для перетока жидкости с верхней на нижерасположенные тарелки.

3.1.1.Ситчатые тарелки

Колонна с сетчатыми тарелками (рис. XI-18) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизон­тальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности про­сверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.

Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачиваться (или «проваливаться») через отверстия та­релки на нижерасположенную, что должно привести к существенному сни­жению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной ско­ростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотв­ратить стекание жидкости через от­верстия тарелки.

Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью мон­тажа, осмотра и ремонта. Гидравли­ческое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчи­во работают в довольно широком ин­тервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, кото­рые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых та­релок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

Разновидностью абсорберов с ситчатыми тарелками являются так на­зываемые пенные абсорберы, тарелки которых, как указыва­лось, отличаются от ситчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность пенных аппа­ратов выше, чем эффективность абсорберов с ситчатыми тарелками. Одна­ко вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопро­тивление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

Фирмой APV – West (Англия) разработана комбинированная колпачково-ситчатая тарелка, отличительной особенностью которой является установка между колпачками перфорированной перегородкой. Такая тарелка может работать в двух режимах в широком диапазоне нагрузок. При малых нагрузках по газу тарелка работает как колпачковая без образования на полке барботажного слоя. При больших нагрузках на перфорированной перегородке образуется барботажный слой.

3.1.2.Колпачковые тарелки

С вое название аппараты получили из-за специальных газораспределительных устройств (колпачков), устанавливаемых на тарелке. Количество и диаметр колпачков зависят от диаметра аппарата. На рис. 22 показана схема тарельчатой колонны с одним колпачком большого диаметра, уста­новленным по центру аппарата. Ап­парат состоит из нескольких, соеди­ненных между собой цилиндрических обечаек 2, между которыми установ­лены горизонтальные перегородки 1 с центральным патрубком 6. На этот патрубок с коаксиальным зазором устанавливается круглый колпак 5 с прорезями в нижней части. На перегородках смонтированы также переливные трубы 4, верхний срез которых обеспечивает заданный уро­вень жидкости на полке. Нижним своим срезом труба входит в слой жидкости на нижерасположенной та­релке и служит гидравлическим затво­ром, препятствующим прохождению газа по переливным трубам. Подлежа­щий очистке газ проходит центральное отверстие и далее через прорези в кол­паке барботирует в виде пузырьков через слои жидкости, образуя пенный слой 3, после чего поступает на вышерасположенную тарелку. Жидкость перекрест­ным током перемещается по тарелке и затем переливается сверху вниз. Тарелки с одним центральным отверстием применяют, когда наблюдается опас­ность забивки отверстий колпачков с малым диаметром. Если такой опасности не существует, то на тарелке устанавливают несколько колпачков малого диаметра. С увеличением количества колпачков улучшаются условия контакта газа с жидкостью, но усложняется конструкция тарелки и повышается опас­ность забивки отверстий колпачка твердыми отложениями.

Чем меньше диаметр колпачка, тем меньше потери эффективной площади тарелки, что видно из примера для тарелки диаметром 1 м. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изме­нениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно выте­сняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых ап­паратов.

3.1.3.Клапанные и балластные тарелки

Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для рабо­ты в условиях значительно меняющихся скоростей газа.

Принцип действия клапанных тарелок состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регули­рует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличи­вается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна-ограничителя и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны работают так же, как и круглые. Они имеют фор­му неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) зак­рывает прямоугольное отверстие в тарелке.

Балластные тарелки отличаются по устрой­ству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном и кронштейном-ограничителем установлен на коротких стойках, опираю­щихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан начи­нает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличе­нием скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и пол­ным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа. Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, по­стоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и бал­ластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К не­достаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта. Известны разновидности клапанных и балластных тарелок, отличающиеся конструк­цией клапанов (балластов) и ограничителей.

3.1.4.Пластинчатые тарелки

Э ти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных выше, работают при однонаправленном движении фаз, т. е. каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в це­лом работает с противотоком фаз. В колонне с пластинчатыми тарелками (рис. Х1-24) жидкость (движение которой показано на рисунке сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравлический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку 3, состоящую из ряда наклонных пластин 4. Дойдя до первой щели, образованной наклон­ными пластинами, жидкость встречает­ся с газом (пунктирные стрелки), ко­торый с большой скоростью (20—40 м/сек) проходит сквозь щели. Вследст­вие небольшого угла наклона пластин (α_т = 10—15°) газ выходит на тарел­ку в направлении, близком к парал­лельному по отношению к плоскости тарелки. При этом происходит эжектирование жидкости, которая дисперги­руется газовым потоком на мелкие кап­ли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где процесс взаимо­действия жидкости и газа или пара повторяется. В результате жидкость с большой скоростью движется вдоль тарелки от переливной перегородки 2 к сливному карману 5. В данном случае нет, необходимости в установке пе­реливного порога у кармана 5, что уменьшает общее гидравлическое сопро­тивление тарелки. Таким образом, пластинчатые та­релки работают так, что в отличие от тарелок других конструкций жид­кость является дисперсной фазой, а газ — сплошной, и контактирование жидкости и газа осуществляется на поверхности капель и брызг. Описанный гидродинамический режим газо­жидкостной дисперсной системы на контактной тарелке может быть опре­делен как капельный или капельно-брызговой. Этот режим позволяет резко повысить нагрузки по жидкости и газу в колоннах с пластинча­тыми тарелками. Помимо работы пластинчатых тарелок в интенсивном капельном режи­ме к числу их достоинств относятся: низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными жидкостями, низкий расход ме­талла при их изготовлении. На тарелках этого типа уменьшается продоль­ное перемешивание жидкости, что приводит к увеличению движущей силы массопередачи. Недостатками пластинчатых тарелок являются: трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходах жидкости. В настоящее время разработан ряд других конструкций таре­лок с однонаправленным движением жидкости и газа, описание которых приводится в специальной литературе.

3.1.5.Тарелки с S-образными элементами

Тарелки с S-образными элементами изготовляют из полос металлического проката одинакового профиля, которые при сборке образуют колпаки и желоба. Колпачки с торцов закрыты заглушками. На тарелке предусмотрена переливная планка , через которую жидкость поступает в желоба, и сливная перегородка 1 для слива жидкости на ниже расположенную секцию. Такие тарелки изготовляют диаметром 1-4 м и устанавливают в аппарате на расстоянии 450-900 мм.

3.2.Прямоточные (струйные) тарелки

Рис. 32. Схема двухпоточной струйной тарелки с переливами: 1-штампованная решетка; 2,4-барботажные слои; 3-боковой перелив; 5-перегородка; 6-центральный перелив; 7-поддон.

Это тарелки с направленным движением газа и жидкости. Такое движение снижает продольное перемешивание жидкости на полке, что повышает ее эффективность и снижает гидравлическое сопротивление. Прямоточные тарелки могут быть выполнены с переливами и без них. Сливных порогов на струйных тарелках, как правило, не устанавливают. Тарелку выполняют из плоского листа, в котором выштампованы отверстия. Причем отверстия не сплошные, а в виде неполного надреза металла. Образующийся при этом «язык» длиной 30-50 мм отогнут вверх или вниз под углом 15-20 градусов к плоскости тарелки. Все языки в однопоточных тарелках отогнуты в одну сторону, а в двухпоточных – в разные стороны, что обеспечивает передвижение на полке в том же направлении, что и давление газа. Изменяя направление отверстий, можно обеспечить круговое или радиальное направление движения жидкости на тарелке от центра к периферии или от периферии к центру. Разновидностью струйных тарелок являются чешуйчатые, пластинчатые и с отбойными элементами. Чешуйчатые тарелки выполнены из просечно-вытяжного листа с отогнутыми вверх «языками». Пластинчатая тарелка не штампуется из целого листа, а набирается в виде пакета пластин, устанавливаемых под углом 10-20градусов. Для аппаратов большой производительности применяют струйные тарелки с отбойниками или продольно-секционированные тарелки. В таких тарелках для стабилизации барботажного слоя над рабочим элементом тарелки под углом 50-70градусов к плоскости тарелки устанавливают отбойные элементы в виде перфорированных листов или решеток.

3.3.Провальные тарелки

С целью упрощения конструкции абсорбционных аппаратов созданы тарелки провального типа. Газ и жидкость в провальных тарелках проходят через одни и те же отверстия тарелки противотоком. Жидкость на тарелке удерживается за счет равновесия между статистическим давлением газа и высотой слоя жидкости на полке. Если высота слоя жидкости увеличивается без соответствующего увеличения напора газа, то равновесие нарушается и жидкость сливается через те же отверстия, по которым проходит газ. Провальные тарелки по конструкции такие же, как и ситчатые, но отличаются от них отсутствием переливных устройств. Как и ситчатые тарелки, они могут работать в узком диапазоне нагрузок. Провальные тарелки могут иметь различное конструктивное исполнение. Провальные тарелки с упорядоченным переливом жидкости показаны на рис. 36. На рис. 36а приведении ступенчатая тарелка с круглыми отверстиями одинаковой перфорации. В желобах высота слоя жидкости больше, чем на гребнях, поэтому происходит ее провал в подрешеточное пространства. С этой же целью делают тарелки с различной перфорацией(рис. 36 б). Провал жидкости в этом случае происходит через более крупные отверстия. Щелевая тарелка (рис. 36, в) подобна ступенчатой, но вместо круглых от­верстий имеются щели для прохода газа и жидкости. Отверстия для прохода газа в провальных тарелках могут быть выполнены в виде фрезерованных или штампованных щелей. Такие тарелки называются решетчатыми. В слу­чае, если при абсорбции газов требуется одновременный подвод или отвод тепла, то провальные тарелки могут быть смонтированы из труб в виде зме­евика или трубной решетки. Причем змеевик может иметь плоскую или конусную форму.

Разновидностью ступенчатых провальных тарелок являются гофрированные (волнистые) тарелки. Их изготовляют из перфорированных листов толщиной 2,5—3 мм. Диаметр отверстий 3—8 мм. Такие тарелки способны работать в более широком диапазоне нагрузок. Провальные тарелки могут быть выполнены из стального проката различного профиля.

Разработана тарелка с регулируемым свободным сечением (рис. 38), что позво­ляет работать в широком диапазоне нагру­зок. Главной частью тарелки является сильфон, который реагирует на изменения давления в аппарате и с помощью систе­мы рычагов изменяет свободное сечение тарелки. Если давление увеличивается, то сечение тарелки снижается, при снижении давления сечение тарелки увеличивается, а скорость газа при различных нагрузках остается примерно одинаковой.

Представляет интерес разработанная О. С, Чеховым и сотрудниками простая по конструкции, но эффективная тарелка с двумя зонами контакта фаз и объем­ным разрушением пены (рис. 39). Отдель­ный элемент тарелки устанавливается на плато 4, он состоит из перфорированного стакана 3, переливного стакана 1, отбойно­го диска 5 и дренажной трубы 2. Основ­ная поверхность массопередачи создается на тарелке 4 в зоне барботажного слоя. Наличие отбойного диска в перелив­ном устройстве позволяет создать в межтарельчатом пространстве дополни­тельную пленочную зону, обеспечивающую увеличение эффективности массо-обмена на единичной ступени контакта фаз. Кроме того, достигается объем­ное разрушение пены за счет поступления ее в перфорированный стакан 3, с отбойным кольцом в центральной части. При переполнении стаканов 1 и 3 жидкость может свободно выйти через дренажную трубу 2.

Заключение

Барботажные абсорберы тарельчатого типа, имеющие наибольшее применение, выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта.

Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости. Каждый из типов перечисленных выше аппаратов имеют свои достоинства, а следовательно и области широкого применения.

Тарелки перекрестного типа получили наибольшее распространение в промышленности. Колонны с колпачковыми тарелками постепенно выте­сняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых ап­паратов. Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для рабо­ты в условиях значительно меняющихся скоростей газа. С целью упрощения конструкции абсорбционных аппаратов созданы тарелки провального типа.