Насадочные аппараты

Данные аппараты представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, заполненные твердой насадкой, предназначенной для увеличения поверхности контакта газовой и жидкой фаз. Отдельными элементами насадки могу служить тела довольно сложной формы. Разработано множество вариантов их конструкции (рис.4).

В зависимости от режима работы насадочного аппарата основной поверхностью контакта газовой и жидкой фаз могут являться внешняя поверхность жидкой пленки, стекающей по элементам насадки (режимы пленочный и подвисания) либо поверхности пузырьков газа и капель жидкости (режим эмульгирования). Как правило, насадочные аппараты работают при противоточном движении фаз, при этом жидкая фаза подается в верхнюю часть абсорбера, а газовая - в нижнюю (рис.5).

Насадка 1 укладывается в колонну 2 на опорные решетки 3, имеющие отверстия для прохода жидкости и газа, служащие одновременно для равномерного распределения последнего. Первоначальное распределение жидкости по насадке осуществляется с помощью распределительного устройства 4, в качестве которого могут использоваться распределительные тарелки, форсунки, центробежные оросители и т.д. Однако по мере стекания жидкости по насадке равномерность ее распределения нарушается в силу так называемого пристеночного эффекта. Он обусловлен неоднородностью заполнения элементами насадки поперечного сечения аппарата, а именно невозможностью плотной укладки элементов насадки вблизи обечайки (цилиндрических стенок колонны)в силу геометрических причин. Это приводит к большему свободному объему вблизи стенок колонны, что уменьшает гидравлическое сопротивление потоку жидкости и вызывает преимущественное стекание жидкости от центра к периферии. Для предотвращения данного явления насадку укладывают секциями высотой не более 3 метров в каждой.

Р ис. 4. Виды насадок:

а) деревянная хордовая;

б) кольца Рашига в навал и с упорядоченной укладкой:

в) кольцо с вырезанными и внутренними выступами (кольцо Паля);

г) керамические седла Берля;

д) седла «Инталокс»;

е) кольцо с крестообразными перегородками;

ж) кольцо с внутренними спиралями;

з) пропеллерная насадка.

Рис. 5. Насадочный абсорбер с секционной загрузкой насадки: 1 - насадка; 2 - колонна; 3 - опорная решетка; 4 - распределительное устройство; 5 - перераспределитель жидкости; 6 - гидравлический затвор.

При этом между секциями располагают перераспределительные устройства 5, восстанавливающие равномерность орошения насадки. Над распределительным устройством 4, как правило, устанавливают брызгоуловители для предотвращения уноса капель жидкости газовым потоком.

Гидродинамические режимы насадочных аппаратов

В зависимости от относительной скорости движения газовой и жидкой фаз в насадочном аппарате можно выделить различные режимы его работы.

Пленочный режим реализуется при малых скоростях газа (слабое взаимодействие), что позволяет не учитывать его влияние на пленочное гравитационное течение жидкости.

Режим подвисания наблюдается при увеличении скорости газа, приводящей к торможению внешних слоев жидкой пленки, увеличению ее толщины и количеству удерживаемой жидкости.

Режим захлебывания (эмульгирования) достигается дальнейшем увеличением скорости газа, при которой средняя по толщине скорость пленки стремится к нулю. Наступает инверсия фаз - жидкость заполняет весь свободный объем насадки и становится сплошной фазой, а газ пробулькивает сквозь нее в виде отдельных пузырьков, поэтому этот режим еще называют барботажным.

Режим уноса наблюдается при еще больших скоростях газа, когда жидкость выносится из аппарата, однако этот режим не является рабочим и в дальнейшем рассматриваться не будет.

Выбор гидродинамического режима работы насадочного аппарата обусловлен рядом факторов.

Обычно при пленочном режиме плотность орошения выбирают больше минимальной, обеспечивающей смачиваемость всей поверхности насадки (при , доля смоченной поверхности насадки ). В том случае, если расхода свежего абсорбента для этого недостаточно, то используют схему с рециркуляцией, добавляя к нему часть жидкой фазы, вышедшей из абсорбера. Подобная схема имеет смысл и в том случае если основное сопротивление массопередачи сосредоточенно в жидкой фазе, позволяя увеличить коэффициент массоотдачи в жидкости за счет возросшей скорости ее движения. Однако следует иметь в виду, что рециркуляция уменьшает движущую силу процесса. При увеличении скорости газа, т.е. при переходе от пленочного режима к режиму захлебывания происходит возрастание коэффициента массопередачи и доли активной поверхности , однако при этом резко увеличивается гидравлическое сопротивление аппарата . Еще одним недостатком режима эмульгирования является его неустойчивость, поскольку малое изменение скорости газа или плотности орошения может перевести работу аппарата в режим подвисания либо уноса. Таким образом, выбор гидродинамического режима является задачей оптимизации. Параметром при этом в случае фиксированных расходов газовой и жидкой фаз служит диаметр аппарата.