Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
5.47 Mб
Скачать

есть в положение близкое к горизонтальному и большая часть поверхности насадки располагается в направлении потока фаз. В результате этого снижается гидравлическое сопротивление насадочного слоя, достигается более высокая производительность и эффективность по сравнению с обычными кольцевыми насадками.

Можно также выделить группу насадок, форма которых занимает промежуточное положение между кольцевыми и седлообразными насадками. Эти насадки изготавливаются из листового металла методом штамповки, что делает их производство высокотехнологичным и снижает их стоимость. У этих насадок поверхность формируется полосами или лепестками отогнутыми в противоположном направлении, что обеспечивает равномерную укладку насадок и снижает возможность плотного прилегания отдельных элементов.

Наиболее удачной следует признать конструкцию насадки «Raschig Super-Ring» (рис. __), имеющей волнообразную структуру поверхности, которая способствует формированию пленки жидкости и увеличивает ее турбулизацию. К этой группе насадок относится также насадка «Инжехим-2000», разработанная ИВЦ «Инжехим» совместно со специалистами Казанского Государственного Технологического Университета. Насадка изготовляется штамповкой из листового металла и имеет несколько модификаций

4.4 Современные регулярные насадки.

Среди большого разнообразия регулярных насадок в последнее время получили широкое распространение насадки из гофрированных тонких листов собранных в блоки, где смежные листы расположены перекрестно, относительно вершин гофров.

Подобная конструкция обеспечивает максимальную жесткость конструкции этих блоков, от смятия под действием сил тяжести вышерасположенных блоков насадки при наименьшей толщине листа.

Кроме того, такая конструкция насадки позволяет обеспечить высокий свободный объем и большую удельную поверхность те как раз те характеристики, которые определяют эффективную работу.

На заводах газонефтехимии используются насадки давно известных и хорошо зарекомендовавших себя фирм. Это связано, прежде всего, с тем, что эти насадки хорошо изучены. Так, в нефтепереработке в вакуумных блоках установок АВТ использование регулярной насадки позволяет существенно уменьшить количество водяного пара, подаваемого в колонны в качестве отпаривающего агента. Фирма Zulzer сообщает /4/ о снижении подачи водяного пара в два раза после замены тарелок в вакуумной колонне АВТ на насадку “Меллапак 250 - Y”Рис1. При этом перепад давления в колонне составил всего 10 мм.рт.ст.

За прошедшие годы было разработано большое количество типов насадок для обеспечения эффективного процесса обмена веществ в абсорбционных, десорбционных, экстракционных и ректификационных колоннах. Больший интерес, как со стороны разработчиков,/1/ так и со стороны потенциальных

81

потребителей вызвают регулярные гофрированные насадки (РГН) имеющие высокие эксплуатационные показатели

насадка “Меллапак 250 - Y Рис 1

Пакеты насадки укладываются в колонну один на другой с поворотом на 900. При условии сборки пластин в пакет насадки, участки с углом наклона гофр 60° одной пластины накладываются на участки с углом наклона 30°смежной пластины с противоположным их направлением, что создает такую форму каналов для прохода рабочих сред между пластинами, которая

обеспечивает дополнительное многократное переформирование потоков по высоте насадки, а, следовательно, и максимальную турбулизацию потоков и минимальное гидравлическое сопротивление для насадок из гофрированной сетки или перфорированных листов, изготовленных из металлов или пластмасс.

Хотя было показано, что известные текстурированные гофрированные структурированные насадки позволяют достичь хороших результатов, они иногда плохо функционируют в некоторых ситуациях, таких как изменение параметров.

Например, было замечено, что жидкость имеет тенденцию затекать в углы гофров, что вредно для функционирования насадки. Это требует удаления или разрушения накопившейся жидкой фракции в углах или делает необходимым мириться с ухудшающимся функционированием. Поэтому желательно иметь текстурированую гофрированную структурированную насадку, которая хорошо функционирует при всех условиях дистилляции включая изменение параметров.

82

4.5 Гидродинамика в насадочных колоннах общая картина течений в насадочных аппаратах

ж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C3

 

 

 

B3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A3

 

 

 

 

C2

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2

 

 

B2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1

 

 

 

 

 

B1`

lg W0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис ___. Зависимость количества удерживаемой жидкости в слое насадки от скорости газа.

An–Bn– кривые при постоянной плотности орошения

Чаще всего в насадочных колоннах организовано противоточное движение фаз, т.е. газ (пар) движется снизу вверх, навстречу стекающей жидкости. При этом уменьшается свободный объем, а на поверхности соприкосновения фаз в результате трения возникают касательные напряжения. При противотоке газа и жидкости, в зависимости от скоростей потоков, наблюдаются четыре различных гидродинамических режима.

Режимы

E3 E2 E1

lg P

D3 D2 D1

B

C3 C2 C1

B3

B2 B1

A3

A2

A1 A

lg W0

Рис ___. Зависимость гидравлического сопротивления слоя насадки от скорости газа. A–B. – кривая для сухой насадки, An–Bn– кривые при постоянной плотности орошения

83

Пленочный режим наблюдается при малых нагрузках по обеим фазам. Этот режим характеризуется тем, количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газового потока (рис. ___, ) и влиянием взаимодействие фаз незначительно. На рис ___. этот режим соответствует отрезкам кривых An–Bn. Из-за небольшого гидравлического сопротивления пленочный режим получил наибольшее распространение при проведении процессов разделения и хорошо изучен.

Увеличение скорости газа в колонне до некоторого критического значения приводит к торможению жидкой фазы и ее подвисанию. Режим подвисания (На рис ___. этот режим соответствует отрезкам кривых Bn–Cn.) характеризуется нарушением пленочного течения жидкости. Скорость жидкости уменьшается, а толщина пленки и количество удерживаемой жидкости увеличивается. Это приводит к снижению свободного объема насадки и быстрому возрастанию сопротивления. В режиме подвисания смоченная поверхность насадки больше, чем в пленочном, что ведет к возрастанию интенсивности массопередачи.

Режим захлебывания (– отрезки кривых Cn–Dn.) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость не уравновесит силы трения. При этом наступает инверсия фаз: жидкость становиться сплошной, а газ – дисперсной фазой. При этом гидравлическое сопротивление насадочной колонны резко увеличивается, а процессы массо- и теплоотдачи значительно интенсифицируются.

Существует также и четвертый режим – режим уноса, или режим обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим характеризуется тем, что жидкость почти перестает поступать в насадку. Режим сопровождается резким снижением интенсивности массоотдачи и на практике не

4.6 Гидродинамические режимы тарельчатых аппаратов с перекрестным движением фаз.

Тарельчатые аппараты представляют собой, как правило, вертикальные цилиндрические колонны с горизонтальными перфорированными перегородками (тарелками), служащими для увеличения поверхности контакта фаз и эффективности массопередачи. В случае абсорбции в верхнюю часть колонны подается жидкая фаза, а в нижнюю - газовая, таким образом в аппарате в целом осуществляется противоточное движение фаз.

Поверхностью контакта фаз в тарельчатых аппаратах может являться поверхность газовых струй и пузырей, пены, капель и струй жидкости, а ее определение является весьма сложной задачей.

Тарельчатые абсорберы часто называют барботажными, однако это не совсем верно. К баботажным можно отнести лишь такие тарельчатые колонны, в которых газовая фаза в виде дисперсных включений проходит сквозь слой сплошной жидкой фазы. Однако, как будет показано ниже, существуют тарелки, например пластинчатые, в которых газ движется в виде сплошной

84

фазы, а жидкость - дисперсной, аппараты с такими тарелками нельзя отнести к барботажным.

По способу перетока жидкости с верхних тарелок на нижние тарельчатые аппараты можно подразделить на аппараты со сливными устройствами и без сливных устройств (провальные). В первых жидкость перетекает с тарелки на тарелку по специальным сливным (переливным) устройствам в виде труб, карманов и т.д. Во вторых - она проваливается сквозь те же отверстия в тарелках, по которым движется встречный газовый поток. По взаимному направлению движения фаз на тарелке аппараты можно подразделить на противоточные, прямоточные и с перекрестным током. Два последних случая могут реализоваться в аппаратах со сливными устройствами. Наиболее распространены аппараты со сливными устройствами и перекрестным движением фаз.

В зависимости от фиктивной скорости движения газа можно выделить три основных режима: пузырьковый, пенный и струйный.

Пузырьковый режим реализуется при малых нагрузках по газу, когда он барботирует сквозь слой жидкости на тарелке в виде отдельных пузырьков. Пенный режим устанавливается при больших расходах газа. Газ проходит в слой жидкости в виде струй, которые на некотором расстоянии от отверстий распадаются на множество мелких пузырьков с образованием пены. В этом режиме максимальны газосодержание и удельная поверхность контакта фаз аf , отнесенная к площади рабочего сечения тарелки. Этим объясняется преимущественное использование пенного режима в качестве рабочего. Недостатком пенного режима по сравнению с пузырьковым является больший унос жидкости газовым потоком на вышерасположенные тарелки, что приводит к ее обратному перемешиванию, снижая движущуюся силу процесса. Струйный режим наблюдается при дальнейшем увеличении скорости газа, когда газовые струи проходят сквозь слой жидкости не распадаясь. При этом образуется большое количество крупных брызг и резко падает высота барботажного слоя, что приводит к уменьшению поверхности контакта фаз по сравнению с пенным режимом. Унос жидкости по сравнению с пенным режимом возрастает за счет увеличения скорости газа, но снижается за счет увеличения высоты сепарационного пространства.

Одной из характеристик работы тарелки является ее гидравлическое сопротивление, т.е. потеря давления газового потока при прохождении через орошаемую тарелку рор . Обычно его рассматривают как сумму трех

составляющих: сопротивления сухой тарелки рсух, сопротивления сил поверхностного натяжения р и гидростатического сопротивления барботажного слоя рст : рор рсух р рст Стремление уменьшить гидравлическое сопротивление колонны,

складывающееся из гидравлических сопротивлений всех тарелок, обусловлено необходимостью уменьшения затрат на прокачку газа. Однако многочисленные факторы, снижающие гидравлическое сопротивление тарелки, обычно,

85

уменьшают и эффективность ее работы. Таким образом, при проектировании тарельчатых колонн следует решать достаточно сложную задачу оптимизации. Основными геометрическими характеристиками тарелок, приводимыми в справочной литературе являются: диаметр колонны (внутренний); свободное сечение колонны - площадь ее поперечного сечения; периметр слива - длина сливной перегородки, через которую переливается жидкость, попадая в сливное устройство; высота сливной перегородки - ее высота над полотном тарелки, с помощью которой регулируется уровень жидкости на тарелке; сечение перелива - площадь сечения сливного устройства; свободное (живое) сечение тарелки - суммарная площадь отверстий для прохода газовой фазы; длина линии барботажа - суммарная длина рядов всех отверстий для прохода газовой фазы через тарелку; длина пути жидкости - расстояние, которое проходит жидкость по рабочему сечению тарелки.

Рассмотрим устройство наиболее широко используемых в промышленности тарелок с перекрестным движением фаз. Ситчатые тарелки представляют собой плиту со значительным количеством небольших отверстий диаметром 3 8 мм. Достоинствами ситчатых тарелок являются: простота изготовления и монтажа, дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Основной недостаток ситчатых тарелок - узкий диапазок устойчивой работы. При малых скоростях газа жидкость начинает проваливаться в отверстия тарелки. Такой «провальный» режим не является рабочим для колонн со сливными устройствами. При значительном снижении расхода газа жидкости может полностью слиться с тарелок и колонну придется запускать заново. Еще одним недостатком ситчатых тарелок является их чувствительность к загрязнениям, которые могут забивать их отверстия небольшого диаметра.

Колпачковые тарелки лишены недостатков ситчатых. Они представляют собой плиту с достаточно крупными отверстиями (диаметром более 30 мм), к которым приварены патрубки. Над каждым патрубком установлен колпачок диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези, как правило, в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Газ поступает на тарелку через патрубки, а затем разбивается прорезями колпачка на множество мелких струй, проходя сквозь слой жидкости. Выступающие над поверхностью тарелки патрубки не позволяют жидкости сливаться вниз даже при малых скоростях газа, что расширяет диапазон устойчивой работы колпачковой тарелки по сравнению с ситчатой. Недостатками колпачковых тарелок являются значительное гидравлическое сопротивление, металлоемкость, сложность и стоимость изготовления.

Клапанные тарелки совмещают достоинства колпачковых и ситчатых тарелок. Они выполняются в виде плит с достаточно крупными круглыми или прямоугольными отверстиями, закрытыми сверху клапанами соответствующей формы.

В зависимости от расхода газа клапаны автоматически действием собственного веса регулируют степень открытия отверстия, приподнимаясь над ним. Предельная высота подъема клапана задается ограничителем. Достоинством

86

данного типа тарелок является широкий диапазон возможных изменений нагрузок по газу. При этом скорость газа в зазоре между клапанами и плоскостью тарелки остается примерно одинаковой, обеспечивая стабильность работы тарелки и малое изменение гидравлического сопротивления. В случае прекращения подачи газа клапаны закрывают отверстия и прекращают слив жидкости с тарелок. Разновидностью клапанных тарелок являются балластные, обеспечивающие еще большую равномерность их работы. В них над легким клапаном устанавливается более тяжелый балласт. При малых расходах газа поднимается только клапан, а при больших и балласт. Недостатками клапанных тарелок по сравнению с ситчатыми являются несколько большие сложность изготовления и гидравлические сопротивления при малых расходах газа.

Общим недостатком тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз является возникновение так называемого градиента уровня жидкости - разности уровней жидкости на входе и на выходе с тарелки. Этот перепад уровней обеспечивает преодоление гидравлического сопротивления жидкости при ее движении по тарелке.

Вследствие различия высоты слоя жидкости на тарелке нарушается однородность ее работы. Так, например, у входа на тарелку, где уровень жидкости выше, может наблюдаться пузырьковый режим (для ситчатых даже провальный), а у выхода с тарелки - струйный.

Градиент уровня жидкости пропорционален длине пути жидкости на тарелке и ее скорости. Поэтому наибольших значений градиент уровня жидкости наблюдается для тарелок большого диаметра и при больших расходах жидкости. Обычно в этих случаях используют двухпоточные тарелки. Они представляют собой чередование тарелок с боковым и центральным сливом жидкости, причем на каждой тарелке жидкость разделяется на два потока, движущихся в противоположных направлениях. Такая конструкция позволяет в два раза уменьшить как длину пути жидкости, так и ее скорость, что приводит к существенному снижению градиента уровня жидкости по сравнению с однопоточными тарелками.

Рассмотрим устройство и работу тарелок с прямоточным движением фаз на примере пластинчатой тарелки.

Пластинчатая тарелка представляет собой ряды наклонных пластин. Жидкость из гидравлического затвора, переливаясь через переливную перегородку, попадает на тарелку и , дойдя до первой щели, образованной наклонными пластинами, встречается с потоком газа. Газ, двигаясь с большой скоростью (15-20 м/с), увлекает жидкость, диспергирует ее в виде капель и уносит к следующей щели. Поскольку угол наклона пластин мал ( 15-20 ), то газожидкостная система движется практически параллельно плоскости тарелки. Такой режим работы тарелки может быть назван капельным, газовая фаза при этом является сплошной, а жидкая - дисперсной. В таком режиме работы нет необходимости поддерживать определенный уровень жидкости на тарелке и в отличие от тарелок с перекрестным движением фаз на прямоточных тарелках сливная перегородка не устанавливается. Основным преимуществом прямоточных тарелок является высокая нагрузка по газовой и жидкой фазам.

87

При этом градиент уровня жидкости на тарелке невелик, так как жидкость движется, в основном, за счет увлечения газовым потоком, а не под действием различия собственного уровня на тарелке.

Кдостоинствам пластинчатой тарелки относятся также невысокое гидравлическое сопротивление, простота изготовления, возможность работы с загрязненными жидкостями, малое обратное перемешивание при движении жидкости вдоль тарелки. Недостатками пластинчатых тарелок являются: снижение их эффективности при уменьшении нагрузок по газу и жидкости, возможность провала жидкости при малых расходах газа.

Кпрямоточным тарелкам относятся также чешуйчатые, представляющие собой плиту с отогнутыми вверх под небольшим углом вырезанными полукругами, а также тарелки с прямоугольными клапанами, открывающимися под углом к плоскости тарелки.

Перейдем к рассмотрению тарелок без сливных устройств, которые еще называются провальными, так как жидкость проваливается с верхней тарелки на нижнюю через отверстия для прохода газа. По взаимному направлению движения фаз на тарелке их можно отнести к противоточным. При малых скоростях газа жидкость проваливается сквозь отверстия тарелки практически без взаимодействия с газовым потоком (нерабочий режим). С увеличением скорости газа сток жидкости затрудняется и она начинает накапливаться на тарелке. При этом возможны те же режимы работы, что и для тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз, то есть пузырьковый, пенный и струйный. Однако для провальных тарелок отличительной особенностью является неравномерность работы отдельных отверстий: в какойто момент времени через одни отверстия стекает жидкость, а через другие проходит газ; в следующий момент времени жидкостной и газовый потоки могут проходить через иной набор отверстий. В целом же по тарелкам при строго горизонтальной их установке слив жидкости и барботаж газа происходят достаточно равномерно. Рассмотрим конструкции наиболее часто используемых в промышленности провальных тарелок.

Дырчатые тарелки аналогичны по конструкции с ситчатыми и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств и несколько большим диаметром отверстий.

Решетчатые тарелки отличаются от дырчатых лишь формой отверстий,

которые выполнены в виде щелей шириной 3 8 мм.

Волнистые тарелки представляют собой гофрированный лист металла с отверстиями, как в нижних, так и в верхних изгибах. При таком устройстве жидкость стекает, как правило, через нижние отверстия, а газ проходит через верхние, что улучшает равномерность работы тарелки и несколько расширяет диапазон ее работы. Однако волнистые тарелки более сложны в изготовлении. Основным недостатком провальных тарелок является узкий диапазон устойчивой работы при варьировании нагрузок по газовой и жидкой фазам. К их достоинствам можно отнести простоту изготовления, малое гидравлическое сопротивление, большое рабочее сечение (в связи с отсутствием сливных

88

устройств рабочее сечение тарелки становится равным свободному сечению колонны).

4.7 Распыливающие аппараты

Враспыливающих аппаратах поверхность межфазного контакта создается разбрызгиванием капель жидкости в газовом потоке. По способу диспергирования жидкости распыливающие абсорберы можно подразделить на: форсуночные, Вентури и механические.

Форсуночный или полый распыливающий абсорбер представляет собой полую колонну, по которой снизу движется поток газа, а сверху с помощью форсунок распыливается жидкость. При большой высоте колонны форсунки могут устанавливаться на нескольких уровнях.

Во избежание уноса жидкости допустимые скорости газового потока обычно не превышают 2-3 м/с. Преимуществами форсуночных аппаратов являются: простота изготовления и эксплуатации, противоточное движение фаз, возможность работы с загрязненными газами, низкое гидравлическое сопротивление. К недостаткам этих аппаратов относятся: низкие объемные коэффициенты массопередачи, необходимость большого расхода жидкости для создания достаточной удельной поверхности контакта фаз. Обычно полые распыливающие абсорберы применяются для поглощения хорошо растворимых газов.

Вабсорберах Вентури жидкость захватывается и диспергируется газовым потоком, движущимся с большой скоростью. Основным элементом такого аппарата является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор, стекая в виде пленки по его стенкам. В горловине жидкость распыляется, а в диффузоре скорость газожидкостной системы снижается. Сепаратор предназначен для отделения капель жидкости от газового потока.

Абсорберы Вентури могут выполняться в различных конструктивных вариантах. Так жидкость может подаваться в конфузор через центральное сопло или через отверстие в горловину. Основным преимуществом данных абсорберов являются высокие объемные коэффициенты массопередачи, а недостатками: прямоточное движение фаз, значительное гидравлическое сопротивление.

Вмеханических абсорберах диспергирование жидкости происходит за счет подвода внешней энергии с помощью вращающихся устройств (дисков, валов, лопастей и т.д.). Направление движения фаз при этом может быть различным. Механические абсорберы достаточно эффективны, но требуют затрат энергии на распыл жидкости и более сложны, поэтому применяются реже.

5 Перегонка жидкостей.

Перегонкой называется процесс разделения жидких смесей с различной летучестью компонентов за счет их частичного испарения с последующей конденсацией паров. Разделению могут подвергаться как двух-, так и многокомпонентные смеси. Компоненты можно подразделить по летучести на легколетучий и труднолетучий. Чистый легколетучий компонент обладает при

89

фиксированной температуре более высоким давлением насыщенного пара, а при фиксированном давлении более низкой температурой кипения, чем труднолетучий. Поэтому легколетучий компонент также называют низкокипящим, а труднолетучий - высококипящим. В простейшем случае бинарной (двухкомпонентной) смеси доля легколетучего компонента в условиях равновесия в паре выше чем в жидкости, а труднолетучего наоборот в паре ниже чем в жидкости (за исключением азеотропных смесей, о чем будет сказано особо).

Суть перегонки состоит в том, что в результате в паре, а после его конденсации в дистилляте увеличивается доля легколетучих компонентов, в жидкости же (кубовом остатке) увеличивается доля труднолетучих компонентов по сравнению с исходной смесью.

С помощью перегонки имеет смысл разделять гомогенные жидкие смеси. Гетерогенные жидкие системы с взаимно нерастворимыми компонентами (например, керосин-вода) дешевле разделять с помощью таких гидромеханических процессов как отстаивание или центрифугирование. Недостатком перегонки является большой расход энергии, необходимый для испарения жидкости. Перегонка подразделяется на простую перегонку

(дистилляцию) и ректификацию. Простая перегонка (дистилляция) -

разделение жидких смесей за счет их однократного частичного испарения и конденсации образующихся паров. Ректификация - разделение жидких смесей за счет многократного частичного испарения и конденсации паров, при котором жидкая и паровая фаза обмениваются компонентами.

Простую перегонку применяют, в основном, для разделения смесей компонентов существенно различающихся по летучести. С этой точки зрения она занимает промежуточное положение между выпариванием, служащим для концентрирования практически нелетучих веществ в жидких летучих растворителях, и ректификацией, с помощью которой можно разделять компоненты достаточно близкие по летучести. С помощью ректификации можно достичь сколь угодно высокой степени разделения неазеотропных смесей.

5.1 Перегонка бинарных смесей

В промышленности чаще приходится сталкиваться с перегонкой многокомпонентных смесей. Однако изучение перегонки лучше начать с бинарных смесей, так как для них все закономерности проявляются в более простой и наглядной форме.

Равновесие в двухкомпонентных парожидкостных системах В начале получим для двухкомпонентной парожидкостной двухфазной системы

(компоненты неограниченно растворимы) более удобный вид уравнения равновесной линии. Поскольку в процессе перегонки по высоте аппарата мало меняются мольные расходы пара и жидкости, то при описании данного процесса удобнее всего измерять концентрацию в мольных долях. Общий вид

90