4 Насадкові колонні апарати: типи насадок та гідродинамічні режими їх роботи.
Насадкові колони широко застосовують у промисловості як апарати з безперервним контактом взаємодіючих фаз. При цьому поверхня контакту фаз утворюється на поверхні шару насадки - тілах певного розміру і спеціальної форми, завантажених навалом або викладених організовано на опорно-розподільних решітках.
Рідина за допомогою різних розподільних пристроїв рівномірно розподіляється по перетину колони. Проте добитися рівномірного розподілу рідини важко, що пояснюється пристінковим ефектом: рідина через різну густину укладання насадки, а також через дію потоку газу, що підіймається, має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметру, насадку укладають секціями (шарами) заввишки 2-3 м і під кожною секцією, окрім нижньої, встановлюють перерозподілювачі рідини.
Контактування газу з рідиною відбувається в основному на змоченій поверхні насадки, по якій стікає зрошуюча рідина. Поверхня насадки в одиниці об'єму може бути досить великою, і тому в порівняно невеликих об'ємах можна створити значні поверхні масопередачі. Залежно від режиму, в якому працює насадка, поверхня масопередачі може бути більше або менше геометричної поверхні насадки.
Гідродинамічні режими роботи насадок
Перший режим- плівковий- спостерігається при невеликій щільності зрошування і малих швидкостях газу. При цьому потік газу (пари) є суцільним, безперервним і заповнює вільний об'єм насадки, не зайнятий рідиною. В цьому режимі рідина тече по елементу насадки у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є змочена поверхня насадки. Тобто в цьому режимі насадкову колону можна розглядати як різновид плівкової. Проте в останніх плівкова течія відбувається по всій висоті апарату, а в насадкових колонах - тільки по висоті насадки. При перетіканні рідини з одного елементу насадки на іншій плівка рідини руйнується, відбувається перемішування рідини, а потім на елементі насадки, який розташований нижче, утворюється нова плівка.
У цьому режимі взаємодія фаз незначна і кількість утримуваної рідини не залежить від швидкості газу.
Другий режим - режим підвисання. При протитечії фаз внаслідок збільшення сил тертя газу об рідину на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування руху рідини газовим потоком. В результаті цього швидкість хуру рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються.
Візуально режим підвисання характеризується накопиченням рідини в окремих місцях насадки, переважно в точках зіткнення насадкових тіл.
В режимі підвисання із зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і, відповідно, інтенсивність процесу масопередачі. При цьому вільна течія плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботажного режиму.Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини у вільному об'ємі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікаючою рідиною і газом, що підіймається по колоні, не зрівняється з силою тяжіння рідини, що знаходиться на насадці. При цьому наступає інверсія фаз - рідина стає суцільною фазою, а газ - дисперсної. Утворюється газо-рідинна дисперсна система, що на вигляд нагадує барботажний шар або газо-рідинну емульсію.
Режим емульгування починається у найвужчому перетині насадки, щільність засипки якої нерівномірна по перетину колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений по всій висоті насадки. Гідравлічний опір колони при цьому різко зростає.
Режим емульгування відповідає максимальній ефективності насадкових колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки і не стільки геометричною поверхнею насадки, а поверхнею бульбашок і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Проте при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно великий.
Рис.31 - Будова насадкових абсорберів типів: а - плівкового;
б-емульгаційного; в - емульгаційного секціонованого;
Потоки: А-подача абсорбенту;Б- відведення абсорбенту;В - подача газової суміші;
Г-відведення очищеного газу;
1 - корпус;2-днище;3-кришка;4-решітка опорна;5-розподілюючий пристрій
(тарілка типу ТСН-ІІІ);6-шар насадки;7-бризковловлювач;
8 - перерозподілююча тарілка типу ТСН-ІІ; 9 -опора; 10 - вентиль
У звичайних насадкових колонах підтримка режиму емульгування представляє великі труднощі. Є спеціальна конструкція насадкових колон із затопленою насадкою. Це досягається установкою спеціальної зливної труби, виконаної у вигляді гідравлічного затвора (рис. 31,в).
Емульгаційні колони можна розглядати як насадкові лише умовно. У цих колонах механізм взаємодії фаз наближається до барботажного режиму тарілчастих колон.
Четвертий режим - режим винесення - або обернутого руху рідини, що виноситься з апарату газовим потоком. Він виникає при підвищенні швидкості газу проти величини, відповідної режиму захлинання. В даному випадку відбувається вторинна інверсія фаз: газ знову стає суцільною фазою і рідина виноситься з апарату разом з газом в основному у вигляді бризок. Нормального зрошування насадки при цьому вже не відбувається, оскільки рідина майже перестає поступати на насадку. Вказаний режим супроводжується різким зниженням інтенсивності масопередачи.
Режим винесення на практиці не застосовується.
У режимах підвисання і емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, при проведенні процесу абсорбції при підвищеному тиску). При роботі при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великою, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі.
Тому найефективніший гідродинамічний режим у кожному конкретному випадку можна встановити тільки шляхом техніко-економічного розрахунку.
Вибір насадок.
Для того, щоб насадка працювала ефективно, вона повинна задовольняти наступним вимогам:
мати високу питому поверхню (поверхня на одиницю об'єму);
добре змочуватися зрошуючою рідиною;
створювати малий гідравлічний опір газовому потоку;
рівномірно розподіляти зрошуючу рідину;
бути стійкою до хімічної дії рідини і газу;
мати малу питому вагу;
мати високу механічну міцність;
мати невисоку вартість.
Насадок, які повністю задовольняють всім вказаним вимогам, не існує, оскільки, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки спричиняє за собою збільшення гідравлічного опору апарату і зниження граничних навантажень.
У промисловості насадкові колонні апарати застосовують для проведення процесів ректифікації і абсорбції.
У насадкових колонах взаємодія фаз відбувається при поверхневому контакті газу (пара) і рідини на насадці або поверхні рідини, стікаючою тонкою плівкою.
Насадки, що застосовуються у насадкових абсорберах, повинні і великий вільний об'єм. Крім того,
Застосовують різноманітні формою і розмірам насадки, які в тій чи іншій мірі задовольняють вимогам, що є основними при проведенні конкретного процесу.
Вибір форми насадки і її матеріалу диктується у кожному окремому випадку физико-хімічними властивостями контактуючих середовищ і умовами проведення процесу. Насадки виготовляють з різноманітних матеріалів: кераміка, фарфор, сталь, пластмаси і ін. Кераміка при інших рівних умовах має перевагу завдяки тому, що неровна поверхня кераміки краще утримує рідину за рахунок капілярних сил, і плівка рідини не зривається з поверхні насадки.
Існує велика кількість насадок. До основних типів відносяться:
Кільцева насадка. До даного типу насадки відносять:
кільця Рашига;
кільця Палля;
кільця Лессинга;
спіральні кільця
Сідлова насадка До даного типу насадки відносять:
сідла Бьорля;
сідла Інталокс.
Сітчаста насадка - до неї відносять насадку Зульцер
Хордова насадка - до неї відносятьпакети плоских і гофрованих пластин