6 Тарілчасті колонні апарати: основні конструкції тарілок та гідродинамічні режими їх роботи. Проектування барботажних абсорберів.

 

До тарілчастих колонних апаратів відносяться такі, в яких рідина є суцільним середовищем, а газ - дисперсійним.

 

Основною відмітною особливістю колонних апаратів даного класу є розділення їх на секції горизонтальними розподільними пристроями. В основі кожної секції є розподільний пристрій, призначений для створення тісного контакту взаємодіючих потоків, тобто максимально можливої міжфазової поверхні. Ці розподільні пристрої звичайно називають тарілками, а колонні апарати - тарілчастими.

 

Існує три основні види тарілок:

• тарілки провального (безпереливного) типу, в яких переливні пристрої відсутні; вказані тарілки працюють за принципом протитечії; на цих тарілках контакт газу і рідини здійснюється по схемі повного перемішування рідини;

• тарілки перехресного типу, в яких рух газу і рідини здійснюється перехресним струмом. Ці тарілки мають спеціальні переливні пристрої для перетікання рідини з однієї тарілки на іншу, причому газ по переливних пристроях не проходить;

 

-тарілки з односпрямованим рухом газу і рідини (прямотечійні). В цих тарілках газ виходить з отворів у напрямі руху рідини по тарілці; це викликає зниження подовжнього перемішування і сприяє руху рідини в сторону переливу, що приводить до зменшення гідравлічного градієнта. Звичайно ці тарілки також мають перелив.

Масообмін відбувається на поверхні розділу між газом і рідиною. Тому, чим більше поверхня контакту газу і рідини, тим швидше протікає процес масообміну, і тим ефективніший масообмінний апарат.

На тарілках суцільною фазою є рідина. Тому задачею тарілок є дроблення газового потоку на як можна більшу кількість струменів, які, проходячи крізь шар рідини, спінюють її, створюючи тим самим розвинену поверхню контакту фаз.

За допомогою тарілок здійснюється спрямований рух фаз і багатократна взаємодія рідини і газу.

Іноді тарілки називають контактними пристроями, тому, що з їх допомогою створюється умови для ефективного контакту фаз, тобто контакту між газом (порою) і рідиною.

Взаємодіючі фази після контакту на тарілці змішуються в міжтарілчастому об'ємі, знов контактують на розподільному пристрої наступної секції, і процес повторюється. У ряді випадків секції утворюються диспергуючими і сепаруючими пристроями. Секції (тарілки) в таких колонах розташовуються на опорно-розподільних пристроях.

Міжтарілчастий об'єм виконує також роль простору сепарації.

У секціонованих колонних апаратах взаємодіючі потоки контактують переважно шляхом барботажу диспергованої газової (парової) фази через шар рідини.

Тобто всі тарілки виконують основну задачу: забезпечення ефективної взаємодії рідини і пари - для процесів ректифікації, і рідини і газу - для процесів абсорбції.

Конструкції тарілчастих пристроїв

I.Провальні (протитечійні) тарілки.

Ці тарілки ще називають тарілками без зливних пристроїв.

До провальних тарілок відносять:

• решітчасті,

• колосникові,

• трубчасті,

• дірчасті (плоскі, хвилясті, з різною перфорацією);

• крупнодирчасті.

Робоча зона цих тарілок практично дорівнює перетину колони, оскільки в них відсутні приймально-переливні пристрої.

Ці тарілки відрізняються більшою простотою конструкції в порівнянні з тарілками з перехресною течією фаз.

Гідродинамічні режими провальних тарілок.

Теоретично вважається, що рідина і газ проходять поперемінно через кожен отвір при невеликих навантаженнях по газу. Проте, на практиці, процес виглядає таким чином: ряд отворів працює тільки на злив, а інша частина отворів працює на прохід газу. Причому вони весь час міняються місцями (рис. 43).

Рис. 43 - Схема роботи провальної тарілки

При збільшенні навантаження по газу картина змінюється: спочатку виникають зони з великого числа отворів, через які переважно проходить газ, а поряд зони, через які в основному проходить рідина. Поступово ці зони розширюються на всю площину тарілки. Починається розгойдування рідини на тарілці: у тому місці, де виникла хвиля рідини, відбувається зливання рідини на розташовану нижче тарілку, в іншому місці, звідки рідина відринула, відбувається проходження газу.

На тарілках створюється газопінний шар, хоча при цьому вспінювання має меншу частку, а масообмін, в основному, проходить в краплях і бризках. Причому газопінний шар не рівномірний за площею тарілки, а має тенденцію до розгойдування: він скипає там, де проходить газ, і осідає там, де зливається рідина.

Провальні тарілки стабільно працюють тільки при середніх і високих навантаженнях по рідині. При малих навантаженнях вони не працюють, оскільки при цьому на них просто відсутній шар рідини.

На провальних тарілках відбувається повне перемішування рідини, внаслідок чого вони по ефективності дещо поступаються тарілкам з перехресною течією.

Запуск в роботу цих тарілок дещо ускладнений. Оскільки на тарілках немає постійного шару рідини, то при запуску треба одночасно починати подачу і рідини, і газу, поступово нарощуючи газорідинний шар. В разі раптового припинення подачі газу або рідини, колона з провальними тарілками швидко припиняє працювати, оскільки вся рідина зливається. Тому при роботі з провальними тарілками вимагається чітко дотримуватися технологічних режимів.

До переваг провальних тарілок відносяться простота конструкції, невеликий гідравлічний опір, досить високий коефіцієнт корисної дії, можливість роботи при значних навантаженнях по фазам.

Площа живого перетину провальних тарілок становить 15 - 30 %.

Решітчасті тарілки (рис.44)

Представляють собою металеве полотно, в якову зроблені фрезеровані або штамповані щілини шириною 3 - 8 мм.

Рис. 44 - Провальні тарілки

а - дірчасті; б - решітчасті

1 - тарілка; 2 - отвори; 3 - щілини

Колосникові тарілки - до них відносяться тарілки, щілини в яких утворюються шляхом набору тарілки з металевих полосок (колосників).

Трубчасті або трубчасто-решітчасті тарілки.

Їх складають з труб таким чином, що між ними залишаються щілини, через які рухаються газ і рідина.

До переваг трубчастих провальних тарілок відноситься легкість відведення тепла від барботажного шару на тарілці шляхом пропускання охолоджуючого агента по трубах, з яких складається тарілка.

Дірчасті тарілки (рис.43)

Представляють собою металеве полотно, в якому зроблені круглі отвори.

За устроєм дірчасті тарілки аналогічні ситчастим тарілкам і відрізняються від останніх лише відсутністю зливних пристроїв. Діаметр отворів в цих тарілках становить 4-10 мм, а сумарна площа перетину всіх отворів по відношенню до перетину колони складає 10-25%.

Дірчасті і решітчасті провальні тарілки відрізняються простотою конструкції, низькою вартістю виготовлення і монтажу, порівняльно невеликим гідравлічним опором.

Основний недолік колон з дірчастими, решітчастими і трубчастими тарілками - невеликий інтервал зміни швидкостей газу і рідини, в межах якого підтримується стійка і ефективна їх робота.

У ширшому інтервалі навантажень працюють хвилясті провальні тарілки, проте вони складніші по пристрою і монтажу.

Хвилясті дірчасті тарілки (рис. 45)

Їх ще називають гофровані тарілки. Ці тарілки штампуються з металевих перфорованих листів завтовшки до 3 мм з діаметром отворів 3 - 8 мм. Гофри роблять тим більшого розміру, чим більше навантаження по рідині. Відношення висоти гофра до відстані між ними складає від 0,2 до 0,4.

Рис. 45 - Хвилята тарілка

Тарілки розташовують в колоні так, щоб гофри суміжних тарілок були взаємно перпендикулярні.

Хвилясті тарілки можуть працювати в ширшому діапазоні навантажень, і краще працюють із забрудненими рідинами, причому отвори засмічуються повільніше, ніж в звичайних провальних тарілках.

Дірчасті тарілки з різною перфорацією.

Є різновидом дірчастих тарілок. В центральній частині розташовані отвори малого діаметру (2 мм), а на решті кільцевої площі - отвори крупного діаметру - 6-8 мм.

У цих тарілках через дрібні отвори проходить тільки газ, а через крупні - рідина і газ разом. Таким чином, крупні отвори виконують роль переливного пристрою.

Дірчасті тарілки з різною перфорацією стійко працюють в ширшому діапазоні навантажень, ніж інші типи провальних тарілок.

Крупнодірчасті тарілки

Представляють собою металеве полотно, в якову зроблені крупні отвори діаметром від 20 до 80 мм.

У таких тарілках відбувається одночасний прохід газу і рідини через перетин отвору, причому газ проходить по краях отворів, а рідина - в центрі. Такий ефект виникає при діаметрі отвору в межах 40 мм - так званий критичний діаметр.

Застосовують крупнодірчасті тарілки для роботи на середовищах, схильних до забивання і заліпання, наприклад, в содовій промисловості, коли під час роботи на площині тарілки відкладається гіпс. Заміна ковпачкових тарілок на крупнодірчасті дозволила в 4 -5 разів збільшити час безупинної роботи колони між чищеннями.

Розроблені модифікації крупнодірчастих тарілок. До них відносяться крупнодірчасті тарілки з прорізами навколо отвору. Причому планка, утворена прорізами, відгинається під кутом до площини тарілки, завдяки чому створюється закручування газового потоку. Це сприяє додатковій інтенсифікації процесу масообміну. До того ж струменева течія, що виникає навколо отвору, змиває відкладення, які можуть виникнути на полотні тарілки.