III. Тарілки з односпрямованим рухом газу і рідини (прямотечійні або струменеві).
Ці тарілки мають два режими роботи.
Перший режим - барботажний. Він має місце при порівняно невеликих швидкостях газу. При цьому струменева тарілка працює як барботажна.
Другий режим - власне струменевий. Він наступає при швидкості газу в отворах до 9-12 м/с, при цьому позначається направлена дія газових струменів. Струменевий режим відповідає найбільшій поверхні контакту фаз і є робочою областю.
Запропонована велика кількість різних конструкцій тарілок цього типу.
Пластинчасті тарілк (рис. 56)
Тарілка збирається з похилих пластин, між якими рухається газ, задаючи рідині рух в сторону зливу. Зливний поріг відсутній.
Рис. 56 - Пластинчаста тарілка
1 - гідравлічний затвор; 2 - переливна перегородка; 3 - тарілка;
4 - пластини; 5 - зливна кишеня
Ці тарілки, на відміну від розглянутих вище, працюють при односпрямованому русі фаз, тобто кожна ступінь працює за принципом прямотока, що дозволяє різко підвищити навантаження по газу і рідині, тоді як колона в цілому працює з протитечією фаз.
У колонах з пластинчастими тарілками рідина (суцільні лінії) поступає з вищерозташованої тарілки в гідравлічний затвор і через переливну перегородку потрапляє на тарілку, що складається з ряду похилих пластин. Дійшовши до першої щілини, утвореної похилими пластинами, рідина зустрічається з газом (пунктирні лінії), який з великою швидкістю (20-40 м/с) проходить крізь щілини. Внаслідок невеликого кута нахилу пластин (10-150) газ виходить на тарілку в напрямі, близькому до паралельного по відношенню до площини тарілки. При цьому відбувається ежектування рідині, яка діспергируєтся газовим потоком на дрібні краплі і відкидається уздовж тарілки до наступної щілини, де процес взаємодії рідини і газу повторюється. В результаті рідина з великою швидкістю рухається уздовж тарілки від переливної перегородки до зливної кишені. В цьому випадку немає необхідності в установці зливного порогу, що зменшує загальний гідравлічний опір тарілки.
Різновидом такої тарілки може бути тарілка, у якої над пластинами встановлені відбійні щитки, що зменшують бризковиніс. Ці тарілки відрізняються великою продуктивністю, малим опором і простотою конструкції.
Таким чином, пластинчасті тарілки працюють так, що на відміну від тарілок інших конструкцій рідина є дисперсною фазою, а газ - суцільною. Контакт рідини і газу при цьому здійснюється на поверхні крапель і бризок. Цей гідродинамічний режим може бути визначений як краплинний або крапельно-бризковий. Він дозволяє різко підвищити навантаження по рідині і газу в колонах з пластинчастими тарілками.
Ці тарілки характеризуються низьким гідравлічним опором, можливістю роботи із забрудненими рідинами, низька металоємність.
S-подібні тарілки
Ці тарілки зібрані з S-подібних елементів (рис. 57). Тарілка збирається із штампованих S-подібних елементів, які утворюють порожнини для проходу газу. Внаслідок одностороннього виходу газу, створюється направлений рух рідини упоперек елементів у бік переливу.
Рис. 57 - S-подібні тарілки
S-подібні тарілки забезпечують рух газу і рідини в одному напрямі, сприяючи вирівнюванню концентрації рідини на тарілці. Площа живого перетину тарілки складає 12 - 20 % від площі перетину колони. Коробчастий поперечний перетин елементу створює значну жорсткість, що дозволяє встановлювати його на опірне кільце без проміжних опор в колонах діаметром до 4,5 м.
Лускові тарілки (рис. 58)
Лускові тарілки мають направляючі прорізи лускової форми з відігнутою догори вирізаною частиною. Тарілка має переливний пристрій, але без зливного порогу. Газ подається у напрямі потоку рідини.
Рис.58-Лускові тарілки
Ця тарілка працює в барботажному режимі лише при порівняно невисоких швидкостях газу. При підвищенні швидкості газу барботажний режим переходить в струменевий (краплинний). Вже в цьому режимі позначається направлена дія газових струменів. У струменевому режимі суцільною фазою є газ, а рідина розпилюється на краплі. Такий режим відповідає найбільшій поверхні контакту фаз і є робочою областю.
Вони працюють найефективніше при струменевому режимі, що виникає при швидкості газу в лусках понад 12 м/с. Площа живого перетину складає 10 % площі перетину колони. Луски бувають арочними (рис. 58 - варіант 1-й) і пелюстковими (рис. 58 - варіант 2-й). Їх розташовують на тарілці в шаховому порядку. Простота конструкції, ефективність і велика продуктивність - переваги цих тарілок.
Проектування барботажних абсорберів
Вибір типу тарілки. Існування великого числа типів тарілок утрудняє вибір оптимальної конструкції.
Основними показниками при виборі типу тарілки є:
її ефективність,
продуктивність,
межі стійкої роботи і
гидравлическое опір.
Крім того, необхідно враховувати і інші чинники: величину бризковиносу, і необхідну відстань між тарілками.
Відстань між тарілками. Щоб уникнути перекидання піни на вищерозміщену тарілку, відстань між тарілками повинна бути більше висоти газорідинного шару. При цьому повинна бути достатньою висота простору сепарації, щоб винесення не перевищувало допустимої величини (5-8 %).
Відстань між тарілками повинна бути тим більше, чим більше швидкість газу. Звичайно її приймають рівною 0,2 - 0,6 м, причому є рекомендації величини міжтарілчастої відстані залежно від діаметру колони: при діаметрі до 1,5 м відстань між тарілками звичайно складає 0,4 м, а при більшому діаметрі - 0,6 м і вище.
Мінімальну відстань між тарілками можна знайти по емпіричній залежності:
Нmin = k (ρп/ ρж) (F w / π n dk)2
де F-площа поперечного перетину колони, м2;
w-мінімальна швидкість пари у вільному перетині колони, м/с.
Вибір швидкості газу. Швидкість газу вибирають з таким розрахунком, щоб вона відповідала стійкій роботі при коливаннях навантаження. Звичайно бажане застосування великих швидкостей, оскільки при цьому зменшується діаметр апарату і інтенсифікується процес масообміну. Допустима швидкість газу залежить також від типу тарілки. Проте при великих швидкостях зростає винесення і доводиться збільшувати відстань між тарілками. Адже винесення - це зворотне перемішування по рідкій фазі, що значно знижує ефективність роботи колони.
Для визначення максимально допустимої швидкості газу рекомендують емпіричні залежності і табличні дані.
Визначення основних розмірів тарілки. По прийнятій швидкості газу знаходять загальну площу тарілки і по ній визначають діаметр колони.
Площу переливного сегменту розраховують виходячи із швидкості рідини в ньому (не вище 0,1 м/с), або ж приймаючи відношення довжини переливного порогу П до діаметру колони в межах П/D = 0,6-0,8.
Довжина переливного порогу перевіряється розрахунком лінійної щільності зрошування. Рекомендується щоб ця величина не перевищувала 10 м2/г.
Перелив.
Відстань від верхнього краю прорізів до верхнього обріза перегородки (у ковпачкових тарілках) або висота переливної перегородки (у сітчастих тарілках) виражає геометричну глибину барботажу. Така глибина барботажу може підтримуватися за відсутності перетікання рідини з тарілки на тарілку або при дуже незначному перетіканні. При значних перетіканнях рідини рівень її встановлюється вище за верхній обріз переливного порогу на величину hс (рис. 48). Ця величина hс є висотою водозливу.
Висоту водозливу при заданій витраті рідини можна розрахувати по відомій формулі гідравліки:
де q - об'ємна витрата рідини (м2/с), що доводиться на одиницю периметра переливної перегородки (лінійна щільність зрошування);
α - коефіцієнт витрати, зазвичай дорівнює 0,6.
Пристрій для перетікання рідини
Площу перетину пристрою для перетікання рідини (труби або сегменту) звичайно розраховують, виходячи з приведеної швидкості рідини в ньому uп не вище 0,1 м/с.
Дослідження гідродинаміки труб для перетікання показали, що при таких швидкостях має місце кільцевий режим (рідина стікає по стінках, не заповнюючи внутрішньої частини перетину), при якому відсутнє захоплення газу. Якщо швидкість збільшити і почнеться захоплення рідини газом - збільшиться газозміст перетікаючої рідини і почнуться коливання рівня рідини в зливній кишені, що веде до нестійкої роботи апарату.
Захлинання.
На тарілках з переливами захлинання відбувається при переповнюванні пристрою для перетікання, що приводить до порушення нормального перетікання рідини з тарілки на тарілку. Щоб уникнути захлинання повинна дотримуватися умова
H + hпер > Hпер
де H - висота верхнього рівня в переливному пристрої;
Hпер - відповідає висоті світлої рідини на тарілці.