Конструкциянасадочных абсорберов
Широкоераспространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны,заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне(рисунок 3) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия илищели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадкиравномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается,что объясняется пристеночным эффектом — большей плотностью укладки насадки вцентральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имееттенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому дляулучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногдаукладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.
/>
Рисунок3 — Насадочный абсорбер:
1- насадка:2 — опорная решетка; 3 — распределитель жидкости; 4 — перераспределительжидкости.
Внасадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в видетонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченнаяповерхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать какразновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкостипроисходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только повысоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки надругой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новаяпленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадкив виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смоченанеподвижной (застойной) жидкостью.
Основнымихарактеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2/м*) исвободный объем ε (м3/м3). Свободный объем длянепористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой.Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε.Эквивалентный диаметр насадки
/> (15)
Гидродинамическиережимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамическихрежимах. Эти режимы видны из графика (рис. XI-13),выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки отфиктивной скорости газа в колонне.
/>
Рисунок4 – Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа вколонне (L=const):
1– сухая насадка; 2 – орошаемая насадка.
Первыйрежим — пленочный — наблюдается при небольших плотностях орошения и малыхскоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режимепрактически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первойпереходной точке (точка А, рисунок 4), называемой точкой подвисания.
Второйрежим — режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трениягаза о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможениежидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкостиуменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкостиувеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличиваетсясмоченная поверхность насадки и соответственно интенсивность процессамассопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок4), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляютсязавихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все этоспособствует увеличению интенсивности массообмена.
Третийрежим — режим эмульгирования — возникает в результате накопления жидкости всвободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока силатрения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом неуравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступаетобращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ — дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему видунапоминающая барботажный слой (пену) или газо-жидкостную эмульсию. Режимэмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпкикоторой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. Путем тщательногорегулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всейвысоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает(на рисунке 4 этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС).
Режимэмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн,прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случаеопределяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, аповерхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободныйобъем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическоесопротивление относительно велико.
Врежимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышениегидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, впроцессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов,работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление можетоказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочномрежиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждомконкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.
Вобычных насадочных колоннах поддержание режима эмульгирования представляетбольшие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн сзатопленной насадкой, называемых эмульгационными (рисунок 5). В колонне 1 режимэмульгирования устанавливают и поддерживают с помощью сливной трубы,выполненной в виде гидравлического затвора 2. Высоту эмульсии в аппаратерегулируют посредством вентилей 3. Для более равномерного распределения газа посечению колонны в ней имеется тарелка 4. Эмульгационные колонны можнорассматривать как насадочные лишь условно. В этих колоннах механизмвзаимодействия фаз приближается к барботажному.
/>
Рисунок5 — Эмульгационная насадочная колонна: 1 — колонна; 2 — гидравлический затвор; 3- вентиль; 4 — распределительная тарелка.
Пределомнагрузки насадочных абсорберов, работающих в пленочных режимах, является точкаэмульгирования, или инверсии. В обычных насадочных колоннах режимэмульгирования неустойчив и сразу переходит в захлебывание. Поэтому эту точкуназывают точкой захлебывания насадочных колонн. Фиктивная скорость W3газа,соответствующая пределу нагрузки, определяется по уравнению
/>(16)
гдеSсв — свободное сечение насадки, м2/м2; а — удельнаяповерхность насадки, м2/м3; L'иG' — расходы жидкости и газа, кг/сек.
Изуравнения (16) можно заключить, что с увеличением плотности орошения снижаетсяпредельная скорость газа. В точке инверсии скорость газа уменьшается также сувеличением вязкости жидкости и снижением ее плотности. При одинаковых расходахгаза и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для болеекрупной насадки.
Четвертыйрежим — режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппаратагазовым потоком. Этот режим на практике не используется.
Физическая иматематическая модели удерживающей способности насадки
Основные положения
/>
/>
Течение пленки
Уравнение неразрывности
/>
Уравнение Новье-Стоксадля трехмерного течения
/>
для одномерного течения
/>
Учитывая, что приустановившемся течении />,получаем уравнение для течения жидкости в круглой трубе:
/>
Течение пленки поповерхности канала
Граничные условия:
при /> />;
при /> />
Интегрируя уравнениедля течения жидкости в круглой трубе по частям, приходим к уравнению:
/>
И за тем, получаем:
/>
Учитывая граничноеусловие:
при /> />
/>
находим с1:
/>
Интегрируя дальше,получаем:
/>
Учитывая граничноеусловие:
при /> />;
/>
/>
/>где ∆р –гидравлическое сопротивление абсорбера, которое находим из уравнения длязернистого слоя
/>
/>
Отсюда
/>