Казанський Державний Технологічний Університет
Кафедра ПАХТ
Реферат на тему:
«Конструкції абсорберів»
Перевірив:
Кузнєцов В.А.
Казань 2003.
Зміст
1. Введення стор.3
2. Поверхневі і плівкові абсорбери
а) Поверхневі абсорбери стор.3
б) Плівкові абсорбери стор.4
3. Насадок абсорбери стор.5
5. Розпилююча абсорбери стор.13
Поверхневі абсорбери. Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів (наприклад, для поглинання хлористого водню водою). У зазначених апаратах газ проходить над поверхнею нерухомої або повільно рухається рідини (ріс.XI-6). Так як поверхня дотику у таких абсорберах мала, то встановлюють кілька послідовно з'єднаних апаратів, у яких газ і рідина рухаються протитечією один до одного. Для того щоб рідина перемішувалася по адсорбери самопливом, кожен наступний за ходу рідини апарат розташовують декілька нижче попереднього. Для відводу тепла, що виділяється при абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, охолоджувані водою або іншим охолоджуючим агентом, або поміщають абсорбери в посудину з проточною водою.
Більш досконалим апаратом такого типу є абсорбер (ріс.XI-7), що складається з ряду горизонтальних труб, зрошуваних зовні водою. Необхідний рівень рідини в кожному елементі 1 такого апарату підтримується за допомогою порога 2.
Пластинчастий абсорбер (ріс.XI-8) складається з двох систем каналів: по каналах 1 великого перерізу рухаються протитечією газ і абсорбент, по каналах 2 меншого перетину - охолоджуючий агент (як правило, вода). Пластинчасті абсорбери зазвичай виготовляють з графіту, так як він є хімічно стійким, добре проводять тепло.
Поверхневі абсорбери мають обмежене застосування внаслідок його малої ефективності та громіздкість.
Плівкові абсорбери. Ці апарати більш ефективні і компактні, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня поточної плівки рідини. Розрізняють такі різновиди апаратів даного типу: 1) трубчасті абсорбери; 2) абсорбери з плоско-паралельного або листової насадкою; 3) абсорбери з висхідним рухом плівки рідини.
Трубчастий абсорбер (ріс.XI-9) подібний за пристроєм з вертикальним кожухотрубчасті теплообмінником. Абсорбент надходить на верхню трубну решітку 1, розподіляється по трубах 2 і стікає по їх внутрішньої поверхні у вигляді тонкої плівки. В апаратах з великим числом труб для більш рівномірної подачі та розподілу рідини по трубах використовують спеціальні розподільні пристрої. Газ рухається по трубах знизу вгору назустріч стікає рідкої плівки. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному простору пропускають воду або інший охолоджувальний агент.
Абсорбер з плоскопараллельной насадкою (ріс.XI-10). Цей апарат являє собою колону з листової насадкою 1 у вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластичні маси тощо) або туго натягнутих полотнищ з тканини. У верхній частині абсорбера знаходяться розподільні пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.
Абсорбер з висхідним рухом плівки (ріс.XI-11) складається з труб 1, закріплених в трубних гратах 2. Газ з камери 3 проходить через патрубки 4, розташовані співвісно з трубами 1. Абсорбент надходить у труби через щілини 5. Рухомий з досить великою швидкістю газ захоплює рідку плівку в напрямку свого руху (знизу вгору), тобто апарат працює в режимі висхідного прямотока. На виході з труб 1 рідина зливається на верхню трубну решітку і виводиться з абсорбера. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному простору пропускають охолоджуючий агент. Для збільшення ступеня вилучення застосовують абсорбери такого типу, що складаються з двох або більше щаблів, кожна з яких працює за принципом прямотока, в той час як в апараті в цілому газ і рідина рухаються протитечією один до одного. В апаратах з висхідним рухом плівки внаслідок великих швидкостей газового потоку (до 30-40 м / сек) досягаються високі значення коефіцієнтів массопередачи, але, разом з тим, гідравлічний опір цих апаратів відносно велике.
У насадок колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадочні апарати можна розглядати як різновид плівкових. Проте в останніх плівкову течію рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадок абсорберах - тільки по висоті елемента насадки. При перетікання рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується і на нижчележачому елементі утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді струмків, крапель і бризок. Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою (застійної) рідиною.
Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м 2 / м 3) і вільний обсяг e (м 3 / м 3). Величину вільного об'єму для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, що займають насадкою, дає величину e. Еквівалентний діаметр насадки знаходиться за формулою
Гідродинамічні режими. Насадок абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах.
Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликих густинах зрошення і малих швидкостях газу. Обсяги затриманої в насадці рідини при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.
Другий режим - режим підвисання. При противотоке фаз внаслідок збільшення сил тертя газу про рідину на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. У результаті цього швидкість течії рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються. У режимі підвисання зі зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно - інтенсивність процесу массопередачи. У режимі підвисання спокійний плин плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботаж. Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини у вільному обсязі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікає рідиною і піднімається по колоні газом не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці. При цьому настає звернення або інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ - дисперсної). Утворюється газо-рідинна дисперсна система, за зовнішнім виглядом нагадує барботажний шар (піну) або газо-рідинну емульсію. Режим емульгування починається в самому вузькому перерізі насадки, щільність засипки якої, як зазначалося, нерівномірна по перерізу 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 максимальної ефективності насадок колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки (і не стільки) геометричної поверхнею насадки, а поверхнею пухирців і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Однак при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно велике.
У режимах підвисання та емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, у процесах абсорбції, що проводяться при підвищених тисках). Для абсорберів, що працюють при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великий, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найбільш ефективний гідродинамічний режим в кожному конкретному випадку можна встановити тільки шляхом техніко-економічного розрахунку.
У звичайних насадок колонах підтримання режиму емульгування представляє великі труднощі. Є спеціальна конструкція насадок колон із затопленої насадкою, званих емульгаціоннимі (ріс.XI-14). У колоні 1 режим емульгування встановлюють і підтримують з допомогою зливної труби, виконаної у вигляді гідравлічного затвора 2. Висоту емульсії в апараті регулюють за допомогою вентилів 3. Для більш рівномірного розподілу газу по перерізу колони в ній є тарілка 4. Емульгаціонние колони можна розглядати як насадочні лише умовно. У цих колонах механізм взаємодії фаз наближається до барботажного.
Межею навантаження насадок абсорберів, що працюють в плівковому режимі, є точка емульгування, або інверсія. У звичайних насадок колонах плівковий режим нестійкий і відразу переходить у захлинання. Тому цю точку називають точкою захлебиванія насадок колон. Зі збільшенням швидкості зрошення знижується гранична швидкість газу. У точці інверсії швидкість газу зменшується також зі збільшенням в'язкості рідини і зниженням її щільності. При однакових витратах газу і рідини швидкість газу, що відповідає крапці інверсії, вище для більш великої насадки.
Четвертий режим - режим виносу, або зверненого руху рідини, що виноситься з апарату газовим потоком. Цей режим на практиці не використовується.
Вибір насадок. Для того щоб насадка працювала ефективно, вона повинна відповідати таким основним вимогам: 1) володіти великою поверхнею в одиниці об'єму; 2) добре змочуватися зрошуваної рідиною, 3) надавати малий гідравлічний опір газовому потоку; 4) рівномірно розподіляти зрошують рідина, 5 ) бути стійкою до хімічної дії рідини і газу, що рухаються в колоні; 6) мати малу питому вагу; 7) мати високу механічну міцність; 8) мати невисоку вартість.
Насадок, що повністю задовольняють всім зазначеним вимогам, не існує, тому що, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки тягне за собою збільшення гідравлічного опору апарату і зниження граничних навантажень. У промисловості застосовують різноманітні за формою і розмірами насадки (ріс.XI-15), які в тій чи іншій мірі задовольняють вимогам, що є основними при проведенні конкретного процесу абсорбції. Насадки виготовляються з різноманітних матеріалів (кераміка, фарфор, сталь, пластмаса та ін), вибір яких диктується величиною питомої поверхні насадки, смачиваемостью і корозійною стійкістю.
Як насадка використовують також засипаються навалом в колону шматки коксу або кварцу розмірами 25-100 мм. Однак внаслідок ряду недоліків (мала питома поверхня, високу гідравлічний опір і ін) кускове насадку в даний час застосовують рідко.
Широко поширена насадка у вигляді тонкостінних керамічних кілець висотою, що дорівнює діаметру (кільця Рашига), який змінюється в межах 15-150 мм. Кільця малих розмірів засипають у абсорбер навалом. Великі кільця (розмірами не менше 50'50 мм) укладають правильними рядами, зсунутими один щодо одного. Цей спосіб заповнення апарату насадкою називають завантаженням у укладку, а завантажену таким чином насадку - регулярною. Регулярна насадка має ряд переваг перед нерегулярною, засипаній в абсорбер навалом: володіє меншим гідравлічним опором, допускає великі швидкості газу. Однак для поліпшення змочування регулярних насадок необхідно застосовувати більш складні за конструкцією зрошувачі. Хордові дерев'яна насадка зазвичай використовується в абсорберах, що мають значний діаметр. Основна її перевага - простота виготовлення, недоліки - відносно невелика питома поверхня і малий вільний об'єм.
За останні роки стали застосовуватися спіральні насадки, виконані з металевих стрічок та дроту, різні металеві сітчасті насадки, а також насадки зі скляного волокна.
При виборі розмірів насадки слід враховувати, що чим більше розміри її елемента, тим вище допустима швидкість газу (і відповідно - продуктивність абсорбера) і нижче його гідравлічний опір. Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижчою за рахунок зменшення діаметра апарату, незважаючи на те, що його висота трохи збільшиться в порівнянні з висотою апарату, що має насадку менших розмірів (внаслідок зниження величини питомої поверхні насадки та інтенсивності массопередачи).
Дрібна насадка краще також при проведенні процесу абсорбції під підвищеним тиском, тому що в цьому випадку гідравлічний опір абсорбера не має істотного значення. Крім того, дрібна насадка, що володіє більшою питомою поверхнею, має переваги перед великим тоді, коли для здійснення процесу абсорбції необхідна велика кількість одиниць переносу або теоретичних ступенів зміни концентрацій.
Основні переваги насадок колон є простота пристрою і низький гідравлічний опір. Недоліки: труднощі відведення тепла і погана змочуваність насадки при низьких плотностях зрошення. Відведення тепла з цих апаратів і поліпшення змочуваності досягаються шляхом рециркуляції абсорбенту, що ускладнює і здорожує абсорбційну установку. Для проведення одного і того ж процесу потрібні насадочні колони зазвичай більшого обсягу, ніж барботажние.
Насадок колони мало придатні при роботі із забрудненими рідинами. Для таких рідин останнім часом стали застосовувати абсорбери з «плаваючою» насадкою. У цих абсорберах як насадка використовують переважно легкі порожнисті або суцільні пластмасові кулі, які при достатньо високих швидкостях газу переходять у завислий стан.
У абсорберах з «плаваючою» насадкою припустимі більш високі швидкості газу, ніж в абсорберах з нерухомою насадкою. При цьому збільшення швидкості газу призводить до великого розширення шару куль і, отже, до незначного збільшення гідравлічного опору апарату.
В даний час в промисловості застосовуються різноманітні конструкції тарілчастих апаратів. За способом зливу рідини з тарілок барботажние абсорбери можна підрозділити на колони: 1) з тарілками із зливними пристроями і 2) з тарілками без зливних пристроїв.
Кафедра ПАХТ
Реферат на тему:
«Конструкції абсорберів»
Виконав: ст-т гр. 50-2
Каштанов Р.Д.Перевірив:
Кузнєцов В.А.
Казань 2003.
Зміст
1. Введення стор.3
2. Поверхневі і плівкові абсорбери
а) Поверхневі абсорбери стор.3
б) Плівкові абсорбери стор.4
3. Насадок абсорбери стор.5
4. Барботажние (тарілчасті) абсорбери
а) Тарілчасті колони із зливними пристроями стор.85. Розпилююча абсорбери стор.13
Введення
Апарати, в яких здійснюються абсорбційні процеси, називають абсорбера. Як і інші процеси масопередачі, абсорбція протікає на межі розділу фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинену поверхню зіткнення між рідиною і газом. За способом утворення цієї поверхні абсорбери можна умовно розділити на наступні групи: поверхневі і плівкові, насадочні, барботажние (тарілчасті), Розпилююча.Поверхневі і плівкові абсорбери
У абсорберах цього типу поверхнею зіткнення фаз є дзеркало нерухомій чи повільно рухається рідини, або ж поверхня поточної рідкої плівки.Поверхневі абсорбери. Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів (наприклад, для поглинання хлористого водню водою). У зазначених апаратах газ проходить над поверхнею нерухомої або повільно рухається рідини (ріс.XI-6). Так як поверхня дотику у таких абсорберах мала, то встановлюють кілька послідовно з'єднаних апаратів, у яких газ і рідина рухаються протитечією один до одного. Для того щоб рідина перемішувалася по адсорбери самопливом, кожен наступний за ходу рідини апарат розташовують декілька нижче попереднього. Для відводу тепла, що виділяється при абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, охолоджувані водою або іншим охолоджуючим агентом, або поміщають абсорбери в посудину з проточною водою.
Більш досконалим апаратом такого типу є абсорбер (ріс.XI-7), що складається з ряду горизонтальних труб, зрошуваних зовні водою. Необхідний рівень рідини в кожному елементі 1 такого апарату підтримується за допомогою порога 2.
Пластинчастий абсорбер (ріс.XI-8) складається з двох систем каналів: по каналах 1 великого перерізу рухаються протитечією газ і абсорбент, по каналах 2 меншого перетину - охолоджуючий агент (як правило, вода). Пластинчасті абсорбери зазвичай виготовляють з графіту, так як він є хімічно стійким, добре проводять тепло.
Поверхневі абсорбери мають обмежене застосування внаслідок його малої ефективності та громіздкість.
Плівкові абсорбери. Ці апарати більш ефективні і компактні, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня поточної плівки рідини. Розрізняють такі різновиди апаратів даного типу: 1) трубчасті абсорбери; 2) абсорбери з плоско-паралельного або листової насадкою; 3) абсорбери з висхідним рухом плівки рідини.
Трубчастий абсорбер (ріс.XI-9) подібний за пристроєм з вертикальним кожухотрубчасті теплообмінником. Абсорбент надходить на верхню трубну решітку 1, розподіляється по трубах 2 і стікає по їх внутрішньої поверхні у вигляді тонкої плівки. В апаратах з великим числом труб для більш рівномірної подачі та розподілу рідини по трубах використовують спеціальні розподільні пристрої. Газ рухається по трубах знизу вгору назустріч стікає рідкої плівки. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному простору пропускають воду або інший охолоджувальний агент.
Абсорбер з плоскопараллельной насадкою (ріс.XI-10). Цей апарат являє собою колону з листової насадкою 1 у вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластичні маси тощо) або туго натягнутих полотнищ з тканини. У верхній частині абсорбера знаходяться розподільні пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.
Абсорбер з висхідним рухом плівки (ріс.XI-11) складається з труб 1, закріплених в трубних гратах 2. Газ з камери 3 проходить через патрубки 4, розташовані співвісно з трубами 1. Абсорбент надходить у труби через щілини 5. Рухомий з досить великою швидкістю газ захоплює рідку плівку в напрямку свого руху (знизу вгору), тобто апарат працює в режимі висхідного прямотока. На виході з труб 1 рідина зливається на верхню трубну решітку і виводиться з абсорбера. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному простору пропускають охолоджуючий агент. Для збільшення ступеня вилучення застосовують абсорбери такого типу, що складаються з двох або більше щаблів, кожна з яких працює за принципом прямотока, в той час як в апараті в цілому газ і рідина рухаються протитечією один до одного. В апаратах з висхідним рухом плівки внаслідок великих швидкостей газового потоку (до 30-40 м / сек) досягаються високі значення коефіцієнтів массопередачи, але, разом з тим, гідравлічний опір цих апаратів відносно велике.
Насадок абсорбери
Широке поширення в промисловості як абсорберів отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадок колоні (рис.7) насадка 1 укладається на опорні решітки 2, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини. Остання з допомогою розподільника 3 рівномірно зрошує насадочні тіла і стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілу рідини по перерізу колони звичайно не досягається, що пояснюється пристінковим ефектом - більшою щільністю укладання насадки в центральній частині колони, ніж у її стінок. Внаслідок цього рідина має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметра насадку іноді укладають шарами (секціями) заввишки 2-3 м і під кожною секцією, окрім нижньої, встановлюють перераспределітель рідини 4.У насадок колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадочні апарати можна розглядати як різновид плівкових. Проте в останніх плівкову течію рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадок абсорберах - тільки по висоті елемента насадки. При перетікання рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується і на нижчележачому елементі утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді струмків, крапель і бризок. Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою (застійної) рідиною.
Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м 2 / м 3) і вільний обсяг e (м 3 / м 3). Величину вільного об'єму для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, що займають насадкою, дає величину e. Еквівалентний діаметр насадки знаходиться за формулою
Гідродинамічні режими. Насадок абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах.
Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликих густинах зрошення і малих швидкостях газу. Обсяги затриманої в насадці рідини при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.
Другий режим - режим підвисання. При противотоке фаз внаслідок збільшення сил тертя газу про рідину на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. У результаті цього швидкість течії рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються. У режимі підвисання зі зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно - інтенсивність процесу массопередачи. У режимі підвисання спокійний плин плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботаж. Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини у вільному обсязі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікає рідиною і піднімається по колоні газом не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці. При цьому настає звернення або інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ - дисперсної). Утворюється газо-рідинна дисперсна система, за зовнішнім виглядом нагадує барботажний шар (піну) або газо-рідинну емульсію. Режим емульгування починається в самому вузькому перерізі насадки, щільність засипки якої, як зазначалося, нерівномірна по перерізу 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 максимальної ефективності насадок колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки (і не стільки) геометричної поверхнею насадки, а поверхнею пухирців і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Однак при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно велике.
У режимах підвисання та емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, у процесах абсорбції, що проводяться при підвищених тисках). Для абсорберів, що працюють при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великий, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найбільш ефективний гідродинамічний режим в кожному конкретному випадку можна встановити тільки шляхом техніко-економічного розрахунку.
Межею навантаження насадок абсорберів, що працюють в плівковому режимі, є точка емульгування, або інверсія. У звичайних насадок колонах плівковий режим нестійкий і відразу переходить у захлинання. Тому цю точку називають точкою захлебиванія насадок колон. Зі збільшенням швидкості зрошення знижується гранична швидкість газу. У точці інверсії швидкість газу зменшується також зі збільшенням в'язкості рідини і зниженням її щільності. При однакових витратах газу і рідини швидкість газу, що відповідає крапці інверсії, вище для більш великої насадки.
Четвертий режим - режим виносу, або зверненого руху рідини, що виноситься з апарату газовим потоком. Цей режим на практиці не використовується.
Вибір насадок. Для того щоб насадка працювала ефективно, вона повинна відповідати таким основним вимогам: 1) володіти великою поверхнею в одиниці об'єму; 2) добре змочуватися зрошуваної рідиною, 3) надавати малий гідравлічний опір газовому потоку; 4) рівномірно розподіляти зрошують рідина, 5 ) бути стійкою до хімічної дії рідини і газу, що рухаються в колоні; 6) мати малу питому вагу; 7) мати високу механічну міцність; 8) мати невисоку вартість.
Насадок, що повністю задовольняють всім зазначеним вимогам, не існує, тому що, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки тягне за собою збільшення гідравлічного опору апарату і зниження граничних навантажень. У промисловості застосовують різноманітні за формою і розмірами насадки (ріс.XI-15), які в тій чи іншій мірі задовольняють вимогам, що є основними при проведенні конкретного процесу абсорбції. Насадки виготовляються з різноманітних матеріалів (кераміка, фарфор, сталь, пластмаса та ін), вибір яких диктується величиною питомої поверхні насадки, смачиваемостью і корозійною стійкістю.
Як насадка використовують також засипаються навалом в колону шматки коксу або кварцу розмірами 25-100 мм. Однак внаслідок ряду недоліків (мала питома поверхня, високу гідравлічний опір і ін) кускове насадку в даний час застосовують рідко.
Широко поширена насадка у вигляді тонкостінних керамічних кілець висотою, що дорівнює діаметру (кільця Рашига), який змінюється в межах 15-150 мм. Кільця малих розмірів засипають у абсорбер навалом. Великі кільця (розмірами не менше 50'50 мм) укладають правильними рядами, зсунутими один щодо одного. Цей спосіб заповнення апарату насадкою називають завантаженням у укладку, а завантажену таким чином насадку - регулярною. Регулярна насадка має ряд переваг перед нерегулярною, засипаній в абсорбер навалом: володіє меншим гідравлічним опором, допускає великі швидкості газу. Однак для поліпшення змочування регулярних насадок необхідно застосовувати більш складні за конструкцією зрошувачі. Хордові дерев'яна насадка зазвичай використовується в абсорберах, що мають значний діаметр. Основна її перевага - простота виготовлення, недоліки - відносно невелика питома поверхня і малий вільний об'єм.
За останні роки стали застосовуватися спіральні насадки, виконані з металевих стрічок та дроту, різні металеві сітчасті насадки, а також насадки зі скляного волокна.
При виборі розмірів насадки слід враховувати, що чим більше розміри її елемента, тим вище допустима швидкість газу (і відповідно - продуктивність абсорбера) і нижче його гідравлічний опір. Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижчою за рахунок зменшення діаметра апарату, незважаючи на те, що його висота трохи збільшиться в порівнянні з висотою апарату, що має насадку менших розмірів (внаслідок зниження величини питомої поверхні насадки та інтенсивності массопередачи).
Дрібна насадка краще також при проведенні процесу абсорбції під підвищеним тиском, тому що в цьому випадку гідравлічний опір абсорбера не має істотного значення. Крім того, дрібна насадка, що володіє більшою питомою поверхнею, має переваги перед великим тоді, коли для здійснення процесу абсорбції необхідна велика кількість одиниць переносу або теоретичних ступенів зміни концентрацій.
Основні переваги насадок колон є простота пристрою і низький гідравлічний опір. Недоліки: труднощі відведення тепла і погана змочуваність насадки при низьких плотностях зрошення. Відведення тепла з цих апаратів і поліпшення змочуваності досягаються шляхом рециркуляції абсорбенту, що ускладнює і здорожує абсорбційну установку. Для проведення одного і того ж процесу потрібні насадочні колони зазвичай більшого обсягу, ніж барботажние.
Насадок колони мало придатні при роботі із забрудненими рідинами. Для таких рідин останнім часом стали застосовувати абсорбери з «плаваючою» насадкою. У цих абсорберах як насадка використовують переважно легкі порожнисті або суцільні пластмасові кулі, які при достатньо високих швидкостях газу переходять у завислий стан.
У абсорберах з «плаваючою» насадкою припустимі більш високі швидкості газу, ніж в абсорберах з нерухомою насадкою. При цьому збільшення швидкості газу призводить до великого розширення шару куль і, отже, до незначного збільшення гідравлічного опору апарату.
Барботажние (тарілчасті) абсорбери
Тарілчасті абсорбери представляють собою, як правило, вертикальні колони, всередині яких на певній відстані один від одного розміщені горизонтальні перегородки - тарілки. За допомогою тарілок здійснюється спрямований рух фаз і багаторазове взаємодія рідини і газу.В даний час в промисловості застосовуються різноманітні конструкції тарілчастих апаратів. За способом зливу рідини з тарілок барботажние абсорбери можна підрозділити на колони: 1) з тарілками із зливними пристроями і 2) з тарілками без зливних пристроїв.
Принцип роботи колон такого типу видно з ріс.XI-16, де в якості прикладу показано абсорбер з сітчатие тарілками. Рідина надходить на верхню тарілку 1, зливається з тарілки на тарілку через переливні пристрої 2 і видаляються з нижньої частини колони. Газ надходить у нижню частину апарату проходить послідовно крізь отвори або ковпачки кожної тарілки. При цьому газ розподіляється у вигляді бульбашок і струменів в шарі рідини на тарілці, утворюючи на ньому шар піни, що є основною областю масообміну та теплообміну на тарілці. Відпрацьований газ видаляється зверху колони.
Переливні трубки розташовують на тарілках таким чином, щоб рідина на сусідніх тарілках протікала у взаімопротівоположних напрямках. За останній час все ширше застосовують зливні пристрої у вигляді сегментів, вирізаних в тарілці і обмежених порогом - переливом.
До тарілках із зливними пристроями відносяться: сітчатие, колпачковой, клапанні та баластні, пластинчасті.
Гідродинамічні режими роботи тарілок. Ефективність тарілок будь-яких конструкцій в значній мірі залежить від гідродинамічних режимів їх роботи. Тому до опису основних конструкцій тарілок розглянемо ці режими.
Залежно від швидкості газу і щільності зрошення розрізняють три основних гідродинамічних режиму роботи барботажних тарілок: бульбашковий, пінний і струменевий, або інжекційні. Ці режими відрізняються структурою барботажного шару, яка в основному визначає його гідравлічний опір і висоту, а також величину поверхні контакту фаз.
Бульбашковий режим. Такий режим спостерігається при невеликих швидкостях газу, коли він рухається крізь шар рідини у вигляді окремих бульбашок. Поверхня контакту фаз на тарілці, що працює в бульбашковій режимі, невелика.
Пінний режим. Зі збільшенням витрати газу виходять з отвору і прорізи окремі бульбашки зливаються в суцільну струмінь, яка на певній відстані від місця закінчення руйнується внаслідок опору барботажного шару з утворенням великої кількості бульбашок. При цьому на тарілці виникає газо-рідинна дисперсна система - піна, яка є нестабільною і руйнується відразу ж після припинення подачі газу. У зазначеному режимі контактування газу і рідини відбувається на поверхні бульбашок і струменів газу, а також на поверхні крапель рідини, які у великій кількості утворюються над барботажние шаром при виході бульбашок газу з барботажного шару та руйнації їх оболонок. При пінному режимі поверхню контакту фаз на барботажних тарілках максимальна.
Струменевий (інжекційні) режим. При подальшому збільшенні швидкості газу довжина газових струменів збільшується, і вони виходять на поверхню барботажного шару, не руйнуючись і утворюючи велику кількість крупних бризок. Поверхня контакту фаз в умовах такого гідродинамічного режиму різко знижується.
Слід зазначити, що перехід від одного режиму до іншого відбувається поступово. Загальні методи розрахунку меж гідродинамічних режимів (критичних точок) для барботажних тарілок відсутні. Тому при проектуванні тарілчастих апаратів зазвичай розрахунковим шляхом визначають швидкість газу, відповідну нижнього і верхнього меж роботи тарілки, і потім вибирають робочу швидкість газу.
Сітчатие тарілки. Колона з сітчастими тарілками (рис. XI-18) являє собою вертикальний циліндричний корпус 1 з горизонтальними тарілками 2, в яких рівномірно по всій поверхні просвердлений значне число отворів діаметром 1-5 мм. Д ля зливу рідини і регулювання її рівня на тарілці служать переливні трубки 3, нижні кінці яких занурені у склянки 4.
Газ проходить крізь отвори тарілки і розподіляється в рідині у вигляді дрібних струмків і бульбашок. При дуже малій швидкості газу рідина може просочуватися (або «провалюватися») через отвори тарілки на нижчерозташованими, що повинно привести до істотного зниження інтенсивності массопередачи. Тому газ повинен рухатися з певною швидкістю і мати тиск, достатній для того, щоб подолати тиск шару рідини на тарілці і запобігти стікання рідини через отвори тарілки.
Сітчатие тарілки відрізняються простотою пристрою, легкістю монтажу, огляду і ремонту. Гідравлічний опір цих тарілок невелика. Сітчатие тарілки стійко працюють у досить широкому інтервалі швидкостей газу, причому в певному діапазоні навантажень по газу і рідини ці тарілки мають високу ефективність. Разом з тим сітчатие тарілки чутливі до забруднень і осідань, які забивають отвори тарілок. У разі раптового припинення надходження газу або значного зниження його тиску з сітчатие тарілок зливається вся рідина, і для відновлення процесу потрібно знову запускати колону.
Різновидом абсорберів з сітчатие тарілками є так звані пінні абсорбери, тарілки яких, як зазначалося, відрізняються від сітчатие конструкцією переливного пристрою. При однаковому числі тарілок ефективність пінних апаратів вище, ніж ефективність абсорберів з сітчатие тарілками. Проте внаслідок великої висоти піни на тарілках гідравлічний опір пінних абсорберів значно, що обмежує сферу їх застосування.
Колпачковой тарілки. Менш чутливі до забруднень, ніж колони з сітчатие тарілками, і відрізняються більш високим інтервалом стійкої роботи колони з колпачковой тарілками (рис. Х1-19). Газ на тарілку 1 надходить по патрубках 2, розбиваючись потім прорізами ковпачка 3 на велике число окремих струменів. Прорізи ковпачків найбільш часто виконуються у вигляді зубців трикутної або прямокутної форми. Далі газ проходить через шар рідини, що перетікає по тарілці від одного зливного пристрою 4 до іншого. При русі через шар значна частина дрібних струменів розпадається і газ розподіляється в рідині у вигляді бульбашок. Інтенсивність утворення піни та бризок на колпачковой тарілках залежить від швидкості руху газу і глибини занурення ковпачка на рідину.
На рис. Х1-20 показана схема роботи ковпачка при неповному (а) і його (б) відкриття прорізів, причому в останньому випадку ковпачок працює найбільш ефективно »Переріз та форма прорізів ковпачка мають другорядне значення, але бажано влаштування вузьких прорізів, так - як при цьому газ розбивається на більш дрібні струмки, що спосоосгвует збільшення поверхні дотику фаз. Для створення більшої поверхні контакту фаз на тарілках зазвичай встановлюють значне число ковпачків, розташованих на невеликій відстані один від одного.
Колпачковой тарілки виготовляють з радіальним або діаметральним переливами рідини. Тарілка з радіальним переливом рідини (мал. Х1-21, а) являє собою сталевий диск 1, який кріпиться на прокладці 2 болтами 3 до опорному кільцю 4. Ковпачки 5 розташовані на тарілці в шаховому порядку. Рідина переливається на лежачу нижче тарілку по периферійним зливним трубкам 6, рухається до центру і зливається на наступну тарілку по центральній трубці 7, потім знову тече до периферії і т. д.
Тарілка з діаметральним переливом рідини (мал. Х1-21, б) являє собою зрізаний з двох сторін диск /, встановлений на опорному листі 2. З одного боку тарілка обмежена прийомним порогом 3, а з іншого - зливним порогом 4 зі змінною гребінкою 5, за допомогою якої регулюється рівень рідини на тарілці. У тарілці цієї конструкції периметр зливу збільшений шляхом заміни зливних трубок сегментообразнимі отворами, обмеженими перегородками 6, що знижує спінювання рідини при її переливі.
Колпачковой тарілки стійко працюють при значних змінах навантажень по газу і рідини. До їх недоліків слід віднести складність пристрою і високу вартість, низькі граничні навантаження по газу, відносно високий гідравлічний опір, труднощі очищення. Тому колони з колпачковой тарілками поступово витісняються новими, більш прогресивними конструкціями тарілчастих апаратів.
Колпачковой тарілки стійко працюють при значних змінах навантажень по газу і рідини. До їх недоліків слід віднести складність пристрою і високу вартість, низькі граничні навантаження по газу, відносно високий гідравлічний опір, труднощі очищення. Тому колони з колпачковой тарілками поступово витісняються новими, більш прогресивними конструкціями тарілчастих апаратів.
Клапанні і баластні тарілки (рис. XI-23). Ці тарілки отримують за останній час все більш широке поширення, особливо для роботи в умовах значно мінливих швидкостей газу.
Принцип дії клапанних тарілок (рис. Х1-23. А, б) полягає в тому, що вільно лежить над отвором в тарілці круглий клапан 1 з зміною витрати газу своєю вагою автоматично регулює величину площі зазору між клапаном і площиною тарілки для проходу газу і тим самим підтримує постійної швидкість газу при його закінчення в барботажний шар. При цьому зі збільшенням швидкості газу в колоні гідравлічний опір клапанної тарілки збільшується незначно. Висота підйому клапана обмежується висотою кронштейна-обмежувача 2 і зазвичай не перевищує 8 мм. Пластинчасті клапани (рис. X1-23, в) працюють так само, як і круглі. Вони мають форму неравнобокими куточка, одна з полиць якого (довша) закриває прямокутний отвір в тарілці.
Баластні тарілки (рис. X1-23, г) відрізняються по влаштуванню від клапанних тим, що в них між легким круглим клапаном 1 і кронштейном-обмежувачем 2 встановлений на коротких стійках, що спираються на тарілку, більш важкий, ніж клапан, баласт 3. Клапан починає підніматися при невеликих швидкостях газу. З подальшим збільшенням швидкості газу клапан впирається в баласт і потім піднімається разом з ним. Баластні тарілки відрізняються більш рівномірною роботою і повною відсутністю провалу рідини в усьому інтервалі швидкостей газу.
Переваги клапанних і баластних тарілок: порівняно висока пропускна здатність по газу і гідродинамічна стійкість, постійна і висока ефективність у широкому інтервалі навантажень по газу. Остання гідність є особливістю клапанних і баластних тарілок в порівнянні з тарілками інших конструкцій. До недоліків цих тарілок слід віднести їх підвищений гідравлічний опір, обумовлене вагою клапана або баласту. Відомі різновиди клапанних і баластних тарілок, що відрізняються конструкцією клапанів (баластів) і обмежувачів.
Таким чином, пластинчасті тарілки працюють так, що на відміну від тарілок інших конструкцій рідина є дисперсною фазою, а газ - суцільний, і контактування рідини і газу здійснюється на поверхні крапель і бризок. Описаний гідродинамічний режим газорідинної дисперсної системи на контактній тарілці може бути визначений як крапельний або крапельно-бризгового.
Цей режим дозволяє різко підвищити навантаження по рідини і газу в колонах з пластинчастими тарілками.
Крім роботи пластинчастих тарілок в інтенсивному крапельному режимі до числа їхніх достоїнств відносяться: низький гідравлічний опір, можливість роботи із забрудненими рідинами, низький витрата металу при їх виготовленні. На тарілках цього типу зменшується поздовжнє перемішування рідини, що призводить до збільшення рушійної сили массопередачи. Недоліками пластинчастих тарілок є: труднощі відведення та підведення тепла, зниження ефективності при невеликих витратах рідини. В даний час розроблений ряд інших конструкцій тарілок з односпрямованим рухом рідини і газу, опис яких наводиться в спеціальній літературі.
Колони з тарілками без зливних пристроїв (рис. Х1-25). У тарілці без зливних пристроїв газ і рідина проходять через одні й ті ж отвори або щілини. На тарілці одночасно із взаємодією рідини і газу шляхом барботажа відбувається стік частини рідини на нижчерозташованими тарілку - «провалювання» рідини. Тому тарілки такого типу зазвичай називають провальними. До них відносяться дірчасті, гратчасті, трубчасті і хвилясті тарілки.
Розпилююча абсорбери
У абсорберах цього типу тісний контакт між фазами досягається шляхом розпилювання чи розбризкування різними способами рідини в газовому потоці.Порожній Розпилююча абсорбер (ріс.XI-28) являє собою колону, у верхній частині корпусу 1 якої є форсунки 2 для розпилювання рідини (переважно механічні). У Розпилююча абсорберах об'ємні коефіцієнти массопередачи швидко знижуються по мірі віддалення від форсунок внаслідок коалесценіціі крапель і зменшення поверхні фазового контакту. Тому зрошувачі (форсунки) в цих апаратах зазвичай встановлюють на декількох рівнях.
До достоїнств порожнистих Розпилююча абсорберів відносяться: простота пристрою, низький гідравлічний опір, можливість роботи із забрудненими газами, легкість огляду, очищення та ремонту. Недоліки цих апаратів: невисока ефективність, значна витрата енергії на розпилення рідини, труднощі роботи з забрудненими рідинами, необхідність подачі великих кількостей абсорбенту для збільшення кількості крапель і відповідно - поверхні контакту фаз, низькі допустимі швидкості газу, значення яких обмежені віднесенням крапель рідини.
Розпилююча абсорбери застосовуються головним чином для поглинання добре розчинних газів, тому що внаслідок високої відносної швидкості фаз і турбулізації газового потоку коефіцієнти массоотдачи в газовій фазі (b г) у цих апаратах досить високі.
Значно більш ефективними апаратами є прямоточні Розпилююча абсорбери, в яких розпорошена рідина захоплюється і несеться газовим потоком, що рухаються з великою швидкістю (20-30 м / сек і більше), а потім відділяється від газу в спеціальній камері. До апаратів такого типу відноситься абсорбер Вентурі (ріс.XI-29), основною частиною якого є труба Вентурі. Рідина надходить у конфузор 1 труби, тече у вигляді плівки і в горловині 2 Розпилююча газовим потоком. Далі рідина виноситься газом в дифузор 3, в якому поступово знижується швидкість газу, і кінетична енергія газового потоку переходить в енергію тиску з мінімальними втратами. Сепарація крапель відбувається в камері 4.
До Розпилююча відносяться також механічні абсорбери, в яких розбризкування рідини проводиться за допомогою обертових пристроїв, тобто з підведенням зовнішньої енергії для утворення можливо більшої поверхні контакту фаз між газом і рідиною.
Механічні абсорбери компактніше й ефективніше Розпилююча абсорберів інших типів. Однак вони значно складніше по влаштуванню і вимагають великих витрат енергії на здійснення процесу.
У багатьох випадках у системах газ - рідина для диспергування однієї фази в іншій виявляється достатнім використання енергії потоку газу, що взаємодіє з рідиною, і підведення зовнішньої енергії для цієї мети недоцільний.
Касаткін А.Г. «Основні процеси та апарати хімічної технології»; вид. «Хімія», М., 1971.