Конструкція насадок абсорберів
Широке поширення в промисловості як абсорберів отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадок колоні (малюнок 3) 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 рівномірний розподіл 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) висотою 2 - 3 м і під кожною секцією, окрім нижньої, встановлюють перераспределітель рідини 4.
Малюнок 3 - насадок абсорбери:
1 - насадка: 2 - опорна грати; 3 - розподільник рідини; 4 - перераспределітель рідини.
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 *) і вільний обсяг ε (м 3 / м 3). Вільний об'єм для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення обсягу насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, що займають насадкою, дає величину ε. Еквівалентний діаметр насадки
Гідродинамічні режими. Насадок абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах. Ці режими видно з графіка (рис. XI-13), що виражає залежність гідравлічного опору зрошуваної насадки від фіктивної швидкості газу в колоні.
Рисунок 4 - Залежність гідравлічного опору насадки від швидкості газу в колоні (L = const):
1 - суха насадка; 2 - зрошувана насадка.
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. Плівковий режим закінчується в першій перехідною точці (точка А, рисунок 4), званої точкою підвисання.
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. Цей режим закінчується в другій перехідною точці (точка В, рисунок 4), причому в 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 (на малюнку 4 цей режим характеризується майже вертикальним відрізком ВС).
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, гідравлічний опір може виявитися неприпустимо великим, 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 (малюнок 5). 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.
Малюнок 5 - Емульгаціонная насадок колон: 1 - колона; 2 - гідравлічний затвор; 3 - вентиль, 4 - розподільна тарілка.
Межею навантаження насадок абсорберів, що працюють в плівкових режимах, є точка емульгування, або інверсії. У звичайних насадок колонах режим емульгування нестійкий і відразу переходить у захлинання. Тому цю точку називають точкою захлебиванія насадок колон. Фіктивна швидкість W 3 газу, відповідна межі навантаження, визначається за рівнянням
де S св - вільне перетин насадки, м 2 / м 2; а - питома поверхня насадки, м 2 / м 3; L 'і G' - витрати рідини і газу, кг / сек.
З рівняння (16) можна зробити висновок, що зі збільшенням щільності 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.
Фізична і математична моделі утримуючої здатності насадки
Основні положення
Перебіг плівки
Рівняння нерозривності
Рівняння Новйо-Стокса для тривимірного течії
для одновимірного течії
Враховуючи, що при сталому перебігу
Перебіг плівки по поверхні каналу
Граничні умови:
при
при
Інтегруючи рівняння для течії рідини в круглій трубі по частинах, приходимо до рівняння:
І за тим, отримуємо:
Враховуючи гранична умова:
при
знаходимо з 1:
Інтегруючи далі, отримуємо:
Враховуючи гранична умова:
при
Звідси
Широке поширення в промисловості як абсорберів отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадок колоні (малюнок 3) 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 рівномірний розподіл 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) висотою 2 -
Малюнок 3 - насадок абсорбери:
1 - насадка: 2 - опорна грати; 3 - розподільник рідини; 4 - перераспределітель рідини.
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 *) і вільний обсяг ε (м 3 / м 3). Вільний об'єм для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення обсягу насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, що займають насадкою, дає величину ε. Еквівалентний діаметр насадки
Гідродинамічні режими. Насадок абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах. Ці режими видно з графіка (рис. XI-13), що виражає залежність гідравлічного опору зрошуваної насадки від фіктивної швидкості газу в колоні.
Рисунок 4 - Залежність гідравлічного опору насадки від швидкості газу в колоні (L = const):
1 - суха насадка; 2 - зрошувана насадка.
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. Плівковий режим закінчується в першій перехідною точці (точка А, рисунок 4), званої точкою підвисання.
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. Цей режим закінчується в другій перехідною точці (точка В, рисунок 4), причому в 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 (на малюнку 4 цей режим характеризується майже вертикальним відрізком ВС).
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, гідравлічний опір може виявитися неприпустимо великим, 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 (малюнок 5). 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.
Малюнок 5 - Емульгаціонная насадок колон: 1 - колона; 2 - гідравлічний затвор; 3 - вентиль, 4 - розподільна тарілка.
Межею навантаження насадок абсорберів, що працюють в плівкових режимах, є точка емульгування, або інверсії. У звичайних насадок колонах режим емульгування нестійкий і відразу переходить у захлинання. Тому цю точку називають точкою захлебиванія насадок колон. Фіктивна швидкість W 3 газу, відповідна межі навантаження, визначається за рівнянням
де S св - вільне перетин насадки, м 2 / м 2; а - питома поверхня насадки, м 2 / м 3; L 'і G' - витрати рідини і газу, кг / сек.
З рівняння (16) можна зробити висновок, що зі збільшенням щільності 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.
Фізична і математична моделі утримуючої здатності насадки
Основні положення
Перебіг плівки
Рівняння нерозривності
Рівняння Новйо-Стокса для тривимірного течії
для одновимірного течії
Враховуючи, що при сталому перебігу
Перебіг плівки по поверхні каналу
Граничні умови:
при
при
Інтегруючи рівняння для течії рідини в круглій трубі по частинах, приходимо до рівняння:
І за тим, отримуємо:
Враховуючи гранична умова:
при
знаходимо з 1:
Інтегруючи далі, отримуємо:
Враховуючи гранична умова:
при
Звідси