Нерегулярные (насыпные) насадки.

В насадочных аппаратах орошающую жидкость равномерно распределяют по сечению аппарата с помощью различных оросителей 3 (на рис. 2.30 показан простейший — выполненный в виде части сферы с отверстиями и работающий по принципу душа). Одним из недостатков насадочных аппаратов является неравномерность стекания жидкости по сечению колонны, обусловленная пристеночным эффектом. По мере движения вниз по аппарату эта неравномерность усиливается (рис. 2.31, и из-за малого

1. Схема насадочной колонны 2.31

1-колонна насадочная, 2-слои насадки, 3-ороситель.

4- решетка, 5-перераспределительные тарелки

потока жидкости в приосевых зонах эффективность абсорбера заметно ухудшается. Для уменьшения поперечной неравномерности потока жидкости насадку загружают слоями 2 (на рис. 2.30 их два), а в промежутках между ними размещают перераспределительные устройства 5, которые собирают жидкость к центру и обеспечивают более равномерное орошение насадки по сечению аппарата. Простейшим распределителем жидкости является собирающий конус 5, показанный на рис. 2.30.

В качестве нерегулярных наcадок используют твердые тела различной формы, загруженные в корпус колонны в навал. В результате в колонне образуется сложная пространственная структура, обеспечивающая значительную поверхность контакта фаз.

Рис. 2.32 Нерегулярные (насыпные) насадки:

а — кольца Рашига; б — кольца Рашига с перегородками; в — кольца Палля; г — кольца Ну-Рак фирмы "Norton"; д — полукольца Levapak; e — кольца Cascade Mini-Rings фирмы "Glitsch"; ж — седла Берля; з — седла Инталлокс; и — седла Инталлокс фирмы "Norton"

Среди насадок, засыпаемых внавал, широкое распространение получили кольца Рашига, представляющие собой отрезки труб, высота которых равна наружному диаметру (рис. 2.32, а). Низкая стоимость и простота изготовления колец Рашига делают их одним из самых распространенных типов насадок. Для интенсификации процесса массообмена разработаны конструкции цилиндрических насадок с перегородками диаметрально расположенными, крестообразными или выполненных в виде лопастей (рис. 2.32, б). По сравнению с другими типами насадок кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением.

Насадку с размером элементов до 50 мм загружают в абсорбер навалом. Высота слоя насадки в каждой секции обычно равна 4 — 5 диаметрам колонны, но не более 2 — 3 м. Расстояние между слоями насадки определяется конструкцией распределительного устройства.

Отличительной особенностью работы насадочных колонн с загрузкой элементов насадки навалом является образование застойных зон — с неподвижной (малоподвижной) жидкостью в местах более плотной упаковки насадки.

Промышленное использование в настоящее время нашла одна из разновидностей кольцевых насадок — кольца Палля (рис. 2.32, в). При изготовлении таких колец на боковых стенках сделаны два ряда прямоугольных, смещенных относительно друг друга надрезов, лепестки которых отогнуты внутрь насадки. Конструкция колец Палля по сравнению с кольцами Рашига позволяет при их близких геометрических параметрах в 1,2 раза увеличить пропускную способность, в 1,6 — 4 раза снизить гидравлическое сопротивление и почти на 25 % увеличить ее эффективность.

На рис.2.32, г приведена насадка Ну-Рак (Хай-Пек), разработанная фирмой "Norton". Она представляет собой цилиндрические кольца, на боковой поверхности которых также выполнены отверстия, но в отличие от колец Палля каждый лепесток кроме того разрезан вдоль и отогнут внутри.

Основной недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, ограничивающий их применение в крупнотоннажных производствах, - неравномерность распределения контактирующих потоков по сечению аппарата. кольца в противоположные стороны. Боковая поверхность элемента имеет три кольцевых ребра жесткости, что обеспечивает определенный зазор между кольцами в слое и увеличивает долю свободного объема. Во внутренней полости колец Ну-Pak происходит турбулизация парового потока и интенсивное дробление жидкости, что позволяет по сравнению с кольцами Палля при близких гидродинамических показателях увеличить интенсивность массообмена на 10—30 %.

На рис. 2.32, д показана насадка Levapak усовершенствованной конструкции, выполненная из колец, разрезанных по образующей на две части, каждая из которых имеет два или три ряда отверстий с язычками разной длины, отогнутыми в смежных рядах в разные стороны. Такая насадка образует слой с равномерно распределенной порозностью и насыпной плотностью, что способствует более равномерному распределению жидкости в слое. Боковые кромки элементов насадки имеют зубцы, что также способствует дополнительному дроблению и турбулизации потоков. Насадка Levapak превосходит кольца Палля по эффективности массопередачи в среднем на 27 % и имеет более низкое (на 23 %) гидравлическое сопротивление.

На рис. 2.32, e показана насыпная насадка Cascade Mini-Rings фир­мы "Glitsch". На боковой стенке таких колец выполнен один ряд просечек, лепестки отогнуты внутрь кольца. При загрузке элементов насадки в аппарат осуществляется принцип автоориентации, т.е. кольца в слое ориентируются предпочтительно в открытом для потока паров положении, что обеспечивает равномерное распределение потока жидкости по поверхности насадки, высокую пропускную способность и малое гидравлическое сопротивление.

Седла Берля (рис. 2.32, ж), поверхность которых представляет гиперболический параболоид, по сравнению с кольцами Рашига при одинаковых размерах насадочных тел имеют примерно на 25 % боль­шую удельную поверхность и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением.Основным отличием седлообразных насадок от цилиндрических является их высокая способность к перераспределению потоков жидкости по сечению аппарата.

Насадка (рис. 2.32, з), известная как седла Инталлокс, является сегодня наиболее распространенной керамической насадкой. Поверхность ее представляет часть тора. Седла Инталлокс по сравнению с седлами Берля проще в изготовлении, обладают большей механической прочностью, обеспечивают большую однородность размещения насадки и не создают предпочтительных путей для протекания жидкости.

Особое место среди седловидных насадок занимают металлические седла Инталлокс фирмы "Norton" (рис. 2.32, и), образованные дугообразной отбортованной полоской с выштампованной перегородкой и отогнутыми внутрь лепестками. Опыт эксплуатации промышленных аппаратов показал, что эта насадка обеспечивает высокую эффективность даже при низких нагрузках, хорошее самораспределение жидкости, механическую прочность, небольшую массу и давление на стенку аппарата.

1. Регулярные насадки,

Регулярные насадки изготавливаемые из сетки, перфорированного или гофрированного металлического листа, многослойных сеток и т. д., обеспечивают более однородное, по сравнению с традиционными насадками из колец и седел, распределение жидкости и пара (газа) в колоннах. Кроме того, они обладают исключительно важным достоинством, таким как низкое гидравлическое сопротивление — в пределе до 1…2 мм рт. ст. (130…260 Па) на 1 теоретическую тарелку. По этому показателю они значительно превосходят любой из известных типов тарельчатых контактных устройств.

Регулярные насадкиотличаются упорядоченной ориентацией отдельных структурообразующих элементов в пространстве и их разделяют на две группы — с индивидуальной укладкой и блочные (в том числе рулонные).

Кольца Рашига, Палля, с перегородкой и другие размером более 50 мм иногда размещают правильными рядами со смещением их в соседних рядах; такое расположение элементов насадки называется регулярным.

Регулярная насадка с индивидуальной укладкой состоит из отдельных элементов (кольца, треугольные призмы с постоянным или переменным по высоте сечением), которые располагают в корпусе колонны слоями. Для упрощения монтажа такой насадки отдельные элементы могут быть предварительно собраны в контейнеры, которые затем устанавливают в корпусе колонны. Широкого применения в промышленности насадки с индивидуальной укладкой не получили, так как это резко увеличивает трудоемкость и себестоимость монтажа.

На рис. 2.33 приведены варианты регулярной блочной насадки. Известны регулярные насадки фирмы "Sulzer", представляющие собой пакет гофрированных листов. Гофрирование листов выполнено под фиксированным к вертикальной оси углом (чаще 30° или 45°) и на смежных листах направлено в противоположные стороны. Имеются модификации такой насадки, изготавливаемые из различных материалов: стального рифленого листа, пластмассы, керамики, фарфора, стекла, графитового волокна.. На рис. 2.33, а показан элемент насадки Меллапак 250.Y (число характеризует величину удельной поверхности насадки в м²/м³, a Y указывает на то, что гофрирование листов выполнено под углом 45°).

Рис 2.33 Конструкции регулярных насадок

а – Меллапак б- Инталлокс, в- Ваку-Пак, г- Панченкова

Конструкция блочной регулярной насадки Инталлокс, разработанная фирмой "Norton", представлена на рис. 2.33, б и образована из стальных гофрированных листов. Каждый лист при гофрировании делится на несколько участков (на рис. 2.33, б три участка) с отгибкой металла в про­тивоположные стороны. В местах перехода выполняются просечки, что способствует эффективному обновлению поверхности массообмена.

Насадка Ваку-пак разработана совместно ВНИИнефтемашем и фирмой "Apparate-und Anlagenbau Germania" (рис. 2.33, в). Она образована из вертикальных гофрированных пластин, изготовленных из просечно-вытяжного листа. Поверхность пластин имеет арочные просечки, направленные вниз и ориентированные в противоположные стороны с обеих сторон пластин. За счет этих просечек обеспечивается зазор в 20 мм между сосед­ними гофрированными пластинами. Такая насадка имеет удельную поверхность 115 м²/м³, свободный объем 98 % и объемную массу 150 кг/м³.

При разработке массообменных аппаратов с использованием регулярной насадки необходимо индивидуальное проектирование выбранного типа насадки для данной колонны. Для этого слой насадки разбивают на отдельные блоки с учетом изменения кривизны стенки колонн разного диаметра. В колоннах диаметром до 1 м регулярная насадка монтируется одним блоком через верхнее съемное днище. Высота всех блоков регулярных насадок составляет около 400 мм, максимальная ширина принята с учетом размеров люка-лаза .

На современных НПЗ вакуумные колонны установок перегонки нефти оснащены регулярными насадками, что позволяет обеспечить глубокий вакуум в колоннах и существенно увеличить отбор вакуумного газойля и достичь температуры конца кипения до 600 °С.