Барботажные колонны и режимы их работы

Барботажные колонны применяются с колпачковыми, сетчатыми и провальными тарелками. Значительное гидравлическое сопротивление колонн при ректификации вызывает только некоторое повышение давления и температуры в нижней части колонны, но жидкости в них разделяются с большей четкостью. Массообмен в них имеет ступенчатый характер (в отличие от непрерывного режима насадочных колонн) – газ и жидкость соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата.

Массовый барботаж в зависимости от скорости газа в сечении отверстия характеризуется следующими режимами (в порядке повышения):

1. Режим смоченной тарелки (провала – силы давления столба жидкости больше давления газа в проходном сечении отверстия). В этом режиме газ и жидкость проходят через разные отверстия и контакт фаз малоэффективен.

2. Барботажный режим: пузыри газа выходят из отверстия в виде факела, отрываются от него за счет Архимедовой силы выталкивания, распадается на отдельные пузыри под действием турбулентности газо-жидкостной смеси, образуя газожидкостной слой. На поверхности жидкости происходит разрыв газовых оболочек – образуется пенный слой. При разрыве пленок жидкости образуются брызги, поднимающиеся над слоем жидкости.

3. Режим газовых струй (факельный режим – струя газа на выходе из отверстия выглядит в виде факела, разрушения на пузыри не происходит вплоть до касания факела поверхности жидкости на тарелке).

4. Режим интенсивного уноса и захлебывания тарелки (скорость газа такова, что она захватывает жидкость с собой и последняя вместо течения вниз уносится вместе с газом). Этот режим, как правило, определяет максимальную производительность колонны.

Практически во всех режимах на тарелке присутствуют три состояния жидкости: газо-жидкостной слой, слой пены - инверсирующей[6] смеси газа и жидкости, и брызги. Расстояние между тарелками должно быть больше суммы вспененного слоя жидкости на тарелке и сепарационного пространства, последнее определяют, исходя из условий минимального межтарельчатого уноса.

Конструктивно тарелки делятся на три большие группы: колпачковые, сетчатые и провальные и огромную массу промежуточных и переходных между этими типами.

Колонны с колпачковыми тарелками. В колпачковых тарелках газ барботирует через жидкость, выходя из прорезей колпачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газ дробится на мелкие струйки, которые по выходе из прорези почти сразу поднимаются вверх и, проходя через слой жидкости на тарелке, сливаются друг с другом.

В колоннах с колпачковыми тарелками (рис. 19) находятся тарелки с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3. Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. Уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.

Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и, выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботирует через слой жидкости.

Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал, таким образом, нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены под уровень жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.

Рис. 19. Колонна с колпачковыми тарелками: 1 – тарелка; 2 – патрубки; 3– колпачки; 4 –переливные грубы.

Колонны с сетчатыми тарелками. Сетчатые тарелки (рис. 20) имеют отверстия диаметром 2–5 мм; газ проходит через отверстия и барботирует через слой жидкости на тарелке. При нормальной работе колонны жидкость не протекает через отверстия, так как она поддерживается снизу давлением газа. Высота слоя жидкости на тарелке составляет 25–30 мм и определяется положением верхних концов переливных труб 2.

Рис. 20. Колонна с сетчатыми тарелками: 1 – отверстия; 2 – переливная труба.

Сетчатые колонны отличаются простотой устройства и высокой эффективностью. Основной их недостаток заключается в том, что они удовлетворительно работают лишь в ограниченном диапазоне нагрузок. При низких нагрузках, когда скорость газа мала, жидкость протекает через отверстия и работа колонны нарушается. При больших нагрузках гидравлическое сопротивление тарелки сильно возрастает, причем наблюдается значительный унос жидкости (хотя на сетчатых тарелках унос меньше, чем на колпачковых тарелках). Другой недостаток сетчатых колонн состоит в том, что отверстия в тарелках легко забиваются, в оставшихся происходит отклонение режима от расчетного.

Колонны с провальными тарелками. В провальных тарелках отсутствуют переливные трубы, вследствие этого газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. Дырчатые провальные тарелки по устройству аналогичны сетчатым тарелкам и отличаются от них лишь отсутствием переливных труб. Решетчатые тарелки (рис. 21) имеют отверстия в виде фрезерованных щелей шириной 3–4 мм. Иногда тарелки собирают из полос, поставленных на ребро.

Рис. 21. Решетчатые провальные тарелки: 1 -щели.

Преимуществами барботажных колонн являются хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе при низком, расходе жидкости, по сравнению с насадочными они более пригодны для работы с загрязненными средами.

Основные недостатки барботажных колонн – сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление, связанное при пропускании больших количеств газа со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. Поэтому барботажные колонны применяют преимущественно в тех случаях, когда разделение ведется под повышенным давлением, так как при этом высокое гидравлическое сопротивление не существенно.