Устройство и работа барботажной тарелки

Рассмотрим особенности работы барботажной тарелки на примере колпачковой тарелки с круглыми колпачками, схема которой приведена на рисунке 3.8.

I-область светлой жидкости; II-область газожидкостной системы (пены)

Рисунок 3.8-Схема работы колпачковой тарелки

Жидкость поступает на полотно тарелки из переливного устройства и течёт от приточной стороны тарелки к сточной; при этом возникает градиент уровня жидкости ∆. Стенка переливного устройства погружена в жидкость, находящуюся на нижележащей тарелке, что обеспечивает соответствующий гидравлический затвор, исключающий возможность прохождения паров через переливное устройство. Уровень жидкости H_ж в переливном устройстве выше уровня жидкости на тарелке, что обеспечивает необходимый расход жидкости.

Высота слоя жидкости на полотне тарелки определяется высотой сливной перегородки h_сп и подпором жидкости над сливной перегородкой h₁. Изменяя высоту сливной перегородки, можно менять уровень жидкости на тарелке.

Вследствие наличия разности давлений P₁ > P₂между двумя смежными тарелками поток паров направляется через паровые патрубки под колпачки, а затем через прорези в нижних кромках колпачков поступает в слой жидкости на тарелке. При барботаже, т. е. прохождении газа (пара) сквозь слой жидкости, осуществляется контакт между фазами и протекает процесс массообмена между ними.

Данному рабочему режиму соответствует определенная степень открытия прорезей колпачков 1, которая обеспечивает пропуск паров, приходящихся на одну прорезь. При этом уровень жидкости под колпачком ниже, чем на полотне тарелки.

При поступлении в слой жидкости поток паров разбивается прорезями колпачков на большое число отдельных струй, которые с большой скоростью входят в жидкость. В пространстве между смежными колпачками паровые и жидкостные струи сталкиваются, деформируются, образуя слой газожидкостной системы (пены H_n) с сильно развитой поверхностью контакта фаз.

Наиболее развитая поверхность контакта и наиболее эффективный массообмен характерны для зоны пены. Высота слоя пены возрастает с увеличением слоя жидкости на тарелке и скорости потока паров. Высота слоя пены на тарелке зависит от физических свойств жидкости, характеризующих ее способность к пенообразованию (поверхностное натяжение, плотности фаз). Вместе с тем необходимо учитывать, что при увеличении высоты слоя пены увеличивается гидравлическое сопротивление движению потока паров и возрастает унос жидкости вследствие уменьшения высоты сепарационного пространства H_c (расстояния от поверхности пены до вышележащей тарелки). При максимальных рабочих нагрузках высота сепарационного пространства не должна быть меньше 100…150 мм.

В сепарационное пространство попадают капли жидкости различных размеров, выбрасываемые потоком паров с поверхности пены. Крупные капли, выброшенные в сепарационное пространство, как правило, оседают под действием силы тяжести и вновь возвращаются в слой жидкости, так как скорость паров в межтарельчатом пространстве меньше скорости витания крупных капель. Часть крупных капель, получивших большую начальную скорость, а также мелкие капли, скорость витания которых меньше скорости движения паров в межтарельчатом пространстве, транспортируются потоком паров на вышележащую тарелку, что приводит к уносу. Вследствие сложного движения капель жидкости в межтарельчатом пространстве их концентрация в сепарационном пространстве убывает в направлении движения паров. В сепарационном пространстве барботажных тарелок поверхность контакта фаз определяется поверхностью капель, вклад которой в массообмен невелик.

Для нормальной работы барботажной тарелки должно быть обеспечено равномерное распределение потока паров по всей рабочей площади тарелки. Чтобы обеспечить это, гидравлическое сопротивление каждого контактного элемента (колпачка, клапана, отверстия) должно быть одинаковым. Это достигается погружением контактных элементов в слой жидкости на одну и ту же глубину. Если высота слоя жидкости на тарелке меняется незначительно, что характерно для колонн относительно небольшого диаметра (обычно менее 1 м), то колпачки могут быть установлены на одном горизонтальном уровне. Для колонн большого диаметра и при значительных расходах жидкости, когда высота слоя жидкости на тарелке существенно меняется (более 10 мм), применяют разный уровень установки колпачков, тем более высокий, чем ближе колпачки ко входу жидкости на тарелку. Кроме того, устраивают несколько каскадов по пути движения жидкости или делят общий поток жидкости на несколько потоков (см. рисунок 3.5).

Из рассмотренной схемы работы колпачковой тарелки следует, что контакт между паровой и жидкой фазами на тарелке осуществляется по схеме перекрестного тока: пары движутся снизу вверх, а жидкость течет по тарелке перпендикулярно направлению движения потока паров. В пространстве между смежными колпачками жидкость интенсивно перемешивается по высоте слоя и концентрации ее в этих зонах выравниваются. Состав жидкости вдоль потока меняется. Обычно принимают, что в межтарельчатом пространстве пар полностью перемешан, т. е. имеется одинаковый состав во всех точках поперечного сечения колонны. Такое допущение справедливо для колонн относительно небольшого размера при достаточной величине межтарельчатого расстояния. Для колонн большого диаметра это допущение не соблюдается. Однако степень перемешивания пара в межтарельчатом пространстве оказывает значительно меньшее влияние на эффективность контакта фаз, чем степень перемешивания жидкости на полотне тарелки.

По принципу работы бесколпачковые барботажные тарелки (ситчатые, клапанные, а также секционированные по потоку жидкости), снабженные переливными устройствами, аналогичны колпачковой тарелке. У этих тарелок поток паров разбивается на струи в соответствии с числом отверстий, имеющихся на тарелке. Поскольку пары барботируют по всей площади жидкости, тарелки этого типа называют тарелками со свободным зеркалом барботажа (см. рисунок 3.6).

Слой жидкости на тарелках поддерживается благодаря напору потока паров, проходящих через отверстия в полотне тарелки. Высота слоя жидкости регулируется высотой сливной планки h_сп,При недостаточном напоре паров жидкость начинает стекать через те же отверстия, через которые проходит пар, и поддержание необходимого уровня жидкости на тарелке становится невозможным; это приводит к поперечному движению пара по тарелке противотоком к стекающей жидкости. При малом расстоянии между тарелками противоточное движение пара может привести к значительному трению между паром и жидкостью и увеличить градиент уровня жидкости, что еще более ухудшит распределение пара по колпачкам (рисунок 3.9) [3].

Это приводит к значительному снижению эффективности контакта фаз (левая ветвь кривой зависимости эффективности от скорости пара, приведенной на рисунке 3.7).

Рисунок 3.9-Нарушение работы колонны

Отличительной особенностью клапанных тарелок является увеличение их свободного сечения по мере увеличения скорости газа. Благодаря этому скорость газа при его выходе в слой жидкости остается примерно постоянной вплоть до полного открытия клапана. Перекрытие отверстий тарелки саморегулирующимися клапанами позволяет расширить интервал рабочих нагрузок.