Гидродинамика тарелок провального типа

Типичный график области устойчивой работы тарелок провального типа изображен на рисунке 6.7. Эта область соответствует нагрузкам по пару и жидкости, при которых фазовый контакт наиболее интенсивный, а эффективность разделения высока. Эта область ограничивается в основном линиям верхних (линия 1) и нижних (линия 2) предельных нагрузок по пару (газу).

Верхняя предельная нагрузка по пару для колонны с решетчатыми тарелками провального типа определяется расходом одной из фаз, при котором происходит захлебывание. Внешне захлебывание проявляется довольно четко: сопротивление тарелок резко возрастает, давление в колонне начинает сильно колебаться. Нижняя предельная нагрузка по пару соответствует сформировавшемуся вспененному слою жидкости на тарелках и определяется началом устойчивой и эффективной работы тарелок и всего аппарата в целом. При очень малых нагрузках по жидкости наблюдается прорыв струй пара через слой жидкости, а при очень больших нагрузках - независимое движение жидкости и пара через различные участки тарелки.

Как при слишком малых, так и при слишком больших нагрузках по жидкости работа тарелки малоэффективна, в связи с чем область устойчивой работы ограничивается линиями максимально 1 и минимально 2 допустимых нагрузок по жидкости.

ω_п, м/с

U, м³/(м²∙ч)

I -устойчивая работа; II - захлебывание; III - начало нормальной работы тарелки, IV -прорыв струй газа, малоэффективная работа; V - плохое распределение пара и жидкости по сечению тарелки, малоэффективная работа; 1,2 - линии максимально и минимально допустимых нагрузок по пару; 3,4 - линии минимально и максимально допустимых нагрузок по жидкости

Рисунок 6.7 - График области устойчивой работы тарелок провального типа

Можно выделить некоторые особенности работы решетчатых тарелок при различных нагрузках по пару и жидкости.

При малых нагрузках по пару (область III) жидкость накапливается на тарелке, однако в основном жидкость и пар движутся через различные сечения тарелки, слабо взаимодействуя друг с другом.

В области устойчивой работы I выше линии 2 наблюдается равномерный и устойчивый барботаж и слив жидкости. Ближе к линии 1 начинается перемешивание жидкости на тарелке в горизонтальной плоскости и слив ее становится пульсирующим. Работу тарелки при таких нагрузках можно охарактеризовать как неравномерную, но устойчивую.

Высота вспененного слоя жидкости при нагрузках, соответствующих линии 2, в большинстве случаев составляет 20…50 мм, а при нагрузках, соответствующих линии 1, равна 150…300 мм (большие цифры соответствуют большим расходам жидкости).

На тарелках провального типа структуры потоков пара и жидкости могут не соответствовать полному перемешиванию при любых нагрузках. Даже при сравнительно небольшой высоте вспененного слоя структура потока жидкости может соответствовать структуре потока при двух секциях полного перемешивания, в то время как степень перемешивания пара может быть небольшой.

При работе тарелок провального типа, особенно если диаметр колонны велик, возникает поперечная неравномерность, увеличивающаяся при уменьшении скорости пара и приводящая к резкому снижению общей эффективности контактного устройства.

Если нагрузки не выходят за пределы области устойчивой работы тарелки, кривая зависимости эффективности разделения от скорости пара при постоянном расходе жидкости имеет один максимум и один минимум, отвечающие различным гидродинамическим режимам движения жидкости и пара. Это относится к системам, в которых основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе. Максимум отмечается при нагрузках, соответствующих линии 2, минимум - промежутку между линиями 1 и 2. В многотарельчатом аппарате с тарелками, имеющими одинаковые конструктивные размеры, общая эффективность разделения будет в меньшей степени зависеть от колебаний внешних нагрузок, так как минимумы и максимумы разделения на разных тарелках не будут соответствовать одной и той же нагрузке и кривая эффективности разделения для всего аппарата в целом будет иметь сглаженный характер даже при незначительном изменении внутренних материальных потоков и физических свойств системы по высоте колонны.

Рассмотренные особенности работы тарелок провального типа отражены на рисунке 6.8.

lg ΔP

lg ω_г

Рисунок 6.8 – Зависимость гидравлического сопротивления провальной тарелки от скорости газа в колонне (при постоянной нагрузке по жидкости)

При низких скоростях пара (газа) ω_г жидкость на тарелке не задерживается (скорость пара до точки А на рисунке 6.8). При достижении скорости пара, соответствующей точке А, происходит скачкообразное увеличение гидравлического сопротивления, так как на поверхности тарелки появляется слой жидкости, и она вступает область устойчивой работы, которая продолжается при скорости пара, соответствующей точке С. При дальнейшем увеличении скорости пара на графике зависимости ΔР=f(ω_г) может наблюдаться перелом, который объясняется резким возрастанием количества жидкости на тарелке, при котором наступает захлебывание тарелки. При небольших расходах жидкости, большом свободном сечении тарелки и большом диаметре отверстия или размере щели гидравлическое сопротивление тарелки увеличивается монотонно, но при этом существенно возрастает брызгоунос (пунктирная линия на рисунке 6.8).