Барботажные (тарельчатые) абсорберы

Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикаль­ные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки — тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В настоящее время в промышленности при­меняются разнообразные конструкции тарельча­тых аппаратов. По способу слива жидкости с та­релок барботажные абсорберы можно подразде­лить на колонны: 1) с тарелками со сливными устройствами и 2) с тарелками без сливных уст­ройств.

Тарельчатые колонны со сливными устройст­вами. В этих колоннах перелив жидкости с та­релки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств — сливных трубок, кар­манов и т.п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Принцип работы колонн такого типа виден из рис. XIV-12, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или кол­пачки каждой тарелки.

При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являю­щийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отра­ботанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире применяют сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных порогом — пере­ливом.

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.

Гидродинамические режимы работы тарелок. Эффективность тарелок любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Поэтому до описания основных конструкций тарелок рассмотрим эти режимы.

В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамических режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также поверхность контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой режим наблюдается при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газожидкостная дисперсная система — пена, которая является нестабильной и разру­шается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме кон­тактирование газа и жидкости проис­ходит на поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушении их оболочек. При пенном режиме по­верхность контакта фаз на барботажных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барбо­тажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

Следует отметить, что переход от одного режима к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов (критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пре­делам работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.

XIV-13.

Ситчатые тарелки. Колонна с ситчатыми тарелками (рис. XIV-13) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизон­тальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности про­сверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.

Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачивать­ся (или "проваливаться") че­рез отверстия тарелки на нижерасположенную, что должно привести к сущест­венному снижению интенсив­ности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с опреде­ленной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть да­вление слоя жидкости на та­релке и предотвратить стекание жидкости через от­верстия тарелки.

Ситчатые тарелки отли­чаются простотой устройст­ва, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок неве­лико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступ­ления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

Разновидностью абсорберов с ситчатыми тарелками являются так называемые пенные абсорберы, тарелки которых, отличаются от ситчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность пенных аппа­ратов выше, чем эффективность абсорберов с ситчатыми тарелками. Однако вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопротив­ление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем ко­лонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками (рис. XIV-14). Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наи­более часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

На рис. XIV-15 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей по­верхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом жид­кости (рис. XIV-16, а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 рас­положены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т.д.

Тарелка с диаметральным переливом жидкости (рис. XIV-16, б) представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой — сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В та­релке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

XIV-16.

На рис. XIV-18 показана распространенная конструкция штампован­ного капсюльного колпачка. Он состоит из патрубка 1, который разваль­цован в отверстии тарелки 2 и планки 3, приваренной к верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80-150 мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изме­нениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытес­няются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

Клапанные и балластные тарелки (рис. XIV-19), Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.

XIV-19.

XIV-18.

Принцип действия клапанных тарелок (рис. XIV-19, а, б) состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически регули­рует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и, тем самым, поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увели­чивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается вы­сотой кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис. XIV-19, в) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длин­ная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке. Круглые клапаны имеют диаметр 45-50 мм, отверстия под клапаном делают диаметром 35-40 мм при шаге между ними 75-150 мм. Высота подъема клапанов 6.5-8 мм.

Балластные тарелки (рис. XIV-19, г) отличаются по устрой­ству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упи­рается в бaллacт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отли­чаются более равномерной работой и пол­ным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропуск­ная способность по газу и гидродина­мическая устойчивость, постоянная и вы­сокая эффективность в широком интер­вале нагрузок по газу. Последнее достоин­ство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с та­релками других конструкций. К недо­статкам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивле­ние, обусловленное весом клапана или балласта. Известны разновидности кла­панных и балластных тарелок, отличаю­щиеся конструкцией клапанов (балластов) и ограничителей.

Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных выше, работают при однонаправленном движении фаз, т.е. каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз.

В колонне с пластинчатыми тарелками (рис. XIV-20) жидкость (движение которой показано на рисунке сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравли­ческий затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку 3, состоящую из ряда наклонных пластин 4. Дойдя до первой щели, обра­зованной наклонными пластинами, жидкость встречается с газом (пунк­тирные стрелки), который с большой скоростью (20—40 м/сек) проходит сквозь щели. Вследствие небольшого угла наклона пластин (a_т = 10-15°) газ выходит на тарелку в направлении, близком к параллель­ному по отношению к плоскости тарелки. При этом происходит эжектирование жидкости, которая диспергируется газовым потоком на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где процесс взаимодействия жидкости и газа или пара повторяется. В результате жидкость с большой скоростью движется вдоль тарелки от переливной перегородки 2 к сливному карману 5. В данном случае нет необходимости в установке переливного порога у кармана 5, что уменьшает общее ги­дравлическое сопротивление тарелки.

Таким образом, пластинчатые тарелки работают так, что в отличие от тарелок других конструкций жидкость является дисперсной фазой, а газ — сплошной, и контактирование жидкости и газа осуществляется на поверхности капель и брызг. Описанный гидродинамический режим газожидкостной дисперсной системы на контактной тарелке может быть определен как капельный или капельно-брызговой. Этот режим позволяет резко повысить нагрузки по жидкости и газу в колоннах с пластинчатыми тарелками.

Помимо работы пластинчатых тарелок в интенсивном капельном ре­жиме к числу их достоинств относятся: низкое гидравлическое сопро­тивление, возможность работы с загрязненными жидкостями, низкий расход металла при их изготовлении. На тарелках этого типа уменьшается продольное перемешивание жидкости, что приводит к увеличению дви­жущей силы массопередачи. Недостатками пластинчатых тарелок яв­ляются: трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходах жидкости.

Колонны с тарелками без сливных устройств (рис. XIV-21). В тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же от­верстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижераспо­ложенную тарелку — «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

XIV-22.

XIV-21.

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок. Эти режимы можно установить на основе зависимости их гидравлического сопротив­ления от скорости газа при постоянной плотности орошения (рис. XIV-22). При малых w жидкость на тарелке не задерживается (отрезок АВ), так как мала сила трения между фазами. С увеличением скорости газа жид­кость начинает накапливаться на тарелке (отрезок ВС) и газ барботирует сквозь жидкость. В интервале скоростей газа, соответствующих от­резку ВС, тарелка работает в нормальном режиме. При этом газ и жид­кость попеременно проходят через одни и те же отверстия. Если скорость газа еще больше возрастает, то, вследствие увеличения трения между газом и жидкостью, резко увеличивается накопление жидкости на та­релке и соответственно — ее гидравлическое сопротивление, что способ­ствует наступлению состояния захлебывания (отрезок CD). При неболь­ших расходах жидкости, больших свободном сечении тарелки и диаметре отверстий или щелей перелом в точке С отсутствует.

Дырчатые тарелки (рис. XIV-23, а) аналогичны по устройству ситчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4—10 мм, а суммар­ная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10—25%. Для нижнего предела работы величина А в урав­нении (XIV,7) составляет 2,95, для верхнего— 10.

XIV-23.

Решетчатые тарелки (рис. XI-23, б) имеют отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных щелей шириной 3-8 мм.

Трубчатые тарелки представляют собой чаще всего решетки, обра­зованные из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору. Для нижнего предела работы величина А равна 4, для верхнего — 10.

Волнистые тарелки — гофрированные металлические листы с отвер­стиями 4-8 мм.

Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

К достоинствам трубчатых провальных тарелок является легкость отвода тепла от барботажного слоя на тарелке путём пропускания охлаж­дающего агента по трубам, из которых состоит тарелка. Однако эти та­релки в сравнении с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.

Основной недостаток колонн с дырчатыми, решетчатыми и трубча­тыми провальными тарелками — небольшой интервал изменения скоростей газа и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная их работа.

В более широком диапазоне нагрузок работают волнистые провальные тарелки. Однако эти тарелки сложнее, чем дырчатые и решетчатые про­вальные тарелки по устройству и монтажу.