Материал: массооб колонн

3.2. Насадочные аппараты

Насадочные аппараты – колонные аппараты, предназначенные для интенсификации тепло- и массообмена и обеспечения однородных гидродинамических условий проведения химико-технологических процессов. С этой целью часть объема насадочных аппаратов заполнена слоями твердых тел различных размеров и формы – неподвижными и подвижными насадками, которые служат для создания развитой поверхности контакта между взаимодействующими потоками в гетерогенных системах, главным образом газ (пар) - жидкость. В насадочных аппаратах неподвижная насадка засыпается на опорные решетки, имеющие отверстия для стока жидкости и прохождения газа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Насадочный аппарат: 1 – насадка;

2 – опорная решетка;

3 – разбрызгиватель;

4 – перераспределительная жидкость

Жидкость подается на насадку сверху при помощи специальных распределительных устройств. По всей высоте насадки равномерное распределение жидкости невозможно, что объясняется так называемым пристеночным эффектом – большей плотностью загрузки насадки в центральной части аппарата, чем около его стенок, вследствие чего жидкость стремится растекаться в направлении от центра к периферии. Для предотвращения этого и улучшения смачивания насадки ее зачастую укладывают не сплошь на всю высоту, а отдельными слоями (секциями) высотой 1,5 - 3,0 м, и под каждым из них, кроме нижнего, размещают направляющие устройства. Газ и жидкость движутся, как правило, противотоком; используют также насадочные аппараты с прямоточным (нисходящим) движением фаз при высо-

26

кой скорости газа (до 10 м/с). В слое насадки жидкость стекает по ее элементам главным образом в виде тонкой пленки, и поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, поэтому насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных аппаратов. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой жидкая пленка разрушается, и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит в виде струй и капель через расположенные ниже элементы насадки, а некоторое количество задерживается в ней вследствие смачивания поверхности и скопления в узких каналах, образуемых соприкасающимися насадочными телами, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и снижению эффективности массообмена.

В зависимости от скорости газа насадочные аппараты могут функционировать в следующих гидродинамических режимах: пленочном, подвисания, эмульгирования и брызгоуноса. Пленочный режим наблюдается при малой скорости газа, а также небольшой плотности орошения насадки (объем жидкости, проходящей через единицу площади поперечного сечения аппарата в единицу времени). В таком режиме скорость газа практически не влияет на количество задерживаемой в насадке жидкости.

С возрастанием скорости газа при противотоке фаз сила трения между ними увеличивается, жидкость движется медленнее и быстро накапливается (подвисает) в насадке. В режиме подвисания спокойное течение жидкой пленки нарушается (возникают завихрения, брызги) и газ начинает проходить через слой жидкости в виде пузырьков (барботировать). В результате межфазная поверхность контакта и соответственно интенсивность массообмена значительно возрастают при одновременном резком увеличении гидравлического сопротивления.

Накопление жидкости в насадке происходит до тех пор, пока сила трения между поднимающимся по колонне газом и стекающей жидкостью не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает режим эмульгирования, характеризующийся инверсией фаз (газ становится дисперсной фазой, а жидкость – сплошной) и образованием га- зо-жидкостной эмульсии. Для обеспечения нормального проведения хими- ко-технологических процессов в этом режиме, который отвечает максимум эффективности тепло- и массообмена и одновременно относительно большому гидравлическому сопротивлению, разработаны специальные аппараты с искусственно затопленной насадкой. В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не играет существенной роли, например в абсорбционных процессах, осуществляемых при высоких давлениях. В насадочных аппаратах, действующих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что приведет к необхо-

27

димости проводить процесс в пленочном режиме. Поэтому в каждом конкретном случае оптимальный гидродинамический режим можно установить только технико-экономическим расчетом. При дальнейшем увеличении скорости газа сила трения между фазами становится больше силы тяжести, жидкость перестает стекать, выбрасывается из насадки (наступает так называемое захлебывание) и выносится из верхней части аппарата в виде брызг газовым потоком (режим брызгоуноса). На практике этот режим не используется. Для работы с загрязненными газами и жидкостями применяют аппараты с подвижной насадкой, сравнительно легкие элементы которой поддерживаются потоком газа во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. Положение слоя взвешенных элементов фиксируется нижней (опорной) и верхней (ограничительной) решетками. В аппаратах с несколькими слоями насадки верхняя решетка нижерасположенного слоя служит опорой для вышерасположенного. Высота слоя насадки в неподвижном состоянии (без газового потока) 0,2 - 0,3 м, расстояние между решетками 1 - 1,5 м. Для улучшения контакта между газом и жидкостью в аппаратах большого диаметра пространство между решетками разделяют вертикальными перегородками на прямоугольные отсеки. С целью улучшения распределения жидкости и уменьшения брызгоуноса предложены конические аппараты, в которых сечение возрастает по ходу газа.

Аппараты с подвижной насадкой могут функционировать при больших скоростях газа без захлебывания и обеспечивают более высокий коэффициент массопередачи, однако характеризуются большим гидравлическим сопротивлением, значительным брызгоуносом и износом насадочных тел. Для эффективной работы насадочных аппаратов насадки должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь большую поверхность, хорошо смачиваться орошающей жидкостью, оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерно распределять орошение, быть стойкими к химическому воздействию газа и жидкости, обладать малой материалоемкостью и высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость. Насадочные тела изготовляют обычно из металлов, стекла, керамики, пластмасс, дерева и загружают в аппараты навалом (нерегулярные насадки) либо укладывают или монтируют в определенном порядке, в частности в жесткую структуру (регулярные насадки).

Основные характеристики насадок – удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью f понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата (м2/м3). Чем больше f, тем выше эффективность работы насадки, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность. Свободный объем e – суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема аппарата (м3/м3). Для непористой насадки е определяют, как правило, заполнением ее объема водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насад-

28

кой, дает величину e. Чем она больше, тем выше производительность, меньше гидравлическое сопротивление и эффективность насадки. Поскольку при тепло- и массообмене количество переносимых компонентов газа и жидкости или теплоты пропорционально поверхности контакта фаз, целесообразнее пользоваться мелкими насадками (размеры 20 - 30 мм), имеющими большую удельную поверхность. Коэффициент массопередачи, как правило, больше при наличии мелкой насадки. Однако с уменьшением размеров насадочных тел ухудшается их смачивание и уменьшается доля активной поверхности насадки, участвующая в массообмене. В мелких насадках эффективно смоченной бывает менее 50 %, а иногда даже менее 10 % всей поверхности. В крупных, особенно регулярных, насадках степень смоченности может достигать почти 100 %.

Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, полусфер, седел и др. (рис. 3.3). Наиболее распространены кольца Рашига с высотой, равной диаметру. Известны модификации этой насадки с лучшими характеристиками, например кольца Палля и Лессинга. Среди седловидных насадок особенно широко применяют седла Берля, а также насадки Инталлокс. В лабораторных условиях используют насыпные сетчатые насадки типа колец Барада, пластмассовые розетки Теллера, насадки из проволочных геликоидов. В ряде случаев применяют кусковые насадки из кокса, кварца и т. д. Для аппаратов с подвижной насадкой, как правило, используют полые или сплошные шары из полиэтилена и других пластмасс, а также из пористой резины. Регулярные насадки в отличие от нерегулярных характеризуются низким гидравлическим сопротивлением и более высокой пропускной способностью. Простейшая регулярная насадка

– хордовая, представляющая собой ряд деревянных брусьев, закрепленных на некотором расстоянии друг от друга. Плоскопараллельная насадка изготовляется в виде набираемых из металлических листов пакетов, обычно устанавливаемых один на другой "крест-накрест". Сетчатые насадки могут быть пакетными (типа Зульцера и др.) и складчатыми, например в виде кубиков. Значительно проще в изготовлении, монтаже и эксплуатации, рулонные сетчатые насадки типа Гудлоу, Стедмена и т. п., выполненные из сетчатых лент специального плетения либо из гофрированной сетки, которая скатана в рулон диаметром, равным диаметру аппарата. Использование таких насадок позволяет существенно снизить влияние пристеночного эффекта и упростить сборку насадочных аппаратов. Трубчатые регулярные насадки – пучки вертикальных труб, которые касаются друг друга стенками или закрепляются в трубных досках с определенным шагом. Применяют также насадки, собираемые из гофрированных лент с противоположным наклоном гофр на смежных лентах. Эти типы насадок обладают сравнительно большой материалоемкостью, поэтому их иногда заменяют керамическими сотовыми блоками.

29