ВОПРОС 5. КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ

В барботажных абсорберах контакт фаз осуществляется в результате диспергирования газа на струйки и пузырьки, барботирующие, пробулькивающие через слой жидкости.

Наиболее распространенные барботажные абсорберы — тарельчатые вер­тикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны располагаются горизонтальные тарелки, служа­щие для развития поверхности контакта фаз. В тарельчатых колоннах про­цесс массопередачи осуществляется в газожидкостных системах, образуе­мых на тарелках.

Колпачковые, ситчатые, клапанные тарелки снабжены специальными уст­ройствами для перетока жидкости с одной тарелки на другую — сливными трубками, карманами и другими приспособлениями. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для созда­ния гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное уст­ройство (рис. 6). В тарельчатых абсорберах жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, пе­ретекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Пере­ливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала во взаимно противопо­ложных направлениях. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (отверстия, щели) и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высоту которого регулируют размером сливного порога. При этом газ в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой собственно и происходит процесс массопереноса.

Рис. 4. Устройство колонны и колпачковых тарелок с капсульными колпачками:

а - колонна с тарелками; б — две соседние тарелки; в — капсульный колпачок; г — формы капсульных колпачков;

1- тарелки; 2 — газовые (паровые) патрубки; 3 — круглые колпачки; 4 — переливные перегородки (или трубы); 5 — гидравлические затворы; 6 — корпус колонны

На рис. 6, б показана регулировка высоты слоя жидкости перелив­ными трубами или перегородками. Иногда переливные трубы устанавливают снаружи колонны. Размеры переливных стоков рассчитывают в зависи­мости от скорости движения в них жидкости. Для обеспечения стока поверхностного слоя пены эту скорость принимают в пределах 0,15...0,20м/с. Во избежание накапливания слоя пены на тарелке периметр перелива верхнего края стока должен быть максимальным.

Образовавшаяся пена нестабильна и при подходе ее к сливному устройству разрушается, а жидкость осветляется. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата. Колонны обычно представляют цельносварной ко­жух или набор царг, соединенных на фланцах. Высота колонны складывается из количества тарелок и расстояния между ними. Диаметр колонны опреде­ляется производительностью по газу. Колонны диаметром от 0,4 до 3,0 м нор­мализованы. Конструкции и устройства тарелок абсорбционных аппаратов, а также способы организации барботажа разнообразны.

В колпачковых тарелках барботаж осуществляется круглыми (капсюль­ными) колпачками. (рис. 5).

Рис. 5. Схема расположения круг­лых колпачков на тарелке:

1 — колпачок, 2 — патрубок, 3 — перелив­ная труба

Колпачки погружены своими нижними обрезами в жидкость и располага­ются над патрубками, через которые проходит газ, барботирующий сквозь слой жидкости. Они расположены равномерно по рабочему сечению тарелки в шахматном порядке. Диаметр капсюльных колпачков невелик (80...150мм), а количество их на тарелке — максимально, что увеличивает периметр бар­ботажа. Поверхностью массоотдачи служит суммарная поверхность раздела фаз. С целью интенсификации процесса следует стремиться к равномерному распределению газа при выходе его из патрубков.

На тарелках из штампованных элементов (рис. 6) направленное дви­жение жидкости достигается вследствие направленного выхода газа из-под колпачков.

Рис. 6. Тарелки из штампованных элементов S-образной формы

В ситчатых тарелках (рис. 7) предусмотрено большое количество от­верстий диаметром 1...5 мм, равномерно распределенных по всему днищу та­релки. Газ проходит через эти отверстия и через слой жидкости в виде мел­ких струек и пузырьков. На ситчатых тарелках достигается более мелкое дробление струй и большая равномерность потока газа, что резко повышает эффективность абсорбции. Факторы, ограничивающие применение этих та­релок, — вероятность засорения и возможная коррозия отверстий.

Рис. 7. Схема работы аппаратов:

а — ситчатых тарелок, б — пенного абсорбера

Жидкость в пенных абсорберах перели­вается с тарелки на тарелку с помощью пе­реливных устройств коробчатого типа, в ко­торых происходит разрушение пены. При увеличении высоты пены на тарелке возрас­тает эффективность массопередачи. Однако при этом растет и гидравлическое сопротив­ление, что ограничивает область примене­ния пенных абсорберов.

В пластинчатых тарелках (рис. 8) осуществляется направленное движение жидкости и газа; каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет су­щественно повысить нагрузку по газу и жидкости.

Рис. 8. Схема работы пластинча­тых тарелок:

1 — отверстия; 2 — переливное устройство

Газ проходит сквозь щели, образованные пластинами, под углом 10...15°, со скоростью 20...40м/с. В этих условиях жидкость дис­пергируется на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где контакт жидкости и газа повторя­ется до перелива жидкости через сливной карман. Отсутствие переливного порога в тарелках этого типа уменьшает гидравлическое сопротивление. До­стоинство этих тарелок — возможность использовать их при работе с загряз­ненными жидкостями, недостаток — снижение эффективности при неболь­шом расходе жидкости.

В клапанных тарелках (рис. 9) отверстия перекрыты свободнолежащими над ними клапанами. Высота подъема клапана ограничивается ско­бой. С изменением расхода газа клапан своим весом автоматически регули­рует величину щели для прохода газа и тем самым обеспечивает его постоянную скорость. Поэтому клапанные тарелки могут стабильно рабо­тать с высокой эффективностью в широком диапазоне нагрузок по газу.

Рис.9. Схема работы клапана:

а – клапан; 2 – скоба

Провальные тарелки не имеют переливных устройств (рис. 10). Жидкость удерживает­ся на тарелке, образует пену с барботирующим через отверстия газом и перетекает (провалива­ется) на нижележащую тарелку через те же от­верстия. Провал жидкости происходит перио­дически: при истечении жидкости через отверстия гидростатическое давление столба пены над отверстием уменьшается, поэтому в следующий момент времени через это же отверстие барботирует газ. Высоту слоя пены регулируют скоростью газа. Достоинство этих тарелок — простота устройства, недостаток — пульсирующий гидродинамический режим тарел­ки и недостаточное дробление восходящего потока газа, что снижает эффек­тивность абсорбции.

Рис. 10. Провальные тарелки:

а — дырчатые; б — решетчатые

Выбор типа тарелок определяется техническими условиями процесса абсорбции.

Насадочные абсорберыполучили широкое распространение в технике. Чтобы насадка работала эффективно, она должна обла­дать большой удельной поверхностью; оказывать небольшое гид­равлическое сопротивление газовому потоку; хорошо смачиваться рабочей жидкостью; равномерно распределять жидкость по сече­нию абсорбера; быть коррозиестойкой по отношению к рабочей жидкости и газу; обладать высокой механической прочностью; быть легкой и недорогой.

Рис. 11. Типы насадок:

а — плоскопараллельная; б— фасонные керамические и способы их укладки (в — навалом; г -организованно)

Некоторые типы используемых в промышленности насадок и способы их укладки в аппарат приведены на рис. 11. Наиболее распространенной насадкой являются керамические кольца Рашига. Размеры изготовляемых насадок: 15x15x2,5; 25x25x3; 50 х 50 х 5 мм. Геометрической характеристикой насадок служит эквивалентный диаметр

(7)

Для колец Рашига удельная поверхность и свободный объем с увеличением размеров насадок составляют соответственно 300; 204; 87,5 м²/м* и 0,7; 0,74; 0,785 м³/м³.

В насадочном абсорбере (рис. 12) жидкость, подаваемая через распределительное устройство, при небольших скоростях газа те­чет по элементу насадки в виде тонкой пленки. Поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, и в этом режиме насадочные аппараты можно рассматривать как пленоч­ные. Чтобы жидкость не растекалась к стенкам аппарата, насадки загружают посекционно. Между секциями устанавливают устрой­ство для перераспределения жидкости.

Насадочные колонны работают наиболее эффективно в усло­виях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого режима, при котором вес находящейся на насадке жид­кости становится равным силе трения газового потока о жид­кость.

В режиме подвисания пленочное течение жидкости нарушает­ся: возникают брызги, различного рода завихрения и т. д. Жид­кость заполняет свободный объем насадки, образуя газожидкост­ную смесь. При этом значительно возрастают по сравнению с пле­ночным режимом площадь поверхности контакта фаз и коэффициенты массопередачи. Дальнейшее не­большое увеличение скорости газа приво­дит к захлебыванию колонны. Это явление характеризуется прекращением противоточного движения потоков и выносом жид­кости из колонны. Насадочный абсорбер работает в оптимальном режиме при ско­ростях газа, на 15...20% меньших скорос­тей, вызывающих захлебывание.

Рис. 12. Устройство аппарата с насадкой:

1—распределительное устройство; 2— насадка; 3 — устрой­ство для перераспределения жидкости; 4— решетка