Тарельчатые массообменные аппараты

Тарельчатые массообменные аппараты обычно представляют собой вертикальные цилиндры — колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по ее высоте размещаются горизонтальные тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз газ (пар)-жидкость при направленном движении фаз (жидкость течет сверху вниз, а газ — снизу вверх) и многократном их взаимодействии.

Таким образом, процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется на тарелках, поэтому процесс происходит ступенчато и тарельчатые колонны, в отличие от насадочных, в которых процесс происходит непрерывно, относят к группе ступенчатых аппаратов.

По способу слива жидкости с тарелки на тарелку колонные аппараты подразделяются на аппараты со сливными устройствами и без сливных устройств (провальные тарелки).

К тарельчатым колоннам со сливными устройствами относятся колоны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую — сливные трубки, карманы и др. Нижние концы сливных устройств на нижерасположенных тарелках погружены в жидкость для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство (рис. 22.8).

Принцип работы аппарата такого типа показан на рис. 22.8, а на примере колонны с колпачковыми тарелками. Жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части аппарата. Переливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала в противоположных направлениях (противоток). Газ (пар) поступает в нижнюю часть аппарата, проходит через прорези колпачков (отверстия, щели и т. д.) — рис. 22.8, б и затем попадает в слой жидкости вышележащей тарелки, высота которого регулируется высотой сливного порога. При этом газ (пар) в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой происходят основные процессы массои теплопереноса.

Основное влияние на эффективность тарелок любых конструкций оказывают гидродинамические условия их работы. Эти условия в значительной мере зависят от скорости газа, плотности орошения и физических свойств фаз.

В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов: пузырьковый, пенный и струйный (или инжекционный). Они отличаются структурой газожидкостного потока на тарелке, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление, высоту и поверхность контакта фаз на тарелке.

Пузырьковый (барботажный) режим возникает при небольших скоростях газа, когда в виде отдельных пузырьков газ движется через слой жидкости.

Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются (на некотором расстоянии от места истечения) с образованием большого числа мелких пузырьков. На тарелке образуется газожидкостная система — пена. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых аппаратов.

Струйный (инжекционный) режим возникает при дальнейшем увеличении скорости газа (пара), когда увеличивается длина газовых струй и наступает режим, при котором они выходят из газожидкостного слоя не ра;

Рис. 22.8. Устройство колпачковой тарелки с капсульными колпачками: а — две соседние тарелки; б — капсульный колпачок; 1 — тарелки; 2 — газовые (паровые) патрубки; 3 — круглые колпачки; 4 — переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5 — гидравлические затворы, 6 — корпус колонны зрушаясь, но образуя значительное количество брызг — вследствие разрушения большого числа пузырьков газа. В этом режиме поверхность контакта фаз существенно меньше, чем в пенном.

Следует отметить, что колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу (пару) и жидкости. Но недостатки этих тарелок довольно существенны — они сложны по устройству, для их изготовления требуются большие затраты металла, они отличаются большим гидравлическим сопротивлением и малой предельно допустимой скоростью газа.

Исследования колпачковых тарелок на кафедре кибернетики РХТУ им. Д. И. Менделеева с использованием новых методик исследования диффузионных процессов (см. гл. 23) показали наличие байпасирующих потоков (без аэрации газом) на тарелке (до 30%), что ведет к значительному снижению КПД тарелки.

Ю. Комиссаровым с сотрудниками в результате замены существующих колпачковых, клапанных и других тарелок на ситчатые конструкции МХТИ удалось в крупнотоннажных производствах Уфимского завода синтетического спирта [16] увеличить производительность ректификационных колонн, снизить энергозатраты (расход пара), повысить качество товарного продукта.

Рис. 22.9. Устройство ситчатых переточных тарелок: 1 — тарелки; 2 — переливные устройства, 3 — гидрозатворы; 4 -корпус колонны

Ситчатые тарелки. Эти тарелки (рис. 22.9) имеют большое число отверстий диаметром 2… 10 мм, через которые проходит пар (газ) в слой жидкости на тарелке. Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживается переливным устройством 2. При слишком малой скорости газа (пара) его давление не удержит слой жидкости, соответствующий высоте перелива и жидкость может провалиться через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приведет к захлебыванию колонны. Поэтому газ (пар) должен двигаться с определенной скоростью, позволяющей преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и стекание жидкости через отверстия тарелки. Таким образом, ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы по сравнению с колпачковыми.

К достоинствам ситчатых тарелок относятся простота их устройства, легкость монтажа и ремонта, сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность.

Исследования типовых ситчатых тарелок (глава 23) на кафедре кибернетики РХТУ им. Д. И. Менделеева (70-е годы XX столетия) на лабораторных стендах диаметром от 700 мм до 3000 мм позволили значительно повысить их КПД (конструктивными приемами) за счет снижения рециркулирующих потоков в пристеночных зонах и улучшения структуры гидродинамики по всей площади тарелки (глава 24).

Реализация этих исследований в промышленности показала их высокую эффективность.

Принцип действия клапанных тарелок (рис. 22.10, а) состоит в том, что клапаны 2, свободно лежащие над отверстиями в тарелке 1, с изменением расхода газа увеличивают подъем и соответственно площадь зазора между клапанами и плоскостью тарелки для прохода газа. Поэтому скорость газа в этих зазорах, а значит и во входе в слой жидкости на тарелке, приблизительно остается постоянной, что обеспечивает неизменность эффективности работы тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки при этом увеличивается незначительно. Высота подъема клапана определяется высотой ограничителя 7 (рис. 22.10, б) и обычно не превы;

Рис. 22.10. Устройство клапанных тарелок: а — д"с соседние тарелки с круглыми клапанами; 6 — принцип работы клал ала, I — тарелка; 2 — клапан; 3 — перегонная перегородка с порогом; 4 — гидравлический затвор, S — корпус колонны; 6 — диск клапана, 7 — ограничители подъема клапана шает 6…8 мм. Диаметр отверстий под клапаном составляет 35…40 мм, а диаметр самого клапана — 45…50 мм.

Известна большая разновидность клапанных тарелок (прямоточные или однонаправленные — жидкость движется из-под клапанов с помощью пара (газа) в сторону слива). Однако исследования в лабораторных условиях и практика их внедрения в действующие производства показала их низкую эффективность из-за наличия байпасирующего и рециркулирующего потоков, возможностью частичного залипания отдельных клапанов и, как следствие, — провала жидкости на нижележащую тарелку.

В отличие от тарелок, рассмотренных выше, пластинчатые тарелки (рис. 22.11) работают при однонаправленном движении фаз в сторону слива.

На пластинчатой тарелке жидкость (движение показано сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравлический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку, состоящую из ряда наклонных пластин 3. Дойдя до первой щели, образованной наклонными пластинами или язычками, жидкость встречается с газом или паром (пунктирные стрелки), который с большой скоростью (20…30 м/с)проходит сквозь щели. При этом происходит частичное диспергирование жидкости газовым (паровым) потоком и отбрасывание ее к следующей щели, где процесс взаимодействия фаз повторяется.

Поэтому на такой тарелке жидкость с большой скоростью в виде капель движется от переливной перегородки 2 к сливному карману 4. На пластинчатых тарелках нет необходимостив установке переливного порога у кармана 4, что уменьшает их гидравлическое сопротивление.

Рис. 22.11. Устройство пластинчатых тарелок: I — гидравлический затвор; 2 — переливная перегородка; 3 — пластины; 4 — сливной карман

К достоинству пластинчатых тарелок относится достаточно низкое гидравлическое сопротивление, большие допустимые нагрузки по жидкости и газу, небольшой расход материала на их изготовление. Недостатками пластинчатых тарелок являются: сложность подвода и отвода теплоты, невысокая эффективность при низких нагрузках по жидкости и Др.

Разработаны конструкции тарелок с однонаправленным движением фаз, например, чешуйчатые, принцип действия которых аналогичен работе пластинчатых тарелок.

В тарелках без сливных устройств газ (пар) и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. При этом одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку — «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такоготипа часто называют провальными. На рис. 22.12 изображены две соседние дырчатые провальные тарелки.

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости газа (пара).

Дырчатые тарелки аналогичны по устройству ситчатым тарелкам, но отличаются отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках обычно 4…10 мм, иногда 15…20 мм, что позволяет существенно увеличить нагрузки по жидкости и газу при незначительном гидравлическом сопротивлении. Суммарная площадь свободного сечения F_CB ;

10.. 15%, а в тарелках с диаметром отверстий 20…25 мм эта величина может быть существенно больше.

Решетчатые тарелки имеют выштампованные щели шириной.

3. .8 мм.

Рис. 22.12. Устройство провальных тарелок: I — колонна; 2 — тарелки

Волнистые тарелки изготовляют гофрированием металлических листов с отверстиями. Слив жидкости в этих тарелках в основном происходит через отверстия в нижних изгибах тарелки, а газ проходит через ее верхние изгибы. Такое устройство провальных тарелок увеличивает интервал их устойчивой работы. Однако они сложнее в изготовлении и монтаже, чем дырчатые и решетчатые тарелки.

Трубчатые тарелки обычно изготовляют в виде решетки из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору. Эти тарелки целесообразно применять при необходимости подвода теплоты к жидкости или ее отвода. К недостаткам тарелок следует отнести сложность изготовления и монтажа, большой расход металла.

Поскольку дырчатые и решетчатые тарелки просты по устройству и монтажу, обладают низким гидравлическим сопротивлением и другими достоинствами, то они более широко применяются в промышленности, по сравнению с другими провальными тарелками.