Конструирование аппаратов с прямотоком жидкости

Использование математической модели для исследования эффективности массообмена тарельчатых аппаратов с учетом реальной структуры потоков взаимодействующих фаз позволяет сделать вывод о том, что весьма перспективным направлением в области конструирования барботажных аппаратов с переливом является разработка и совершенствование массообменных аппаратов с однонаправленным движением жидкости на смежных тарелках.

Так, Ю. Комиссаровым с сотрудниками был разработан новый аппарат с прямотоком жидкости (рис. 3.8), в котором прямоток жидкости на смежных ситчатых тарелках осуществлялся с помощью наклонного переливного устройства с клапанами, ориентированными в сторону слива.

При этом горизонтальная составляющая кинетической энергии парового потока в переливном устройстве способствует росту скорости транспорта жидкости с тарелки на та;

Рис. 3.8. Схема аппарата с прямотоком жидкости на тарелках Рис. 3.9. Схема прямоточного колонного массообменного аппарата (Патент Российской Федерации 1 775 918 А1): / - перфорированные трубы; 2- кольцевой желоб; 3 — приемный короб; 4 — сливные трубы релку, значительно превышающую скорость жидкости на горизонтальных тарелках. Кроме того, в этом случае переливная тарелка играет роль отбойного устройства, что позволяет увеличить скорость пара в сечении тарелки с минимальным уносом. Были проведены исследования на системе воздух — вода в аппаратах диаметром 700, 1000 и 3000 мм. Цель исследований заключалась в определении зависимости параметров математической модели массопередачи (Ре, ?,) от гидродинамических условий на тарелке. Эти параметры использовались в дальнейшем для расчета числа ситчатых тарелок, снабженных клапанным переливным устройством.

Отличительной чертой нового прямоточного аппарата, изображенного на рис. 3.9, является то, что тарелки выполнены из перфорированных труб 1, прилегающих друг к другу боковыми стенками, и перфорированного листа, образующего с корпусом колонны кольцевой желоб 2 для транспорта жидкости на нижележащую тарелку. Таким образом, жидкость с вышележащей тарелки поступает в приемный короб 3 и течет по перфорированным трубам, а далее по кольцевому перфорированному желобу поступает на нижележащую тарелку по трубам 4. Преимущество такой конструкции помимо прямоточного движения заключается в следующем:

• — площадь барботажа увеличивается в 1,57 раза за счет развернутой площади труб и на 15−20% - за счет использования только одного сегментного кармана для приема жидкости, в то время как при противотоке требуется еще сливной сегментный карман, площадь которого составляет 15- 20% общей площади барботажа;
• — благодаря жесткости труб допустимая нагрузка на 1 м² в сравнении с обычным плоским листом резко возрастает, поэтому отпадает необходимость в несущих конструкциях (балках, швеллерах), составляющих 70% от массы тарелки.

Эта конструкция может быть незаменима при очистке или разделении коррозионных, агрессивных сред, так как трубы можно изготавливать из любого материала (чугун, кислотостойкие полимеры и т. д.).

Для организации внутреннего перетока жидкости с тарелки на тарелку вне зон барботажа (как это сделано в рассмотренной выше конструкции), Ю. Комисаровым с учениками был разработан массообменный аппарат (рис. 3.10), у которого закрытые обводные рукава выполнены в виде наклон;

Рис. 3.10. Колонный массообменный аппарат (Пат. РФ 1 498 536 А1).

ных кольцевых желобов (1), расположенных ниже плоскости тарелки, одной из стенок которых может служить корпус колонны. При этом форма желоба строится по брахистохроне, координаты которой являются функцией межтарельчатого расстояния (Н) и диаметра колонны (Д,") и определяются по формулам:

где #(г*), h (l'), h (t') — величины, позволяющие рассчитать оптимальное положение кольцевого желоба на боковой поверхности корпуса массообменного аппарата для любого момента времени t, t (H, h) < t <0; h — длина барботажной зоны тарелки; H (t'), h (t‘) - текущая координата циклоиды (как брахистохроны) во времени по оси ординат и абсцисс; h (t") — текущая координата кольцевого желоба по оси абсцисс.

Эти соотношения получены авторами и подробно рассматриваются в учебном пособии: Комиссаров Ю., Гордеев Л., ВентД. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. М: Химия, 1997, 368 с.

Таким образом, расположение кольцевых желобов ниже плоскости тарелок позволит увеличить поверхность контакта фаз за счет роста свободного сечения, что обусловит также дополнительное возрастание производительности аппарата. Расчет и выполнение кольцевого желоба по формулам (3.52) позволит обеспечить максимальную скорость транспорта жидкости в желобе и, как следствие, — увеличить производительность аппарата по жидкости и пару без снижения эффективности массообмена.