Абсорберы тарельчатого типа

Барботажные абсорберы тарельчатого типа выполняют в виде ко­лонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой та­релке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рас­сматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соеди­нением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения полное перемешивание жидкости.

Тарелки можно подразделить на четыре основные группы:

1) Тарелки перекрестного типа, в которых движение газа и жид­кости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специ­альные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит.

2) Тарелки провального (беспереливного) типа, в которых перелив­ные устройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости.

3) Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости (пря­моточные). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента. Эти тарелки обычно имеют переливы, но существуют и конструкции без переливов.

4) Тарелки прочих типов.

Ниже рассмотрены основные типы тарелок.

Тарелки перекрестного типа. К этой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и колпачково-ситчатые тарелки.

Колпачковые тарелки. На рис.3 показано устройство колпачковой тарелки, а на рис.4 — устройство колпачков. На каждой тарелке имеются патрубки 1 (см. рис.3), закрытые сверху колпач­ками 2. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливы 3, причем уровень жидкости на тарелке устанавливается несколько выше верхнего обреза сливного порога 4. Нижняя часть переливного устройства опущена под уровень жидкости, что создает гидравлический затвор, не допускающий прохода газа через перелив. Движение жидко­сти по тарелке от перелива с вышележащей тарелки к переливу на нижележащую тарелку происходит в горизонтальном направлении. Что­бы жидкость перетекала только через переливы, а не через патрубки, верхние обрезы последних должны быть выше уровня жидкости на тарелке. Колпачки нижними краями погружены в жидкость. Газ прохо­дит по патрубкам 1 в пространства под колпачками и, выходя далее из-под колпачка, барботирует через слой жидкости.

Различные типы колпачковых тарелок отличаются главным образом конструкцией колпачков. По форме различают круглые (рис. 4(а)) и прямоугольные или туннельные (рис. 4(б)) колпачки. Колпачки другой формы применяются редко.

Нижние края колпачков обычно снабжены зубцами (рис. 4(б)) или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Иногда употребляют кол­пачки с гладким нижним краем. Ранее придавали большое значение устройству зубцов или прорезей, полагая что они способствуют лучшему дроблению газа на отдельные струйки и пузырьки. Однако более поздние исследования показали, что при применяемых на практике скоростях газа прорези не ока­зывают заметного влияния на процесс массопередачи и при гладком нижнем крае колпачка достигается тот же эффект. Основное назначение зубцов и прорезей — устранять односторонний выход газа из-под колпачка в случае отклонения плос­кости его нижнего края от горизонтали вследствие перекоса при монтаже.

Колпачки с зубцами и нижним глад­ким краем устанавливают с некоторым зазором по отношению к плоскости тарелки (см. рис. 3). Колпачки с прорезями также устанавливают с за­зором к этой плоскости, но они могут быть установлены и без него.

Наиболее распространены тарелки с колпачками сравнительно не­большого диаметра (80—150 мм; при загрязненных жидкостях до 200— 300 мм); такие колпачки на тарелке устанавливают обычно в значи­тельном количестве (многоколпачковые тарелки). В некоторых случаях, например при работе с загрязненными жидкостями (в частности, в соло­вом производстве), применяют одноколпачковые тарелки (рис. 5), на которых устанавливают один колпачок большого диаметра (около 2 м). Такие одноколпачковые тарелки снабжают обычно наружными перелив­ными устройствами.

Ситчатые тарелки. Эти тарелки (рис. 6) имеют отверстия диаметром 2—8 мм (иногда применяют щелевые отверстия шириной до 4 мм), через которые проходит газ, барботирующий затем через слой жидкости на тарелке. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством, аналогичным применяемому в колпачковых тарелках.

При нормальных нагрузках по газу жидкость через отверстия не про­текает, так как она поддерживается снизу давлением газа. При низких нагрузках по газу давление газа не может удержать слой жидкости, со­ответствующий высоте перелива. При этом уровень жидкости устанав­ливается ниже перелива и жидкость проходит через те же отверстия, через которые движется газ, т. е. тарелка работает в провальном ре­жиме аналогично тарелкам провального типа. В случае еще более низких нагрузок по газу на тарелке отсутствует слой жидкости и она выключается из работы. Таким образом, по сравнению с колпачковыми ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы.

Разновидностью аппаратов с ситчатыми тарелками являются разработанные пенные аппараты (рис, 7). Основ­ное отличие пенного аппарата состоит в устройстве перелива. В то время как в обычных абсорберах с ситчатыми тарелками происходит свободный слив жидкости через перелив тарелки, в пенных аппаратах осуществляется слив с подпором пены через прямоугольное отверстие в стенке аппарата. Сам перелив наружный и выполнен в виде коробки, в которой разрушается пена. Применением слива с подпором пены ис­кусственно увеличивают ее высоту на тарелке. При небольших нагрузках по жидкости высота пены уменьшается и происходит свободный слив, как в обычных ситчатых тарелках.

Иногда, чтобы предотвратить забивание тарелки осадками (при за­грязненных жидкостях) и снизить гидравлическое сопротивление, приме­няют ситчатые тарелки, установленные под небольшим наклоном (3—5°) к горизонтальной плоскости. На наклонных тарелках сливной порог отсутствует и жидкость поступает в переливное устройство непосредст­венно с плоскости тарелки. Испытания показали, что по эффектив­ности массопередачи наклонные ситчатые тарелки значительно уступают горизонтальным вследствие уменьшения слоя жидкости на тарелке. По­этому наклонные тарелки не получили распространения.

Клапанные тарелки. Эти тарелки являются видоизме­нением ситчатых, приспособленным для работы при сильно меняющихся газовых нагрузках. Это достигается тем, что отверстия в тарелке пере­крыты клапанами, степень открытия которых зависит от нагрузки по газу. При низких нагрузках подъем клапана мал и площадь живого сечения для прохода газа тоже мала. С повышением нагрузки увеличиваются подъем клапана и площадь живого сечения. Таким образом, скорость газа в живом сечении отверстий остается приблизительно постоянной при изменении нагрузки в широких пределах, что и обеспечивает ра­боту тарелки в этом диапазоне нагрузок без провала жидкости.

На рис. 8 показана тарелка с прямоугольными (пластинчатыми) клапанами. В нерабочих условиях клапан действием своего веса закрывает отверстие (рис. 8,(а))при подаче газа более легкая часть клапана поднимается (рис. 8,(б)). При дальнейшем увеличении на­грузки клапан приходит в предельное положение (рис. 8,(e)).

Более распространены тарелки с круглыми, или дисковыми клапа­нами («флекситрей»), показанные на рис. 9,(а). Отверстия в этих тарелках имеют диаметр 8-35 мм при шаге между ними 75-100 мм, диаметр клапанов около 50 мм. Высота поднятия клапанов составляет менее 7-7 мм и определяется вы­сотой ограничителя 2. Изображен­ная на рис. 9,(б) балластная тарелка является разновид­ностью клапанной. В этой тарелке над легким клапаном 1 помещен бо­лее тяжелый балласт 3, который опи­рается на тарелку так, что не пре­пятствует подъему клапана. Тарел­ка работает в две стадии. Вследствие малого веса клапанов при неболь­ших нагрузках по газу клапаны открываются. При повышении нагрузки клапан упирается в балласт и в дальнейшем поднимается вместе с ним. Испытания балластных тарелок показали их устойчивую и равномерную работу при десятикратном изменении нагрузки по газу.

Колпачково-ситчатые тарелки. Такая тарелка (рис.10) снабжена туннельными колпачками, при­чем между ними установлены перфорированные листы. При малых нагрузках по газу тарелка работает как колпачковая, и газ, пробарботировавший через жидкость, прохо­дит через перфорированный лист, на котором не создается барботажного слоя. При больших нагрузках на перфорированном листе образуется барботажный слой, и та­релка работает как ситчатая; при этом барботаж по выходе газа из-под колпака не происходит и последний служит лишь для прохода газа. Таким образом, эта тарелка работает устойчиво в широком диапазоне нагрузок.

Тарелки провального типа. Эти тарелки отличаются простотой кон­струкции, так как не имеют переливных устройств. При очень малых скоростях газа жидкость полностью протекает через отверстия. С по­вышением скорости газа жидкость начинает задерживаться на тарелке и газ барботирует через жидкость. Барботаж на провальных тарелках происходит неравномерно: через часть отверстий движется газ, а через остальные отверстия протекает жидкость; при этом газ и жидкость по­переменно проходят через одни и те же отверстия.

Чтобы жидкость проваливалась через отверстия, на тарелке должен быть определенный слой ее, зависящий от скорости газа. При ее по­вышении провал жидкости в первый момент прекращается и стано­вится возможным лишь после того, как вследствие поступления на тарелку свежей жидкости установится новый, более высокий уровень жидкости.

Тарелки провального типа, как и ситчатые, могут работать только в сравнительно узком диапазоне нагрузок по газу, поскольку при ма­лых нагрузках на тарелке отсутствует слой жидкости. На провальных тарелках происходит полное перемешивание жидкости, вследствие чего они по эффективности несколько уступают тарелкам перекрестного типа.

Дырчатые провальные тарелки (их называют также ситчатыми провальными тарелками), по конструкции близки к ситчатым тарелкам, отличаясь лишь отсутствием переливного устройства.

Решетчатые, или щелевые, провальные тарелки («Турбогрид»), показанные на рис. V-11(a), имеют прямоугольные фре­зерованные или штампованные щели шириной 3-6 мм. Щели могут также образовываться путем набора тарелки из полос (колосников). В больших колоннах тарелку собирают из отдельных секций (рис.11,(6)), в которых устроены короткие щели (длиной 60-120 мм).

Разновидностью провальных тарелок являются трубчатые, или трубчато-решетчатые тарелки, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся газ и жид­кость. По трубам пропускают охлаждающую воду для отвода вы­деляющегося при абсорбции тепла. Две конструкции трубчатых таре­лок показаны на рис.11, (в и г).

Испытан трубчатый абсорбер, в котором пучок вертикальных труб проходит через отверстия в тарелках. Эти отверстия имеют диа­метр несколько больший, чем наружный диаметр труб; в результате образуются кольцевые зазоры для прохо­да газа и жидкости. Охлаждающая вода стекает пленкой по внутренней поверхности труб.

Другой разновидностью провальных та­релок являются волнистые, или гоф­рированные тарелки, изображен­ные на рис.12. Эти тарелки штампуются из металлических перфорированных ли­стов толщиной 2,5—3 мм; диаметр от­верстий 3—8 мм. Гофр имеет тем более крупные размеры, чем больше нагрузка по жидкости; отношение высоты гофра к рас­стоянию между гофрами h/b = 0,2—0,4.

Тарелки располагают в колонне так, чтобы гофры смежных тарелок были взаимно перпендикулярны. Считают, что волнистые та­релки могут работать в более широком диапазоне нагрузок и лучше работают при загрязненных жидкостях, причем отверстия засоряются медленнее, чем в обычных провальных тарелках.

Тарелки с различной перфорацией представляют собой разновидность дырчатых тарелок. Испытанные Родионовым и др. та­релки с двойной перфорацией имели в центральной части отверстия малого диаметра (2 мм), а на остальной, кольцевой площади тарелки — отверстия крупного диаметра (6—8 мм). Площадь, занятая мелкими отверстиями, составляла 15—50% от всей площади тарелки. В этих тарелках через мелкие отверстия проходит только газ, а через крупные—газ и жидкость. Таким образом, крупные отверстия играют роль переливного устройства. По данным испытаний, тарелки с двойной перфорацией устойчиво работают в более широком диапазоне нагру­зок, чем другие типы провальных тарелок.

В последнее время предложены и испытаны клапанные про­вальные тарелки, в которых круглые отверстия или щели перекрыты клапанами. Подъем клапанов, как и в случае клапанных тарелок с переливами зависит от нагрузки по газу. Применение клапанов и в этом случае ведет к увеличению диапазона работы та­релки.

Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости. Предло­жено большое количество различных конструкций тарелок этого типа. В тарелке Киттеля, показанной на рис.13, отверстия образуются попарно двумя параллельными прорезями, причем полоска между этими прорезями изгибается гак, что одна ее сторона лежит ниже, а другая выше пло­скости тарелки. Таким образом, плоскости отверстий расположены вертикально, а выходящий через отверстия газ движется сначала гори­зонтально, в результате чего жидкость на тарелке получает движение в том же направлении.

Направление движения жидкости определяется расположением от­верстий. На тарелке А с круговым движением жидкость течет в на­правлении, указанном стрелками от сектора к сектору (см. рис.13). На тарелке В жидкость движется радиально от периферии к центру. Обычно тарелки Киттеля устанавливают попарно с расстоянием между ними около 200 мм, причем на нижней жидкость имеет радиальное, а на верхней — круговое движение. Между парой тарелок иногда насы­пают насадку из колец Рашига размером 25 мм. Над каждой парой этих тарелок устанавливают брызгоотбойную тарелку такой же кон­струкции, но с более широкими щелями. Описанные тарелки обычно не имеют переливных устройств. Особенностью тарелки Киттеля яв­ляются относительно тонкий слой жидкости, который хорошо распределен по всему сечению тарелки, и низкое гидравлическое сопротивление.

При больших нагрузках по жидкости и ма­лых по газу (например, при абсорбции СО; водой под давлением) энергия газового потока недо­статочна для создания направленного движения жидкости. В этом случае применяют много­угольные тарелки Киттеля (рис.14). Эти тарелки имеют переливные устройства, при­чем жидкость на смежных тарелках движется или от периферии к центру или от центра к перифе­рии, совершая одновременно круговое движение по тарелке. Круговое движение сообщается жид­кости вследствие се поступления на тарелку через косо расположенные жалюзийные отверстия, а частично за счет энергии газа, поступающего через дно тарелки по отверстиям описанной выше формы.

Тарелка из S-образных элементов, иначе называе­мая «Юнифлакс» (Uniflux), показана на рис.I5. Тарелка собирается из штампованных S-образных элементов, которые образуют патрубки (колпачки) для прохода газа. С торцов патрубки закрыты заглушками. С одной стороны каждого колпачка имеются трапецевидные прорези. Вследствие одностороннего выхода газа из-под колпачков создается направленное движение жидкости поперек элементов в сторону пе­релива.

Чешуйчатая (струйная) тарелка (рис.16,(а)) имеет на­правляющие прорези чешуйчатой формы с отогнутой вверх вырезанной частью. Тарелка имеет переливное устройство, но без сливного порога. Эта тарелка, а также рассмотренные ниже ее модификации, работает в барботажном режиме лишь при сравнительно невысоких скоростях газа. При повышении скорости газа барботажный режим переходит в струйный (капельный), в котором сказывается направленное действие газовых струй. В струйном режиме сплошной фазой становится газ, а жидкость распыляется на капли. Такой режим отве­чает наибольшей поверхности контакта фаз и является рабочей областью.

Видоизменением чешуйчатой тарелки является пластинчатая тарелка, изображенная на рис.16, (б). Та­релка собирается из наклонных пластин, между которыми движется газ, сообщая жидкости движение в сторону слива. Слив­ной порог отсутствует.

На рис.I6 показана струйная та­релка с отбойниками, разработанная в Гипронефтемаше. Основание тарелки и отбойники изготовлены из просечно-вы­тяжного листа. При этом отогнутые кромки листов основания образуют с плоскостью тарелки острый угол, направ­ленный к переливу. На отбойниках отогнутые кромки направлены вниз в сторону слива жидкости и образуют с плоскостью тарелки острый угол. Модификация таких тарелок испытана также в ГДР.

При больших нагрузках по жидкости ре­комендуют каскадную тарелку Бентури, показанную на рис.16,(г)и некоторые другие конструкции, описанные в литера­туре.

Тарелки прочих типов. К этой группе отно­сится тарелка с двумя зонами кон­такта, показанная на рис.17, (а). Та­релка представляет комбинацию барботажной тарелки (например, ситчатой) с дополнитель­ной зоной контакта фаз в межтарельчатом пространстве. Жидкость из барботажной части тарелки стекает через переливной патрубок 2 и далее, вытекая из кольцевой щели между об­резом патрубка 2 и распределительным диском 3, образует пленку, пе­рекрывающую поперечное сечение колонны (показана на рисунке пунк­тиром). Газ прорывается через пленку у периферии, причем при доста­точно большой скорости газа происходит распад пленки на капли; при этом и образуется дополнительная (пленочная) зона контакта. Пленоч­ная часть оказывает сепарирующее действие на газ и уменьшает брызгоунос. В аппаратах больших диаметров барботажную часть секциони­руют на отдельные ячейки с самостоятельным переливным патрубком в каждой секции (рис.17,6). Были испытаны также пленочные та­релки, в которых отсутствует барботажная часть.

Пленочная тарелка Лева состоит из сплошного листа с закрепленными на нем патрубками, на­правленными вниз (рис.18). Вытекающая через патрубки жидкость движется в виде пленки по тарелке, соприкасаясь с газом (пути движения газа и жидкости показаны на рисунке). Тарелки располагаются на малом (около 50 мм) расстоянии друг от друга и обладают очень низким гидравлическим сопротивлением (50—100 Па).

Дата добавления: 2015-07-15