Теоретические сведения. В насадочных колоннах для создания развитой поверхности контакта фаз газ пропускают

В насадочных колоннах для создания развитой поверхности контакта фаз газ пропускают через колонну с насадкой, орошаемую жидкостью. Жидкость стекает по насадке в виде пленки, газ движется противотоком. Наибольшее распространение получила керамическая насадка в форме колец различного размера. Такая насадка называется кольцевой (кольца Рашига).

Кольца в колонне могут быть уложены в определенном порядке
(рядами, установленными на торец) или засыпанными в навал.
В первом случае насадку называют регулярной или упорядоченной, во

втором – беспорядочной. Высота слоя насадки, в свою очередь, определяет рабочую высоту насадочной колонны.

Насадочные колонны с высокоэффективной и сравнительно недорогой насадкой при правильной организации гидродинамического режима во многих случаях оказываются экономичными для переработки высокоагрессивных и вязких продуктов.

Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– обладать большой поверхностью в единице объема;

– хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

– оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

– равномерно распределять орошающую жидкость;

– быть стойкой к химическому воздействию жидкости или газа, движущихся в колонне;

– иметь малый удельный вес;

– обладать высокой механической прочностью;

– иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки, которые
в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозийной стойкостью.

В лаборатории представлена колонна с прозрачными стенками,
в которую беспорядочно насыпана кольцевая насадка. Диаметр отдельного кольца равен его высоте – кольца Рашига. Насадка в колонне лежит на поддерживающей решетке, которая служит опорой для насадки и имеет большое живое сечение для прохода газа и жидкости. Сверху насадка орошается жидкостью, которая равномерно распределяется по ее поверхности распределительным устройством и движется сверху вниз, Таким образом, контакт газа и жидкости осуществляется
в противотоке.

Контакт газа и жидкости в насадочной колонне, во время которого происходит обмен веществами или теплом между фазами, происходит, в основном, на смоченной поверхности насадки. В силу различных причин (недостаточное или неравномерное орошение, загрязнение

части насадочных тел и т.д.) часть насадки во время работы остается не смоченной, что уменьшает поверхность контакта фаз. При некоторых условиях в слое насадки возможен барботаж, который увеличивает поверхность контактафаз. Поэтому действительная поверхность контакта фаз отличается от физической поверхности насадки. Такую поверхность контакта фаз в насадочной колонне называют активной поверхностью насадки. Она может быть как меньше, так и больше геометрической поверхности насадки, и величина ее зависит от характера движения газа и жидкости. Эффективность взаимодействия фаз зависит от целого ряда факторов, в том числе и от гидродинамического режима.

При работе насадочных аппаратов наблюдаются следующие гидродинамические режимы: пленочный, подвисания, эмульгирования и режим захлебывания.

Первый режим – пленочный, наблюдается при небольших плот-ностях орошения и малых скоростях газа, когда трение между газом

и жидкостью незначительно. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Контакт газа и жидкости происходит только на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке. Пленочный режим заканчивается
в первой переходной точке (точка А, рисунок 3.1), называемой точкой подвисания.

1 – сухая насадка; 2 – орошаемая насадка

Рисунок 3.1 – Зависимость гидравлического сопротивления
насадки от скорости газа в колонне

Увеличение нагрузки аппарата по жидкости и газу приводит
к так называемому режиму подвисания, который характеризуется
торможением стока жидкости поднимающимся газом. При увеличении скорости газа скорость течения жидкости уменьшается, а толщина
ее пленки и, следовательно, удерживающая способность насадки

увеличиваются. Следствием этого является увеличение смоченной
и активной поверхности и, соответственно, интенсивности массопередачи. Возрастание количества жидкости в насадке, в свою очередь, ведет также к уменьшению сечения прохода газа и соответственно
к росту гидравлического сопротивления. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок 3.1).

Третий режим – режим эмульгирования – возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия (жидкость становится сплошной фазой, а газ – дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Момент, когда наступает равновесие сил трения и тяжести жидкости, характеризуется полным затоплением насадки и называется «точкой захлебывания». При этом скорость газа в насадке называется предельной и определяется из уравнения:

, (3.1)

где а – удельная поверхность насадки, м²/м³;

– свободный удельный объём насадки (порозность), м³/м³;

ρ_Г и ρ_Ж – плотность газа и жидкости соответственно, кг/м³;

– коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с.

, – массовый расход жидкости и газа соответственно, кг/с.

Из уравнения можно заключить, что с увеличением плотности орошения снижается предельная скорость газа. В точке инверсии скорость газа уменьшается также с увеличением вязкости жидкости и со снижением ее плотности. При одинаковых расходах газа и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для более крупной насадки.

Затопление начинается с нижних слоев насадки и затем распространяется на всю высоту насадки. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает (отрезок ВС, рисунок 3.1).

Работа промышленных аппаратов в точке захлебывания затруднительна вследствии неустойчивости течения газа и жидкости, которое сопровождается периодическими «провалами» жидкости и значительными

колебаниями гидравлического сопротивления. При увеличении скорости газа выше точки захлебывания наблюдается унос жидкости и работа насадочной колонны становится невозможной.

При работе колонны в режиме эмульгирования достигается максимальная эффективность массопередачи в насадочной колонне в результате резкого увеличения поверхности массопередачи, которая определяется уже, главным образом, условиями барботажа, а не геометрической поверхностью насадки. В обычных насадочных колоннах поддержаниережима эмульгирования представляет большие трудности. Во-первых, режим эмульгирования неустойчив, так как небольшое увеличение расхода газа вызывает явление захлебывания колонны. Во-вторых, в режиме эмульгирования насадка служит не столько для развития поверхности соприкосновения фаз, сколько для предотвращения перемешивания жидкости, т.е. для осуществления принципа противотока.

Поэтому режим «подвисания» называют оптимальным режимом, реализуемым в реальных производствах. Рабочие режимы работы колонны ограничены точкой захлебывания, которая является верхним пределом рабочих скоростей газа в насадочной колонне.

Основным показателем работы насадочной колонны является гидравлическое сопротивление, которое определяет энергетические затраты на перемещение газа через аппарат и служит важным показателем режима работы и состояния насадки в колонне.

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки газовому потоку определяется из уравнения:

, (3.2)

где – гидравлическое сопротивление сухой насадки, мм вод. ст.;

– коэффициент гидравлического сопротивления для насадки;

– высота слоя насадки, м;

– фиктивная скорость газа в колонне, м/с;

– эквивалентный диаметр насадки, м.

, (3.3)

где – средняя площадь сечения каналов в насадке, м²;

– средний периметр каналов в насадке, м;

а – удельная поверхность насадки, м²/м³, для колец Рашига 15х15х2 а = 330 м²/м³;

– свободный удельный объём насадки, м³/м³, для колец Рашига 15х15х2 = 0,70 м³/м³.

Коэффициент гидравлического сопротивления для кольцевых насадок вычисляется по уравнениям:

при Re > 40

, (3.4)

при Re < 40

, (3.5)

где Rе_г – критерий Рейнольдса, вычисленный по газовой фазе в насадке:

. (3.6)

Газ движется через насадку по извилистым каналам, образованным насадочными телами. Сечение этих каналов непостоянно и, следовательно, так же изменяется скорость газа. Поэтому среднюю скорость газа в каналах насадки определяют как:

, (3.7)

где – объёмный секундный расход газа, м³/с.

Среднюю площадь сечения каналов определяем из соотношения:

, (3.8)

где – площадь поперечного сечения колонны, м².

С учётом (3.7) и (3.8) средняя скорость в каналах насадки будет
равна:

. (3.9)

Учитывая (3.2) и (3.8), критерий можно записать в следующем виде:

. (3.10)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки при одинаковой скорости газа в колонне всегда выше, чем сухой. Оно определяется из эмпирической зависимости:

, (3.11)

где – гидравлическое сопротивление сухой насадки, кгс/см²;

– опытный коэффициент, зависящий от размеров насадки (для колец Рашига 15х15х2, =53);

– плотность орошения, м³/м²с.

, (3.12)

где L – массовый расход жидкости, кг/с.

Движение жидкости через насадку характеризуется плотностью орошения, т.е. объемным расходом жидкости, подаваемой на единицу площади поперечного сечения колонны. При недостаточном орошении поверхность насадки смачивается не полностью. Для каждого вида и размера насадки существует минимальная плотность орошения, при которой практически вся поверхность насадки смочена жидкостью. Нижний предел плотности орошения определяется экспериментальным путём, и для указанной насадки величина минимальной плотности орошения водой составляет 9 м³/м²ч.

Дата добавления: 2015-08-18