Основные определения и теория процесса. Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической, пищевой и других смежных отраслях промышленности

Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической, пищевой и других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействие восходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз (абсорбция, ректификация).

Тарельчатые колонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй, в результате чего образуется гетерогенная система, называемая пеной.

Насадочные колонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда пар или газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по поверхности насадки.

Существует большое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [3].

Наиболее распространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются из керамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральная насадка и др. [3].

Назначение тарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хороший контакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессов тепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.

Для того чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратить мощность на преодоление гидравлических сопротивлений.

N = ΔP · V,(1)

где ΔP – гидравлическое сопротивление колонны, Па;

V – объемный расход газа, м³/с.

Для колпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трех составляющих:

ΔP_т = ΔP_сух + ΔP_σ + ΔP_ст.,(2)

где ΔP_сух – сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔP_σ = – сопротивление, связанное с преодолением сил

поверхностного натяжения жидкости, Па;

ΔP_ст = – сопротивление, оказываемое слоем

жидкости на тарелке, Па.

где: ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

V – коэффициент сопротивления колпачковой тарелки (V ≈5);

σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

m – высота прорезей колпачка, м;

b – ширина прорезей колпачка, м;

w₀ = w/ψ – скорость газа в прорезях колпачка, м/с;

w = V/S – скорость газа в колонне, м/с;

V – расход газа, м³/с;

S – площадь сечения колонны, м²;

ψ – доля сечения прорезей колпачка определяется как отношения

их суммарной площади на тарелке к площади поперечного

сечения колонны S;

К – отношение плотности пены к плотности чистой

жидкости (К ≈0,5);

l –расстояние от верхнего края прорезей до сливного

порога, м (l =0,01м);

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Δh = – подпор жидкости над переливным

устройством, м;

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр слива жидкости, м.

С увеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и при некоторых значениях скорости расходы энергии могут оказаться слишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатых колоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношение количества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей на вышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) для колпачковых тарелок можно определить по формуле:

e = , (3)

где Н_С – высота сепарационного пространства, представляющая собой

расстояние от верхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.

Допустимая величина брызгоуноса составляет 0,1 кг/кг. Если значение больше 0,1, то необходимо уменьшить скорость газа в колонне.

Максимальный расход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства, обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этом допустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как

u = , м/с (4)

Сопротивление орошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величины гидравлического сопротивления сухой насадки

ΔP_н = ΔP_сух. , (5)

где L, G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с.

Сопротивление сухой насадки зависит от высоты слоя Н и
определяется как

, (6)

где: a – удельная поверхность насадки, м²/м³ (a = 300);

ε – доля свободного объема насадки, м³/м³ (ε = 0,7).

Обе эти величины зависят от вида насадки и берутся из

справочных таблиц [2].

Коэффициент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа

Re_г= ,

При Re_г < 40 λ_г = 140/Re_г

При Re_г > 40 λ_г = 16/Re_г^0,2

В зависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочной колонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.

При достижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз» происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этот момент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботировать через нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости может привести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа и жидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, что рабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания W_з, которую можно найти из уравнения:

(7)

Коэффициент А=0,022 для процессов абсорбции, при которых жидкость взаимодействует с газами и А= - 0,125 для систем пар – жидкость.