Основные теоретические сведения

В химической технике для проведения процессов абсорбции, ректификации и охлаждения газа используются насадочные колонны, которые представляют собой вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный насадочными телами (наличие насадки увеличивает поверхность фазового контакта).

В качестве насадки обычно используются мелкие тела различной формы. Большое разнообразие насадок объясняется требованиями, предъявляемыми к ним: большая удельная поверхность и большой свободный объем (порозность), малое гидравлическое сопротивление, равномерное распределение фаз по сечению колонны, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость в рабочей среде, малая насыпная плотность, высокая механическая прочность и низкая стоимость. Всем перечисленным требованиям практически не удовлетворяет ни одна из существующих насадок, поэтому в каждом конкретном случае выбирают наиболее подходящую.

Наибольшее распространение получила керамическая насадка в форме колец различного размера. Такая насадка называется кольцевой. Кольца в колонне могут быть уложены в определенном порядке (рядами, установленными на торец) или засыпаны внавал. В первом случае насадку называют «регулярной», упорядоченной, во втором – «беспорядочной».

Высота слоя насадки определяет рабочую высоту насадочной колонны.

В лаборатории представлена колонна с прозрачными стенками, в которую беспорядочно засыпана кольцевая насадка. Диаметр отдельного кольца равен его высоте, такую насадку называют кольцами Рашига.

Насадка в колонне лежит на поддерживающей решетке. Нижний небольшой слой насадки укладывается регулярно для равномерного распределения газового потока. Поддерживающая решетка 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. Газ подается снизу под решетку и движется вверх. Таким образом, контакт газа и жидкости осуществляется в противотоке.

Контакт газа и жидкости в насадочной колонне, во время которого идет обмен веществом или теплом между фазами, происходит в основном на смоченной поверхности насадки. В силу различных причин (недостаточное или неравномерное орошение, загрязнение насадочных тел и т. д.) часть насадки во время работы остается несмоченной, что уменьшает поверхность контакта фаз. При некоторых условиях в слое насадки возможен барботаж, который увеличивает поверхность контакта фаз. Поверхность контакта фаз в насадочной колонне называют «активной поверхностью насадки». Она может быть как меньше, так и больше геометрической поверхности насадки, и ее величина зависит от характера движения газа и жидкости.

В слое насадки постоянно удерживается определенное количество жидкости. Количество жидкости, которое удерживается в единице объема насадки, называют удерживающей способностью насадки; удерживающая способность насадки также зависит от характера движения газа и жидкости.

В зависимости от скорости газового потока и величины орошения (количества орошающей жидкости) изменяется характер движения фаз и условия их взаимодействия. При сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости трение между газом и жидкостью незначительное и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. Контакт газа и жидкости происходит только на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке. С увеличением скорости газа происходит торможение жидкости, вследствие чего скорость ее стекания уменьшается, а толщина пленки жидкости, и, следовательно, удерживающая способность насадки увеличиваются. Возрастание количества жидкости в насадке ведет к уменьшению сечения для прохода газа и соответственно росту гидравлического сопротивления. Последующее увеличение скорости газа приводит к дальнейшему увеличению количества жидкости в насадке до тех пор, пока сила тяжести не уравновесит силы трения. Момент, когда наступает равновесие силы трения и силы тяжести, характеризуется полным затоплением насадки и называется «точкой захлебывания». Затопление начинается с нижних слоев насадки, а затем распространяется на всю ее высоту.

Работа промышленных аппаратов в «точке захлебывания» затруднительна вследствие 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.

В работе насадочной колонны условно выделяют «пленочный режим» и «режим подвисания» – частичного затопления насадки, который называют оптимальным режимом. Рабочие режимы ограничены «точкой захлебывания», которая является верхним пределом рабочих скоростей газа в насадочной колонне.

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.

Рабочая плотность орошения должна быть выше минимальной. Условие полного смачивания насадки определяет нижний предел плотности орошения насадочной колонны.

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 (не орошаемой жидкостью) насадки газовому потоку, Па

, (1.21)

где z – коэффициент гидравлического сопротивления (трения) сухой насадки; – высота слоя насадки, м; – эквивалентный диаметр насадки (эквивалентный диаметр каналов в слое насадочных тел, по которым движется газ), м; w – средняя действительная скорость газа в каналах насадки, м/с; – плотность газа, кг/м³.

Коэффициент гидравлического сопротивления для беспорядочных кольцевых насадок при (турбулентный режим движения газа)

, (1.22)

где – критерий Рейнольдса, вычисленный по газовой фазе, в насадке.

, (1.23)

где – коэффициент динамической вязкости газа, Па·с.

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

, (1.24)

где w – средняя скорость газа, м/с; – объемный секундный расход газа, м³/с; – средняя площадь сечения каналов в насадке, м².

, (1.25)

где – площадь кольцевого сечения колонны, по которому движется газ, м²; e – свободный удельный объем насадки или свободный объем насадки, т.е. доля пустот в единице объема насадки, м³/м³.

С учетом уравнений (1.24) и (1.25) средняя скорость газа в каналах насадки

, (1.26)

где – фиктивная скорость газа, отнесенная к полному сечению колонны, м/с:

(1.27)

Эквивалентный диаметр насадки определяют по уравнению

, (1.28)

где – средний смоченный периметр каналов в насадке, м.

Смоченный периметр каналов в насадке вычисляют исходя из выражений, определяющих поверхность насадки:

.

Следовательно,

, (1.29)

где a – удельная поверхность насадки, т.е. геометрическая поверхность всех насадочных тел в единице объема насадки, м²/м³.

Сопоставляя выражения (1.28) и (1.29), определяют эквивалентный диаметр насадки:

. (1.30)

Учитывая (1.16) и (1.20), критерий можно записать также в следующем виде:

. (1.31)

Сопротивление орошаемой насадки при одинаковой скорости газа в колонне всегда выше, чем сухой; оно определяется по эмпирической зависимости

, (1.32)

где – эмпирический коэффициент, зависящий от размеров насадки (для колец Рашига 25´25´3, = 62); – плотность орошения, м³/(м²×с).

,

где – расход воды, м³/с.

Количество жидкости, удерживаемое насадкой, м³/м³, определяют по эмпирической формуле

, (1.33)

где – безразмерный параметр орошения.

, (1.34)

где – массовая плотность орошения , кг/(м²×с); – плотность жидкости (воды), кг/м³ (табл. П1.5); – критерий Рейнольдса в насадке, вычисленный по жидкой фазе.

, (1.35)

где – вязкость воды, (табл. П1.6).

Пределом нагрузки насадочных абсорберов, работающих в пленочном режиме, является точка эмульгирования или инверсии. В обычных насадочных колоннах пленочный режим неустойчив и сразу переходит в «захлебывание». Эту точку называют «точкой захлебывания» насадочных колонн.

Фиктивную скорость газа , соответствующую пределу нагрузки, определяют по уравнению

, (1.36)

где – динамическая вязкость жидкости (воды), ; (табл. П1.6); 0,022 – эмпирический коэффициент для насадки или спиралей; – массовый расход жидкости (воды), кг/с; ; – массовый расход газа , кг/с.