Основы классификации тарельчатых аппаратов колонного типа

В ректификационных и абсорбционных колоннах применяются тарелки различных конструкций (колпачковые, клапанные, струйные, провальные и т.п.), существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным. При выборе конструкции контактного устройства учитывают как их гидродинамические и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны при использовании того или иного типа контактных устройств.

В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку, по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру диспергирования взаимодействующих фаз, по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость и др.

По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провальные.

У тарелок со специальными переточными, устройствами жидкость перетекает с тарелки на тарелку отдельно от потока пара через специальные каналы. В зависимости от нагрузки по жидкости и технологического назначения колонны переток жидкости может осуществляться одним, двумя и более потоками (рисунок 7а, рисунок 7б, рисунок 7В). При применении тарелок с большим числом потоков следует учитывать, что при этом уменьшается длина пути жидкости на тарелке и, как следствие, снижается эффективность массопередачи. Колонна разбивается на несколько самостоятельных отсеков, что препятствует перераспределению пара по сечению аппарата в целом и ухудшает равномерность работы тарелок.

а) б) в)

Рисунок 7 – Различные схемы организации движения потока жидкости на тарелках с переливными устройствами:

а — однопоточная; б — двухпоточная; в — четырехпоточная;

В пределах полотна тарелки течение жидкой фазы можно направить по горизонтальной поверхности или по слегка наклонной в сторону слива как в одном уровне, так и каскадом (рисунок 8). Применение каскадных тарелок позволяет уменьшить значение градиента уровня жидкости ∆, что обеспечивает в колоннах большого диаметра более эффективную работу тарелок. Однако в этом случае увеличивается расстояние между тарелками и усложняется конструкция полотна.

Рисунок 8 – Схема организации движения потока жидкости на каскадных тарелках

При низких значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы (рисунок 9а) или специальные конструкции переливов с кольцевым движением жидкости на тарелке (рисунок 9б). В последнем случае корпус аппарата и полотно тарелки разделяются вертикальной перегородкой на две части, что позволяет вдвое уменьшить длину сливной перегородки и увеличить нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки.

а) б)

Рисунок 9 – Схемы организации движения потока жидкости на тарелках с переливными устройствами

а – с переливными трубами; б – с кольцевым движением жидкости на тарелке

Стремление увеличить производительность колонны по паровой фазе привело к разработке переливных устройств (рисунок 10), оснащенных в месте ввода жидкости на тарелку дополнительной горизонтальной перегородкой, под которой располагаются контактные элементы (отверстия, клапаны и т. д.). Такая конструкция устраняет «мертвые» зоны под сливным карманом, что позволяет увеличить производительность колонны от 10% до 20 %.

Рисунок 10 – Схема организации движения потока жидкости на тарелках, оснащенных в месте подачи жидкости дополнительной горизонтальной перегородкой

Конструкции тарелок, приведенных на рисунке 11а и рисунке 11б и, оснащены специальными переливными устройствами, распределенными по полотну и не доходящими до нижележащей тарелки. Применение таких тарелок целесообразно при повышенных нагрузках по жидкости. Тарелки с двумя зонами контакта фаз (рисунок 11б) обеспечивают взаимодействие жидкости и пара как в барботажном слое на полотне тарелки, так и в стекающих струях, что увеличивает эффективность массопередачи.

а) б)

Рисунок 11 – Схемы конструкций тарелок, оснащеных специальными переливными устройствами

а – Схема конструкции тарелки с одной зоной контакта фаз; б – Схема конструкции тарелки с двумя зонами контакта фаз

Контакт между жидкой и паровой фазами осуществляется главным образом по схемам перекрестного тока (тарелки с переливными устройствами) (рисунок 12а) или противотока (провальные тарелки) (рисунок 12в). В последние годы получили распространение перекрестно-прямоточные контактные устройства, использующие сочетание перекрестного тока и прямотока в зоне контакта фаз, что в целом обеспечивает высокие показатели по производительности и эффективности (рисунок 12б). Скоростные прямоточные тарелки (рисунок 12 г) обеспечивают контактирование пара и жидкости в закрученном восходящем потоке.

а) б) в) г)

Рисунок 12 – Основные схемы движения пара и жидкости в контактной зоне тарелки:

а — перекрестный ток; б — перекрестный прямоток; в — противоток; г — прямоток

По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов. На тарелках пар (газ), диспергируясь на мелкие пузырьки и струи, с большой скоростью проходит через слой жидкости. Образующаяся при этом газожидкостная система называется пеной. Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются барботажными. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара почти в вертикальном направлении. Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара.

Тарелки барботажного типа могут иметь стесненное (рисунок 13а) или свободноезеркало барботажа (рисунок 13б). У тарелок со стесненным зеркалом барботажа часть поверхности жидкости, через которую пар выходит в межтарельчатое пространство, занята контактными устройствами — желобчатыми или круглыми колпачками (примерно от 40 до 75 %), поэтому площадь для выхода пара из жидкости составляет от 25 до 60 % рабочей площади тарелки. У тарелок со свободным зеркалом барботажа устройства для ввода пара в жидкость размещены практически на одном уровне с полотном тарелки (отверстия, клапаны и т. п.), вследствие чего пар может выходить из слоя жидкости в межтарельчатое пространство практически в любом месте барботажного слоя. Площадь для выхода пара из жидкости в этом случае составляет от 70 до 90 % рабочей площади тарелки.

а) б)

Рисунок 13 – Схемы барботажных тарелок

а – барботажные тарелки со стесненным зеркалом барботажа; б – барботажные тарелки со свободным зеркалом барботажа; Зеркало барботажа заштриховано

При больших скоростях пара дисперсной фазой становится жидкость, а пар – сплошной фазой. Контакт между фазами осуществляется на поверхности капель и струй жидкости, движущихся в межтарельчатом пространстве с большой скоростью. Этот режим называется струйным, а контактные устройства, основанные на этом принципе взаимодействия фаз, – струйными.

При струйном режиме контакт между паром (газом) и жидкостью осуществляется в прямотоке. Необходимо отметить, что при реализации чистого прямоточного движения контактирующих фаз, несмотря на значительное повышение производительности аппарата, эффективность такого взаимодействия в пределах отдельного контактного элемента обычно невысока и ограничена условиями достижения равновесия на выходе из области контактной зоны, где осуществляется прямоток фаз. Для повышения общей эффективности взаимодействия контактирующих фаз прибегают к различным способам локализации (компенсации) прямотока.

В зависимости от конструкции устройств для ввода пара в жидкость различают ситчатые (дырчатые), колпачковые, клапанные, язычковые (чешуйчатые) и другие типы тарелок.

Направление ввода газа (пара) в жидкость и характер взаимодействия фаз в зоне контакта оказывают существенное влияние на производительность и эффективность работы тарелки, а также на зависимость эффективности тарелки от нагрузки по пару.

Для повышения производительности тарелки используют для контактирования фаз прямоток, а для повышения эффективности взаимодействия фаз предпочитают перекрестный ток или противоток. Оптимальное сочетание указанных характеристик обеспечивает реализацию наиболее высоких эксплуатационных показателей тарельчатых контактных устройств.

Поиск по сайту: