Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рисунок 3) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом - большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.
Рисунок 3 - Насадочный абсорбер:
1 - насадка: 2 - опорная решетка; 3 - распределитель жидкости; 4 - перераспределитель жидкости.
В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах - только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.
Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2
/м*) и свободный объем ε (м3
/м3
). Свободный объем для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε. Эквивалентный диаметр насадки
(15)
Гидродинамические режимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Эти режимы видны из графика (рис. XI-13), выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне.
Рисунок 4 – Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне (L=const):
1 – сухая насадка; 2 – орошаемая насадка.
Первый режим - пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка А, рисунок 4), называемой точкой подвисания.
Второй режим - режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок 4), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.
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, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газо-жидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. П
Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.
В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.
В обычных насадочных колоннах поддержание режима эмульгирования представляет большие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн с затопленной насадкой, называемых эмульгационными (рисунок 5). В колонне 1 режим эмульгирования устанавливают и поддерживают с помощью сливной трубы, выполненной в виде гидравлического затвора 2. Высоту эмульсии в аппарате регулируют посредством вентилей 3. Для более равномерного распределения газа по сечению колонны в ней имеется тарелка 4. Эмульгационные колонны можно рассматривать как насадочные лишь условно. В этих колоннах механизм взаимодействия фаз приближается к барботажному.
Рисунок 5 - Эмульгационная насадочная колонна: 1 - колонна; 2 - гидравлический затвор; 3 - вентиль; 4 - распределительная тарелка.
Пределом нагрузки насадочных абсорберов, работающих в пленочных режимах, является точка эмульгирования, или инверсии. В обычных насадочных колоннах режим эмульгирования неустойчив и сразу переходит в захлебывание. Поэтому эту точку называют точкой захлебывания насадочных колонн. Фиктивная скорость W3
газа, соответствующая пределу нагрузки, определяется по уравнению
(16)
где Sсв
- свободное сечение насадки, м2
/м2
; а - удельная поверхность насадки, м2
/м3
; L' и G' - расходы жидкости и газа, кг/сек.
Из уравнения (16) можно заключить, что с увеличением плотности орошения снижается предельная скорость газа. В точке инверсии скорость газа уменьшается также с увеличением вязкости жидкости и снижением ее плотности. При одинаковых расходах газа и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для более крупной насадки.
Четвертый режим - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется.
Физическая и математическая модели удерживающей способности насадки
Основные положения
Течение пленки
Уравнение неразрывности
Уравнение Новье-Стокса для трехмерного течения
для одномерного течения
Учитывая, что при установившемся течении , получаем уравнение для течения жидкости в круглой трубе:
Течение пленки по поверхности канала
Граничные условия:
при ;
при
Интегрируя уравнение для течения жидкости в круглой трубе по частям, приходим к уравнению:
И за тем, получаем:
Учитывая граничное условие:
при
находим с1
:
Интегрируя дальше, получаем:
Учитывая граничное условие:
при ;
где ∆р – гидравлическое сопротивление абсорбера, которое находим из уравнения для зернистого слоя
Отсюда