Абсорберы тарельчатого типа.

Барботажные абсорберы тарельчатого типа выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводиться сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

Рис. 2 Барботажные абсорберы с секционированием и с насадкой:
а - абсорбер с пассетами; б - абсорбер с секционированием ситчатами тарелками; в - абсорбер с насадкой (эмульгационная колонна); 1 - днище пассета; 2 - дырчатый колпак; 3 - холодильный элемент; 4 - перфорированные перегародки (ситчатые тарелки); 5 - утка; 6 - насадка; 7 - решетка.

Тарелки можно подразделить на четыре основные группы:

Тарелки перекрестного типа, в которых движение газа и жидкости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит.
Тарелки провального типа (беспереливного) типа, в которых переливные устройства отсутствуют, так как газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости.
Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости (прямоточные). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости на тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента. Эти тарелки обычно имеют переливы, но существуют и конструкции без переливов.
Рис. 3 Колпачковая тарелка:
1 - патрубки; 2 - колпачки;
3 - переливы; 4 - сливной порог;

Рис. 4 Колпачки:
а - круглый с прямоугольными прорезями; б - прямоугольный с зубцами;
Тарелки прочих типов.

Ниже рассмотрены основные типа тарелок.

Тарелки перекрестного типа. К этой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и колпачково - ситчатые тарелки.

К о л п а ч к о в ы е т а р е л к и. На рис 3 показано устройство колпачковой тарелки, а на рис. 4 - устройство колпачков. На каждой тарелке имеются патрубки 1 (см. рис. 3), закрытые сверху колпачками 2. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливы 3, причем уровень жидкости на тарелке устанавливается несколько выше верхнего обреза сливного порога 4. Нижняя часть переливного устройства опущена под уровень жидкости, что создает гидравлический затвор, не допускающий прохода газа через перелив. Движение жидкости по тарелке от перелива с вышележащей тарелки к переливу на нижележащую тарелку происходит в горизонтальном направлении. Чтобы жидкость перетекала только через переливы, а не через патрубки, верхние обрезы последних должны быть выше уровня жидкости на тарелке.
Колпачки нижними краями погружены в жидкость. Газ проходит по патрубкам 1 в пространства под колпачками и, выходя далее из-под колпачка, барботирует через слой жидкости.

Различные типы колпачковых тарелок отличаются главным образом конструкцией колпачков. О форме различают круглые (рис. 4,а) и прямоугольные или туннельные (рис. 4,б) колпачки. Колпачки другой формы применяются редко.

Нижние края колпачков обычно снабжены зубцами (рис. 4,б) или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Иногда употребляют колпачки с гладким нижним краем. Ранее придавали большое значение устройству зубцов или прорезей, полагая, что они способствуют лучшему дроблению газа на отдельные струйки и пузырьки. Однако более поздние исследования показали, что при применяемых на практике скоростях газа прорези не оказывают заметного влияния на процесс массопередачи и при гладком нижнем крае колпачка достигается тот жеэффект. Основное назначение зубцов и прорезей - устранять односторонний выход газа из-под колпачка в случае отклонения плоскости его нижнего края от горизонтали вследствие перекоса при монтаже.

Колпачки с зубцами и нижним гладким краем устанавливают с некоторым зазором по отношению к плоскости тарелки (см. рис. 3). Колпачки с прорезями также

Рис. 5 Одноколпачковая тарелка с наружными переливами

устанавливают с зазором к этой плоскости, но они могут быть установлены и без него.

Наиболее распространены тарелки с колпачками сравнительно небольшого диаметра (80-150 мм; при загрязнённых жидкостях до 200-300 мм); такие колпачки на тарелке устанавливают обычно в значительном количестве (многоколпачковые тарелки). В некоторых случаях, например при работе с загрязнёнными жидкостями (в частности, в содовом производстве), применяют одноколпачковые тарелки (рис. 5), на которых устанавливают один колпачок большого диаметра (около 2 м). Такие одноколпачковые тарелки снабжают обычно наружными переливными устройствами.

С и т ч а т ы е т а р е л к и. Эти тарелки (рис. 6) имеют отверстия диаметром 2-8 мм (иногда применяют щелевые отверстия шириной до 4 мм), через которые проходит газ, барботирующий затем через слой жидкости на тарелке. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством, аналогичным применяемому в колпачковых тарелках.

При нормальных нагрузках по газу жидкость через отверстия не протекает,

Рис. 6 Абсорбер с ситчитыми тарелками.

Рис. 7 Абсорбер с ситчитыми тарелками с подпором пены

так как она поддерживается снизу давлением газа. При низких нагрузках по газу давление газа не удержать слой жидкости, соответствующий высоте перелива. При этом уровень жидкости устанавливается ниже перелива и жидкость проходит через те же отверстия, через которые движется газ, т.е. тарелка работает в провальном режиме аналогично тарелкам провального типа (см. ниже).

В случае ещё более низких нагрузок по газу на тарелке отсутствует слой жидкости и она выключается из работы. Таким образом, по сравнению с колпачковыми ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы.

Разновидностью аппаратов с ситчатыми тарелками являются разработанные Позиным пенные аппараты (рис. 7). Основное отличие пенного аппарата состоит в устройстве перелива. В то время как в обычных абсорберах с ситчатыми тарелками происходит свободный слив жидкости через перелив тарелки, в пенных аппаратах осуществляется слив с подпором пены через прямоугольное отверстие в стенке аппарата. Сам перелив наружный и выполнен в виде коробки, в которой разрушается пена. Применением слива с подпором пены искусственно увеличивают её высоту на тарелке. При небольших нагрузках по жидкости высота пены уменьшается и происходит свободный слив, как в обычных ситчатых тарелках.

Рис. 8 Клапанная тарелка (с прямоугольными клапанами:.
а - нижнее (нерабочее) положение клапана;
б - рабочее положение клапана;
в - предельное положение клапана;

Рис. 9 Клапанные тарелки:
а - с круглыми клапанами; б - баластная;
1 - клапан; 2 - ограничитель; 3 - баласт.

Иногда, чтобы предотвратить забивание тарелки осадками (при загрязненных жидкостях) и снизить гидравлическое сопротивление, применяют ситчатые тарелки, установленные под небольшим наклоном (3-5⁰) к горизонтальной плоскости. На наклонных тарелках сливной порог отсутствует и жидкость поступает в переливное устройство непосредственно с плоскости тарелки. Испытания показали, что по эффективности массопередачи наклонные ситчатые тарелки значительно уступают горизонтальным вследствие уменьшения слоя жидкости на тарелке. Поэтому наклонные тарелки не получили распространения.

К л а п а н н ы е т а р е л к и. Эти тарелки являются видоизменением ситчатых, приспособленным для работы при сильно меняющихся газовых нагрузках. Это достигается тем, что отверстия в тарелке перекрыты клапанами, степень открытия которых зависит от нагрузки по газу. При низких нагрузках подъём клапана мал и площадь живого сечения для прохода газа тоже мала. С повышением нагрузки увеличиваются подъём клапана и площадь живого сечения. Таким образом, скорость газа в живом сечении отверстиё остаётся приблизительно постоянной при изменении нагрузки в широких пределах, что и обеспечивает работу тарелки в этом диапазоне нагрузок без провала жидкости.

На рис. 8 показана тарелка с прямоугольными (пластинчатыми) клапанами. В нерабочих условиях клапан действием своего веса закрывает отверстие (рис. 8 а)при подаче газа более легкая часть клапана приходит в предельное положение (рис. 8в).

Более распространены тарелки с круглыми, или дисковыми клапанами ("флекситрей"), показаны на рис. 9а. Отверстия в этих тарелках имеют диаметр 8 - 35 мм при шаге между ними 75-100 мм, диаметр клапанов около 50 мм. Высота поднятия клапанов составляет менее 6-7 мм и определяется высотой

Рис. 10 Колпачково - ситчатые тарелка.

ограничителя 2. Изображенная на рис 9,б б а л а с т н а я т а р е л к а является разновидностью клапанной. В этой тарелке над легким клапаном 1 помещен более тяжелый балласт 3, который опирается на тарелку так, что не препятствует подъему клапана. Тарелка работает в две стадии. Вследствие малого веса клапанов при небольших нагрузках по газу клапаны открываются. При повышении нагрузки клапан упирается в балласт и в дальнейшем поднимается вместе с ним. Испытания балластных тарелок показали их устойчивость и равномерную работу при десятикратном изменении нагрузок по газу.

К о л п а ч к о в о - с и т ч а т ы е т а р е л к и. Эти тарелки разработаны фирмой APV - West. Такая тарелка (рис. 10) снабжена туннельным колпачком, причем между ними установлены перфорированные листы. При малых нагрузках по газу тарелка работает как колпачковая, и газ, пробарботировавший через жидкость, проходит через перфорированный лист, на котором несоздается барботажный слой, и тарелка работает как ситчатая; при этом барботаж по выходе газа из-под колпака не происходит и последний служит лишь для прохода газа. Таким образом, эта тарелка работает устойчиво в широком диапазоне нагрузок.

Тарелки провального типа . Эти тарелки отличаются простотой конструкции, так как не имеют переливных устройств. При очень малых скоростях газа жидкость полностью протекает через отверстия. С повышением скорости газа жидкость начинает задерживаться на тарелке, и газ барботирует через жидкость. Барботаж на провальных тарелках происходит неравномерно: через часть отверстий движется газ, а через остальные отверстия протекает жидкость; при этом газ и жидкость попеременно проходят через одни и те же отверстия.

Чтобы жидкость проваливалась через отверстия, на тарелке должен быть определенный слой её, зависящий от скорости газа. При её повышении провал жидкости в первый момент прекращается и становится возможным лишь после того, как вследствие поступления на тарелку свежей жидкости установится новый, более высокий уровень жидкости.

Тарелки провального типа, как и ситчатые, могут работать только в сравнительно узком диапазоне нагрузок по газу, т.к. при малых нагрузках на тарелке отсутствует слой жидкости. На провальных тарелках происходит полное перемешивание жидкости, вследствие чего они по эффективности несколько уступают тарелкам перекрестного типа.

Рис. 11 Провальные тарелки:
а, б - решетчатые; в, г - трубчатые; 1 - щели; 2 - труба;
3 - перфорированный лист; 4 - коллекторы.

Дырчатые провальные тарелки (их называют также ситчатыми провальными тарелками), по конструкции близки к ситчатым, отличаясь лишь отсутствием переливного устройства.

Решетчатые, или щелевые, провальные тарелки (“Турбогрид”), показанные

на рис. 11,а, имеют прямоугольные фрезерованные или штампованные щели шириной 3-6 мм. Щели могут также образовываться путем набора тарелки из полос (колосников). В больших колоннах тарелку собирают из отдельных секций (рис. 11,б), в которых устроены короткие щели (длиной 60-120 мм).

Разновидностью провальных тарелок являются трубчатые, или трубчато – решетчатые тарелки, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся газ и жидкость. По трубам пропускают охлаждающую воду для отвода выделяющегося при абсорбции тепла. Две конструкции трубчатых тарелок показаны на рис. 11, в и г.

Испытан трубчатый абсорбер, в котором пучок вертикальных труб проходит через отверстия в тарелках. Эти отверстия имеют диаметр несколько больший, чем наружный диаметр труб; в результате образуются кольцевые зазоры для прохождения газа и жидкости. Охлаждающая вода стекает пленкой по внутренней поверхности труб.

Другой разновидностью провальных тарелок являются волнистые, или гофрированные тарелки, изображенные на рис. 12. Эти тарелки штампуются из металлических перфорированных листов толщиной 2.5-3 мм; диаметр отверстий 3-8 мм. Гофр имеет тем более крупные размеры, чем больше нагрузка по жидкости; отношение высоты гофра к расстоянию между гофрами h/b= 0.2-0.4.Тарелки располагают в колонне так, чтобы гофры смежных тарелок были взаимно

Рис. 12 Волнистая тарелка.

перпендикулярны. Считают, что волнистые тарелки могут работать в более широком диапазоне нагрузок и лучше работают при загрязнённых жидкостях, причем отверстия засоряются медленнее, чем в обычных провальных тарелках.

Тарелки с различной перфорацией представляют собой разновидность дырчатых тарелок. Испытанные Родионовым и др. тарелки с двойной перфорацией имели в центральной части отверстия малого диаметра (2 мм), а на остальной, кольцевой площади тарелки – отверстия крупного диаметра (6-8 мм). Площадь, занятая мелкими отверстиями, составляла 15 – 50 % от всей площади тарелки. В этих тарелках через мелкие отверстия проходит только газ, а через крупные – газ и жидкость. Таким образом, крупные отверстия играют роль переливного устройства. По данным испытаний, тарелки с двойной перфорацией устойчиво работают в более широком диапазоне нагрузок, чем другие типы провальных тарелок.

В последнее время предложены и испытаны клапанные провальные тарелки, в которых круглые отверстия или щели перекрыты клапанами. Подъем клапанов, как и в случае клапанных тарелок с переливами зависит от нагрузки по газу. Применение клапанов и в этом случае ведет к увеличению диапазона работы тарелки.

Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости. Предложено большое количество различных конструкций тарелок этого типа. Некоторые из них рассматриваются ниже. В тарелках Киттеля, показанной на рис. 13, отверстия образуются попарно двумя параллельными прорезями, причем полоска между этими прорезями изгибается так, что одна её сторона лежит ниже, а другая выше плоскости тарелки. Таким образом, плоскости отверстий расположены вертикально, а выходящий через отверстия газ движется сначала горизонтально, в результате чего жидкость на тарелке получает движение в том же направлении.

Направление движения жидкости определяется расположением отверстий. На тарелке А с круговым движением жидкость течет в направлении, указанном

Рис. 13 Тарелки Киттеля.

Рис. 14 Многоугольная тарелки Киттеля.

стрелками от сектора к сектору (см. рис. 13). На тарелке В жидкость движется радиально от периферии к центру. Обычно тарелки Киттеля устанавливают попарно с расстоянием между ними около 200 мм, причем на нижней жидкость имеет радиальное, а на верхней – круговое движение. Между парой тарелок иногда насыпают насадку из колец Рашига размером 25 мм. Над каждой парой этих тарелок устанавливают брызгоотбойную тарелку такой же конструкции, но с более широкими щелями. Описанные тарелки обычно не имеют переливных устройств. Особенностью тарелки Киттеля является относительно тонкий слой жидкости, который хорошо распределяется по всему сечению тарелки, и низкое гидравлическое сопротивление.

При больших нагрузках по жидкости и малых по газу (например, при абсорбции СО₂ водой под давлением) энергия газового потока недостаточна для создания направленного движения жидкости. В этом случае применяют многоугольные тарелки Киттеля

(рис. 14). Эти тарелки имеют переливные устройства, причем жидкость на смежных тарелках движется или от переферии к центру или от центра к периферии, совершая одновременно круговое движение по тарелке. Круговое движение сообщается жидкости вследствие ее поступления на тарелку через косо расположенные жалюзийные отверстия, а частично за счет энергии газа, поступающего на дно тарелки по отверстиям описанной выше формы.

Рис. 15 Тарелка из S-образных элементов (“Юнифлакс”).

Тарелка из S-образных элементов , иначе называемая “Юнифлакс”, показана на рис. 15. Тарелка собирается из штампованных S-образных элементов, которые образуют патрубки (колпачки) для прохода газа. С торцов патрубки закрыты заглушками.

Рис. 16 Струйные тарелки:
а - чешуйчатая; б - пластинчатая;
в - с отбойниками; г - каскадная Бентури.

С одной стороны каждого колпачка имеются трапециевидные прорези. Вследствие одностороннего выхода газа из-под колпачков создаётся направленное движение жидкости поперек элементов в сторону перелива.

Чешуйчатая (струйная) тарелка (рис. 16,а) имеет направляющие прорези чешуйчатой формы с отогнутой вверх вырезанной частью. Тарелка имеет переливное устройство, но без сливного порога. Эта тарелка, а также рассмотренные ниже ее модификации, работает в барботажном режиме лишь при сравнительно невысоких скоростях газа. При повышении скорости газа барботажный режим переходит в струйный (капельный), в котором сказывается направленное действие газовых струй. В струйном режиме сплошной фазой становится газ, а жидкость распыляется на капли. Такой режим отвечает наибольшей поверхности контакта фаз и является рабочей областью.

Видоизменением чешуйчатой тарелки является пластинчатая тарелка, изображенная на рис. 16,б. Тарелка собирается из наклонных пластин, между которыми движется газ, сообщая жидкости движение в сторону слива. Сливной порог отсутствует.

На рис. 16 показана струйная тарелка с отбойниками, разработанная в Гипронефтемаше. Основание тарелки и отбойники изготовлены из просечно – вытяжного листа. При этом отогнутые кромки листов основания образуют с плоскостью тарелки острый угол, направленный к переливу. На отбойниках отогнутые кромки направлены вниз в сторону слива жидкости и образуют с плоскостью тарелки острый угол.

При больших нагрузках по жидкости рекомендуют каскадную тарелку Бентури, показанную на рис. 16,г и некоторые другие конструкции.

Рис. 17 Тарелки с двумя зонами контакта.

Тарелки прочих типов. К этой группе относится тарелка с двумя зонами контакта, показанная на рис. 17, а. Тарелка представляет комбинацию барботажной тарелки с дополнительной зоной контакта фаз в межтарельчатом пространстве. Жидкость из барботажной части тарелки стекает через переливной патрубок 2 и далее, вытекая из кольцевой щели между обрезом патрубка 2 и распределительным диском 3, образует

Рис. 18 Пленочная тералка Лева
----- газ
- - - - жидкость.

пленку, перекрывающую поперечное сечение колонны (показана на рисунке пунктиром). Газ прорывается через пленку у переферии, причем при достаточно большой скорости газа происходит распад пленки на капли; при этом и образуется дополнительная (пленочная) зона контакта. Пленочная часть оказывает сепарирующее действие на газ и уменьшает брызгоунос. В аппаратах больших диаметров барботажную часть секционируют на отдельные ячейки с самостоятельным переливным патрубком в каждой секции (рис. 17,б). Были испытаны также пленочные тарелки, в которых отсутствует барботажная часть.

Пленочная тарелка Лева состоит из сплошного листа с закрепленными на нем патрубками, направленными вниз (рис. 18). Вытекающая через патрубки жидкость движется в виде пленки по тарелке, соприкасаясь с газом (пути движения газа и жидкости показаны на рисунке). Тарелки располагаются на малом (около 50 мм) расстоянии друг от друга и обладают очень низким гидравлическим сопротивлением (50 – 100 Па).