Основы классификации тарельчатых массообменных устройств

В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, многие из которых имеют лишь чисто познавательное значение. Другие конструкции, хотя и различаются отдельными элементами, в практической области имеют равноценные основные показатели. Вплоть до настоящего времени нет достаточно стройной классификации тарельчатых устройств, хотя попытки в этом направлении делались неоднократно. Поэтому здесь будут приведены лишь общие принципы, которые позволят ориентироваться во всем многообразии имеющихся конструкций тарелок и производить их предварительную оценку. Одна из возможных классификаций приведена на рисунке 2.12 [5, 8].

Тарельчатые контактные устройства

По способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз

По регулируемости сечения контактирующих фаз

По способу межступенчатой передачи жидкости

По характеру взаимодействия газового и жидкостного потоков

противоточные

прямоточные

перекрестно-точные

перекрестно-прямоточные

с не регулируемым сечением

с регулируемым сечением

с переточными устройствами

провального типа

барботажного типа

струйного типа

 

Рисунок 2.12 – Классификация тарельчатых контактных уст ройств

По способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз тарелки подразделяются на противоточные, прямоточные, перекрестноточные, перекрестно-прямоточные.

Противоточные (рисунок 2.13) тарелки характеризуются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью.

Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение. Наиболее характерна для противоточного типа решетчатая провальная тарелка.

 

а – перекрестноточная схема; б – перекрестно- прямоточная;

в – противоточная; г – прямоточная

Рисунок 2.13 – Основные схемы движения пара и жидкости

В контактной зоне тарелки

 

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, предпочтительны для применения в процессах разделения под давлением. Примером тарелки такого типа является вихревая тарелка с закрученным восходящим потоком пара и жидкости. Противоточные тарелки отличаются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и сравнительно небольшой металлоемкостью. Недостаток тарелок этого типа – невысокая эффективность, узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению и снижение эффективности при увеличении производительности или диаметра колонны.

Перекрестноточныетарелки характеризуются в целом наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами тарелок. Наиболее представительными конструкциями этой группы тарелок являются тарелки с круглыми колпачками, S-образные и клапанные типа Глитч.

В перекрестно-прямоточных тарелках используется энергия пара для организации движения жидкости по тарелке и отделения жидкости от пара после осуществления контакта. Перекрестно-прямоточное движение исключает поперечную неравномерность и обратное перемешивание, улучшает сепарацию жидкости и, следовательно, повышает производительность тарелки. К данному виду тарелок относится ситчатая тарелка с отбойными элементами.

По регулируемости сечения контактирующих фаз различают тарелки с регулируемым и нерегулируемымсечением.

К тарелкам с регулируемым сечением относятся в основном клапанные тарелки следующих конструкций: клапанные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжекционными клапанами; клапанные с балластом; комбинированные колпачково-клапанные.

Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10–15% площади сечения колонны.

К тарелкам с нерегулируемым сечением контактирующих фаз относятся: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые с круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-образными, желобчатыми колпачками и т.д.

По способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провального типа.

У тарелок с переточными устройствами жидкость перетекает с тарелки на тарелку через специальные каналы, которые не предназначены для потока паров. В качестве таких каналов могут использоваться переливные трубы, плоские сливные перегородки и т.д.

В зависимости от нагрузки по жидкости ее переток с тарелки на тарелку может осуществляться одним, двумя, тремя и более потоками, а тарелки соответственно называются одно, двух, трех и более поточными.

У тарелок провального типа нет переливных устройств, пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия (каналы, прорези), при этом места стока жидкости и прохода паров перемещаются по площади тарелки случайным образом. Отверстия работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие жидкость, затем их роли меняются. К такому типу тарелок относятся ситчатые и решетчатые тарелки.

В соответствии с приведенной классификацией (см. рисунок 2.12) по характеру взаимодействия газового и жидкостного потока тарелки можно подразделить на барботажные и струйные.

Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются барботажными. Независимо от типа тарелок принцип работы барботажных тарелок заключается в том, что на тарелках пар (газ), диспергируя на мелкие пузырьки и струи, с большой скоростью проходит через слой жидкости. Образующаяся при этом газожидкостная система называется пеной. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара почти в вертикальном направлении, т.е. контакт фаз осуществляется по схеме перекрестного тока. Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара.

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

Тарелки барботажного типа могут иметь стесненное или свободное зеркало барботажа. 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 25…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 70…90% рабочей площади тарелки.

На с труйных тарелках дисперсной фазой является жидкость, сплошной – газ; потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке. При этом создается прямоточное движение фаз в пределах всей тарелки или отдельных ее участков.