Насадочные контактные элементы

Насадочная колонна, наиболее простая по конструкции, представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный по всей высоте или на отдельных участках так называемой насадкой – определенных размеров и конфигурации телами из инертных материалов.

В насадочных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

Насадка предназначена для создания большой поверхности контакта фаз между стекающей по ней жидкостью и поднимающимся потоком паров и интенсивного перемешивания их.

Контакт и массобмен в насадочной колонне происходит непрерывно на всем участке колонны, заполненном насадкой. Этим и отличается работа насадочной колонны от тарельчатой.

Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции, а также очистки, охлаждения и увлажнения газов. Некоторое применение они находят и для процессов ректификации. Насадочные колонны удовлетворительно работают только при обильном и равномерном орошении насадки жидкостью.

Насадочные колонны применяются в малотоннажных производствах, а также в тех случаях, когда необходимо, чтобы задержка жидкости в колонне была невелика, а перепад давления мал. Благодаря созданию различных эффективных насадок (седла Берля, кольца Палля и др.), в последние годы повысился интерес к насадочным колоннам; их стали применять и для многотоннажных производств. Если использование тарельчатых или насадочных колонн является альтернативным, вопрос должен решаться на основе технико- экономических расчетов.

Различается два основных режима работы аппаратов:

– пленочный режим, при котором жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки;

– эмульгационный режим, когда весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами насадки барботирует газ.

К основным элементам насадочных колонн относятся: насадка, устройства для орошения и распределения жидкости, опорные колосники и другие устройства, поддерживающие слой насадки (см. рисунки 2.4 и 2.10).

В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рисунок 2.31), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного массообменного процесса.

Насадки, изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

Насадки условно подразделяются на насадки нерегулярного типа и регулярного.

Нерегулярную насадку применяют в процессах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого вакуума. Эта насадка обладает рядом преимуществ, одно из которых состоит в практическом отсутствии проблемы выбора материала.

Насадку можно изготавливать из металлов, полимеров, керамики. Полимерная и керамическая насадка наиболее приемлема для обработки агрессивных сред. Нерегулярная насадка имеет существенные преимущества по сравнению с регулярной по технологии изготовления, транспортирования и монтажа.

По конструктивным признакам эту насадку можно разделить на кольца и седла, хотя в отечественной и зарубежной практике применяют насадочные тела и других форм [3].

 

а) кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом); б) кольца с перегородками, правильно уложенные; в) насадка Гудлое; г) кольца Паля; д) насадка «Спрейпак»; е) седла Берля; ж) хордовая насадка; з) седла «Инталлокс»

Рисунок 2.31 – Различные типы насадок

 

К насадкам нерегулярного типа относятся беспорядочно уложенные (навалом) насадки из колец Рашига, седла «Инталлокс», кольца Паля и т.д. (см. рисунок 2.31 а, б, г, е, з).

Наиболее широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец – кольца Рашига, диаметр которых изменяется в пределах 15–150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом (рисунок 2.31а).

Насадка малых размеров и сложной конфигурации имеет большую поверхность контакта фаз, но создает повышенное сопротивление.

Кроме того, при выборе размеров насадки необходимо знать, что мелкая насадка менее прочна и быстро забивается твердыми отложениями.

Вместе с тем в последние годы были предложены различные конструкции насадочных элементов, рабочие характеристики которых лучше, чем у колец Рашига.

В последние годы широкое распространение получили кольца Паля, изготовленные из металла, керамики или пластмасс. Отличительной характеристикой этой насадки является практическое постоянство эффективности в широком интервале изменения нагрузок. Хорошими рабочими характеристиками обладают также насадки из элементов седлообразного профиля – седла Берля и Инталлокс.

Кольца с перфорированными стенками позволяют существенно повысить производительность и эффективность ректификационной аппаратуры.

Из-за хаотического распределения тел в объеме насадки образуются избирательные каналы, по которым преимущественно проходит пар или жидкость, в результате происходит неравномерное распределение контактирующих фаз по высоте слоя. В этом существенный недостаток насадок нерегулярного типа.

Неравномерность распределения связана с высотой слоя и диаметром. В связи с этим не рекомендуется применять насадки нерегулярного типа в колоннах диаметром более 2 метров, а также использовать высокие слои насадки без промежуточных перераспределителей потоков.

Отмеченные выше недостатки насадок нерегулярного типа преодолены в конструкциях насадок регулярного типа, т.е. правильно уложенной насадки. Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку – регулярной. Расположение элементов в определенном порядке обеспечивает равномерное распределение контактирующих фаз по площади колонны и позволяет получить высокую эффективность массопередачи и одновременно низкое гидравлическое сопротивление (см. рисунки 2.4, 2.10, 2.11).

Примером насадки регулярного типа являются те же кольца Рашига, Паля и т.д. если они укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рисунок 2.31б). Обычно для этого применяют большие кольца (размером не менее 50х50 мм).

За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки (рисунок 2.31д), а также насадка из стеклянного волокна.

Данные насадки обеспечивают низкое гидравлическое сопротивление, что особенно важно для вакуумных колонн. Насадки указанных типов применяют для колонн, работающих под атмосферным или более высоким давлением, а также в условиях умеренного вакуума.

Кроме того, к наиболее известным конструкциям регулярных насадок относятся: Клитч-Грид, плоскопараллельная, Зульцер, Перформ-Грид, ромбовидная ВНИИнефтемаша и т.д.

Простейшая регулярная насадка – плоскопараллельная – представляет собой пакеты, набираемых из плоских вертикальных, обычно металлических пластин толщиной 0,4–1,2 мм, расположенных параллельно с одинаковым зазором 10–20 мм. Высота пакета пластин 400–1000 мм. Для повышения равномерности распределения жидкости в колонне пакеты устанавливают один над другим взаимно повернутыми на угол 45–90^○.

Недостаток этой насадки – высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно низкая эффективность.

Для устранения последнего недостатка листы плоскопараллельной насадки выполняют с рифлением или с различными турбулизирующими элементами.

Хорошие характеристики имеют насадки из проволочной сетки. Примером может служить насадка Гудлоу – пакеты свернутой в рулон гофрированной проволочной сетки (диаметр проволки 0,1 мм). Гофры расположены под углом 60^○ к вертикали, высота пакета насадки 100–200 мм.

В последние годы в России и за рубежом разработаны различные виды новой высокоэффективной насадки. Примерами могут служить насадки «Зульцер», «Вакупак», «Кедр» (рисунок 2.32).

 

Рисунок 2.32 – Регулярные насадки Вакупак и Кедр

 

Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в колонну навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа.

К недостаткам аппаратов с регулярной насадкой следует отнести трудность отвода тепла и плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, их высокую чувствительность к равномерности орошения. Поэтому для улучшения смачивания регулярных насадок и устранения неравномерности орошения необходимо применять более сложные по конструкции оросители.

Все насадочные колонны мало пригодныдля работы с загрязненными жидкостями. Для таких жидкостей в последнее время стали применять колонны с «плавающей» насадкой. В них в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние.

Кроме того, для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем тарельчатые.

Основными достоинствами насадочных колонн являются: простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление.