Апарати для проведення масообмінних процесів

 

Абсорбційні апарати

Типові конструкції абсорберів

 

В залежності від виду контакту потоків газу і рідини розрізняють: насадкові, розпилювальні, поверхневі і барботажні абсорбери.

 

Насадкові абсорбери

 

Являють собою колони 1, заповнені насадкою 2, укладеною в один або кілька шарів (рис. 4.1). Рідина поступає через розподільний пристрій 3, стікає по насадці у вигляді плівки, газ рухається протитечією. Як насадки використовують кільця, сідла, шматки коксу або кварцу, бруски дерева, поліетиленові розетки і т. ін. Вибір насадки визначається її хімічною і механічною стійкістю, а також характеристиками насадки: питомою поверхнею σ (м²/м³) і вільним об'ємом V_вільн.(м³/м³). У промисловості використовуються колони з діаметром 1000÷3000 мм.

Барботажні тарілчасті абсорбери

 

Це колонні апарати 1 з тарілками 2 різної конструкції (рис. 4.1 б). Працюють в протитечії газу з рідиною, яка переливається з тарілки на тарілку по зливних патрубках. Газ проходить через ковпачки і барботує через шар рідини на тарілці. Діаметр колон від 1000 до 3600 мм. Розподіл газу по перерізу колони здійснюється розподільним пристроєм 3. Вибір матеріалу колони визначається технологічними вимогами. Колони виготовляються зі сталі (ст. 3, Х18Н10Т), кераміки, чавуну, титану і графіту. В тарілчастих колонах легше відводити тепло, що виділяється при абсорбції.

 

Поверхневі абсорбери

 

Зазвичай виконуються з кераміки і використовуються при виділенні розчинних компонентів і одночасному відведенні теплоти (рис. 4.1 в). Застосовуються обмежено.

 

Плівкові абсорбери

Працюють при протитечії і прямотечії газу й рідини (рис. 4.1 г). Рідина подається зверху, розподіляється по трубах або вертикальних пластинах і стікає вниз тонкою плівкою. Назустріч рухається потік газу, взаємодія газу і рідини відбувається в тонкому шарі. Абсорбери відрізняються малим незначним гідравлічним опором, особливо при низхідній плівці і значною поверхнею контакту фаз. У них зручно відводити теплоту, що виділяється.

Розпилювальні абсорбери

 

У таких абсорберах поверхня контакту фаз утворюється при розпилюванні рідини в газі на дрібні краплини за допомогою форсунок, за рахунок кінетичної енергії рухомого потоку, або за рахунок деталей, що обертаються. Газ рухається в протитечії з падаючими краплинами рідини і через патрубок виходить з абсорберу; рідина зливається з нижнього патрубка. Апарати прості за будовою, відрізняються малим гідравлічним опором, можуть працювати із забрудненими газами. Їхня ефективність невисока, особливо при малих навантаженнях по рідині. Для підвищення інтенсивності застосовують швидкісні прямотечійні абсорбери.

 

 

а	б	в
г	д
Рис. 4.1. Типові конструкції абсорберів:   а) насадковий: 1 – корпус; 2 – насадка; 3 – розподільний пристрій для рідини; б) тарілчастий (барботажний): 1 – корпус; 2 – тарілки; 3 – розподільний пристрій; в) поверхневий; г) плівковий; д) розпилювальний:.

Типи насадок

 

За існуючою класифікацією насадки поділяють на регулярні (правильно укладені) і нерегулярні (засипані навалом).

Нерегулярну насадку застосовують в процесах масообміну, що протікають під тиском або під невеликим вакуумом. Її виготовляють з металів, полімерів, кераміки. Останні два матеріали використовують для агресивних середовищ.

Досить поширена нерегулярна насадка у вигляді кілець Рашига (рис. 4.2 а) та їх модифікацій. Вона недорога, досить ефективна, виготовляється різних розмірів (діаметр насадкових тіл коливається у межах 5÷150 мм, найчастіше застосовуються кільця діаметром 25 і 50 мм. Кільця малого розміру дають великий гідравлічний опір.

Для підвищення ефективності масообміну кільця виготовляють перфорованими і з внутрішніми перегородками. У Німеччині використовуються кільцева насадка розміром 50×50×5 мм з корозійно-стійкої сталі – кільця Палля (рис. 4.2 б). На циліндричній поверхні насадки відштамповані й відігнуті усередину пелюстки шириною 10 мм. Механічну міцність забезпечують кільцеві гофри, що служать також для перерозподілу рідини.

Різновидом кілець Палля є насадка «хай-пак», що випускається в США, яка відрізняється від останньої кількістю і розташуванням пелюсток. До кільцевої насадки з перфорованою циліндровою частиною і пелюстками відноситься насадка «каскад-міні-ринг», (рис. 4.2 в).

 

а	б	в	г	д	е
Рис. 4.2. Нерегулярні насадки: а) кільца Рашига; б) кільцева Палля; в) каскад-міні-ринг, г) сідлоподібна; д) насадка Берля; е) «Інталокс метал».

 

Сідлоподібна насадка «Інталакс», (рис. 4.2 г), має велику питому поверхню і високу здібність до перерозподілу рідини по перерізу колони. Такій характеристиці відповідає й насадка Берля, (рис. 4.2 д). Їх виготовляють з кераміки і пластмаси. Пластмасова насадка «Сюпе торус садлес» відрізняється від сідел «Інталокс» наявністю отворів в центрі сідла і гофрів по краях, що покращує її ефективність і розподіл рідини.

Особливе місце серед сідлоподібних насадок посідає насадка «Інталокс метал», (рис. 4.2 е), яка має високу ефективністю і малий гідравлічний опір, що дозволяє використовувати її під вакуумом.

Регулярна насадка в порівнянні з нерегулярною має менший гідравлічний опір і особливо придатна для процесів вакуумної ректифікації.

Проста регулярна насадка – плоскопаралельна (рис. 4.3 а). Набирається з металевих пластин, завтовшки 0,4÷1,2 мм, розташовані паралельно із зазором 10÷20 мм. Висота пакету 40÷1000 мм. Пакети встановлюють один над іншим з кутом повороту 45-90°. Стійко працює в широкому діапазоні продуктивності по газу F =3,6÷8 (м/с)·(кг/м³)^-0,5 і по рідині L= 0,3÷50 (м/с)·(кг/м³)^-0,5. В залежності від продуктивності забезпечує висоту одного теоретичного ступеня в межах 0,6÷1,5 м. Недоліки – висока металоємність, поганий перерозподіл рідини, низька ефективність.

Для підвищення ефективності листи насадки виконують з рифленням або з вікнами і відігнутими в різні боки пелюстками – насадка ЛТІ, (рис. 8.3 б). Пелюстки утворюють контактні камери, в яких газ підіймаючись вгору, міняє напрям, а рідина, стікаючи з пелюстки на пелюстку, розпилюється висхідним газовим потоком.

Гофрована насадка (рис. 4.3 в) в порівнянні з плоскопаралельною володіє меншим бризковинесенням. Вона складається з вертикальних металевих листів з рифленням. Зазори між листами забезпечують дистанційні планки, встановлені вертикальні на відстані 250 мм одна від одної. Листи до них приварюються точковою зваркою (рис. 4.3 г).

Різновидом гофрованої насадки, є z-подібна, яка виготовляється з перфорованого листу, (рис. 4.3 д). За основними технологічними параметрами вона на 15-20% перевершує плоскопаралельну.

Стільникова або щілиста насадка (рис. 4.3 е) утворена з гофрованих вертикальних листів, поставлених так, що по висоті пакету утворюються ізольовані вертикальні канали. Листи сполучають в пакети товщиною 400÷1000 мм точковим зварюванням. Ефективність у 2-3 рази вища, ніж у плоскопаралельної. Така насадка дозволяє проводити охолоджування або нагрівання контактуючих фаз. Недоліки – нерівномірність зрошування в каналах і накопичення рідини в кутках каналу.

 

а	б	в	г	д
е	є	ж	з

 

Рис. 4.3. Регулярная насадка:

а) плоскопаралельна; б) гофрована насадка; в) дистанційні планки; г) z –подібна; д) насадка конструкції ЛТІ; е) стільникова; є) насадка з гофрованої сітки; ж) «Зульцер» з гофрованої сітки; з) «Ролі Пак».

 

Хороші характеристики мають насадки з дротяної сітки – насадка «Гудлоу» (рис. 4.3 є). Гофрована сітка згортається в рулон, утворюючи пакет; гофри розташовані під кутом 60° до вертикалі. Висота пакету 150-200 мм, товщина дротинок 0,1-0,2 мм.

Високу ефективність мають насадки «Зульцер», (рис. 4.3 ж) з гофрованої сітки і «Ролі пак», яка складається з похилих листів з прорізами, (рис. 4.3 з).