3.2 Насадочні абсорбери
Широке поширення в промисловості як абсорбери отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадочній колоні (рис.7) насадка 1 укладається на опорні ґрати 2, що мають отвори або щілини для проходження газу та стоку рідини. Остання за допомогою розподільника 3 рівномірно зрошує насадні тіла та стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілу рідини по перерізу колони зазвичай не досягається, що пояснюється пристіночним ефектом більшою щільністю укладання насадки в центральній частині колони, ніж у її стінок. Внаслідок цього рідина має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметра насадку іноді укладають шарами (секціями) заввишки 2-3 м і під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють перерозподільники 4 рідини.
У насадочній колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадкові апарати можна розглядати як різновид плівкових. Однак в останніх плівковий перебіг рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадочних абсорберах лише по висоті елемента насадки. При перетіканні рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується і на елементі нижче утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді струмків, крапель та бризок. Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою (застійною) рідиною.
Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м2/м3) та вільний об'єм e (м3/м3). Величину вільного об'єму для непористої насадкизазвичай визначають шляхом заповнення насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, який займає насадка, дає величину e. Еквівалентний діаметр насадки знаходиться за формулою
Гідродинамічні режими. Насадкові абсорбери можуть працювати у різних гідродинамічних режимах.
Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликих щільності зрошення і малих швидкостях газу. Кількість рідини, що затримується в насадці, при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.
Другий режим – режим підвисання. При протитоку фаз внаслідок збільшення сил тертя газу рідину на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. В результаті цього швидкість течії рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість рідини, що утримується в насадці, збільшуються. У режимі підвисання зі зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно інтенсивність процесу масопередачі. У режимі підвисання спокійне протягом плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто. створюються умови початку барботажу. Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини у вільному обсязі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікаючою рідиною і газом, що піднімається по колоні, не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці. При цьому настає обіг або інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ дисперсною). Утворюється газо-рідинна дисперсна система, що на вигляд нагадує барботажний шар (піну) або газо-рідинну емульсію. Режим емульгування починається у найвужчому перерізі насадки, щільність засипки якої, яквказувалося, нерівномірна за перерізом колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений на всій висоті насадки. Гідравлічний опір колони у своїй різко зростає.
Режим емульгування відповідає максимальній ефективності насадочних колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки (і не стільки) геометричною поверхнею насадки, а поверхнею бульбашок і струменів газу рідини, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Однак при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно великий.
У режимах підвисання та емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має суттєвого значення (наприклад, у процесах абсорбції, які проводяться при підвищеному тиску). Для абсорберів, які працюють при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великою, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найефективніший гідродинамічний режим у кожному даному випадку можна встановити лише шляхом техніко-економічного розрахунку.
У стандартних насадочних колонах підтримка режиму емульгування становить великі проблеми. Є спеціальна конструкція насадочних колон із затопленою насадкою, які називають емульгаційними (рис.XI-14). У колоні 1 режим емульгування встановлюють і підтримують за допомогою зливної труби, виконаної у вигляді гідравлічного затвора 2. Висоту емульсії в апараті регулюють за допомогою вентилів 3. Для більш рівномірного розподілу газу по перерізу колони в ній є тарілка 4. Емульгаційні колони можна розглядати умовно. У цих колонах механізмвзаємодії фаз наближається до барботажного.
Межею навантаження насадкових абсорберів, що працюють у плівковому режимі, є точка емульгування, або інверсія. У звичайних насадочних колонах плівковий режим нестійкий і відразу перетворюється на захлибування. Тому цю точку називають точкою захлинування насадочних колон. Зі збільшенням швидкості зрошення знижується гранична швидкість газу. У точці інверсії швидкість газу зменшується також із збільшенням в'язкості рідини та зниженням її щільності. При однакових витратах газу та рідини швидкість газу, що відповідає точці інверсії, вища для більшої насадки.
Четвертий режим - режим винесення, або зверненого руху рідини, що виноситься з апарата газовим потоком. Цей режим практично не використовується.
Вибір насадок. Для того щоб насадка працювала ефективно, вона повинна задовольняти наступним основним вимогам: 1) мати велику поверхню в одиниці об'єму; 2) добре змочуватися зрошуваною рідиною; 3) чинити малий гідравлічний опір газовому потоку; 4) рівномірно розподіляти зрошуючу рідину; 5) бути стійкою до хімічного впливу рідини та газу, що рухаються в колоні; 6) мати малу питому вагу; 7) мати високу механічну міцність; 8) мати низьку вартість.
Насадок, що повністю задовольняють усім зазначеним вимогам, не існує, тому що, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки тягне за собою збільшення гідравлічного опору апарату та зниження граничних навантажень. У промисловості застосовують різноманітні за формою та розмірами насадки (рис.XI-15), які тією чи іншою мірою задовольняють вимоги, що є основними при проведенні конкретного процесу абсорбції. Насадки виготовляють із різноманітних матеріалів(кераміка, порцеляна, сталь, пластмаса та ін.), вибір яких диктується величиною питомої поверхні насадки, змочуваністю та корозійною стійкістю.
Як насадку використовують також засипані навалом у колону шматки коксу або кварцу розмірами 25-100 мм. Однак внаслідок низки недоліків (мала питома поверхня, високий гідравлічний опір та ін.) кускову насадку в даний час застосовують рідко.
Широко поширена насадка у вигляді тонкостінних керамічних кілець висотою, що дорівнює діаметру (кільця Рашига), який змінюється в межах 15-150 мм. Кільця малих розмірів засипають в абсорбер навалом. Великі кільця (розмірами не менше 50 50 мм) укладають правильними рядами, зрушеними один щодо одного. Цей спосіб заповнення апарата насадкою називають завантаженням в укладання, а завантажену таким чином насадку регулярною. Регулярна насадка має ряд переваг перед нерегулярною, засипаною в абсорбер навалом: має менший гідравлічний опір, допускає більші швидкості газу. Однак для покращення змочування регулярних насадок необхідно застосовувати складніші за конструкцією зрошувачі. Хордова дерев'яна насадка зазвичай використовують у абсорберах, мають значний діаметр. Основна її перевага - простота виготовлення, недоліки - відносно невелика питома поверхня і малий вільний обсяг.
За останні роки стали застосовуватися спіральні насадки, виготовлені з металевих стрічок та дроту, різні металеві сітчасті насадки, а також насадки зі скляного волокна.
При виборі розмірів насадки слід враховувати, що чим більші розміри її елемента, тим вище допустима швидкість газу (і відповідно продуктивність абсорбера) і нижче його гідравлічний опір.Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижчою за рахунок зменшення діаметра апарату, незважаючи на те, що його висота дещо збільшиться порівняно з висотою апарата, що має насадку менших розмірів (внаслідок зниження величини питомої поверхні насадки та інтенсивності масопередачі).
Дрібна насадка краще також при проведенні процесу абсорбції під підвищеним тиском, т.к. у цьому випадку гідравлічний опір абсорбера не має суттєвого значення. Крім того, дрібна насадка, що має більшу питому поверхню, має переваги перед великою тоді, коли для здійснення процесу абсорбції необхідна велика кількість одиниць перенесення або теоретичних ступенів зміни концентрацій.
Основні переваги насадочних колон є простота пристрою та низький гідравлічний опір. Недоліки: труднощі відведення тепла та погана змочуваність насадки за низьких щільностей зрошення. Відведення тепла з цих апаратів та поліпшення змочуваності досягаються шляхом рециркуляції абсорбенту, що ускладнює та подорожчає абсорбційну установку. Для проведення того самого процесу потрібні насадкові колони зазвичай більшого обсягу, ніж барботажні.
Насадкові колони мало придатні під час роботи із забрудненими рідинами. Для таких рідин останнім часом стали застосовувати абсорбери з «плаваючою» насадкою. У цих абсорберах як насадка використовують головним чином легкі порожнисті або суцільні пластмасові кулі, які при досить високих швидкостях газу переходять у зважений стан.
В абсорберах з «плаваючою» насадкою допустимі вищі швидкості газу, ніж в абсорберах з нерухомою насадкою. При цьому збільшення швидкості газу призводить до великого розширення шару куль.і, отже, до незначного збільшення гідравлічного опору апарату.