Конструкція насадочних абсорберів
Широке поширення промисловості як абсорберів отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадочній колоні (малюнок 3) насадка 1 укладається на опорні решітки 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 рівномірний розподіл рідини 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.
Малюнок 3 - Насадочний абсорбер:
1 - насадка: 2 - опорні грати; 3 – розподільник рідини; 4 – перерозподільник 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 за висотою 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 буваєзмочена нерухомою (застійною) рідиною.
Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м 2 /м *) та вільний об'єм ε (м 3 / м 3). Вільний обсяг непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення об'єму насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, який займає насадка, дає величину ε. Еквівалентний діаметр насадки
Гідродинамічні режими. Насадкові абсорбери можуть працювати у різних гідродинамічних режимах. Ці режими видно з графіка (рис. XI-13), що виражає залежність гідравлічного опору насадки зрошуваної від фіктивної швидкості газу в колоні.
Рисунок 4 – Залежність гідравлічного опору насадки від швидкості газу колоні (L=const):
1 – суха насадка; 2 - зрошувана насадка.
Перший режим – плівковий – спостерігається при невеликих щільностях зрошення та малих швидкостях газу. Кількість рідини, що затримується в насадці, при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу. Плівковий режим закінчується в першій перехідній точці (точка А, рисунок 4), яка називається точкою підвисання.
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 інтенсивність процесу масопередачі. Цей режим закінчується в другій перехідній точці (точка, малюнок 4), причому в режимі підвисання спокійний перебіг плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботажу.Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає внаслідок 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, як вказувалося, нерівномірна по перерізу колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений на всій висоті насадки. Гідравлічний опір колони у своїй різко зростає (на малюнку 4 цей режим характеризується майже вертикальним відрізком ВС).
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, що працюють при атмосферному тиску, гідравлічний опір може виявитися неприпустимо великим, 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 (рисунок 5). 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 механізм взаємодії фаз наближається до барботажного.
Малюнок 5 - Насадна емульгаційна колона: 1 - колона; 2 - гідравлічний затвор; 3 – вентиль; 4 – розподільна тарілка.
Межею навантаження насадкових абсорберів, що працюють у плівкових режимах, є точка емульгування, або інверсії. У звичайних насадочних колонах режим емульгування нестійкий і відразу перетворюється на захлибування. Тому цю точку називають точкою захлинування насадочних колон. Фіктивна швидкість W3 газу, що відповідає межі навантаження, визначається за рівнянням
де Sсв - вільний переріз насадки, м2/м2; а - питома поверхня насадки, м2/м3; L' і G' - витрати рідини та газу, кг/сек.
З рівняння (16) можна зробити висновок, що зі збільшенням щільності 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.
Фізична та математична моделі утримуючої здатності насадки