7.2.2. Тарілчасті абсорбери

Тарілчасті абсорбери зазвичай являють собою вертикальні циліндри − колони, всередині яких на певній відстані один від одного по висоті колони розміщуються горизонтальні перегородки-тарілки. Тарілки служать для збільшення поверхні контакту фаз при направленому русі цих фаз (рідина тече зверху вниз, а газ проходить від низу до верху) і багатократній взаємодії рідини і газу.

На кожній тарілці, залежно від її конструкції, можна підтримувати той або інший вид руху фаз (зазвичай перехресний потік або повне перемішування рідини).

Тарілки можна підрозділити на три основні групи:

1. тарілки перехресного типу, в яких рух газу і рідини здійснюється перехресним потоком. Ці тарілки мають спеціальні переливні пристрої для перетікання рідини з однієї тарілки на іншу, причому газ по переливах не проходить.

2. тарілки провального (беспереливного) типу, в яких переливні пристрої відсутні, так що газ і рідина проходять через одні і ті ж отвори. На цих тарілках контакт газу і рідини здійснюється по схемі повного перемішування рідини.

3. тарілки з однонаправленим рухом газу і рідини (прямоточні). В даному випадку газ виходить з отворів у напрямі руху рідини по тарілці; це викликає зниження повздовжнього перемішування рідини і сприяє руху рідини, що призводить до зменшення гідравлічного градієнта.

За способом зливу рідини з тарілки абсорбери цього типу підрозділяють на колони з тарілками із зливними пристроями і з тарілками без зливних пристроїв (із неорганізованим зливом рідини).

До тарілчастих апаратів із зливними пристроями відносяться колони з ковпачковими, сітчастими, клапанними і іншими тарілками. Ці тарілки мають спеціальні пристрої для перетікання рідини з однієї тарілки на іншу − зливні трубки, кишені і ін. Нижні кінці зливних пристроїв занурені в рідину на розташованих нижче тарілках для створення гідрозасува, що запобігає проходженню газу через зливний пристрій.

П ринцип роботи абсорберів такого типу показаний на рис. 7.5, а на прикладі колони з ковпачковими тарілками. Рідина подається на верхню тарілку, рухається уздовж тарілки від одного зливного пристрою до іншого, перетікає з тарілки на тарілку і віддаляється з нижньої частини абсорбера. Переливні пристрої на тарілках розташовують так, щоб рідина на сусідніх по висоті апарату тарілках протікала у взаємно протилежних напрямах. Газ поступає в нижню частину абсорбера, проходить через прорізи ковпачків (у інших абсорберах через отвори, щілини і так далі) рис. 7.5, в і потім потрапляє в шар рідини на тарілці, висота якого регулюється в основному висотою зливного порогу. При цьому газ в рідині розподіляється у вигляді бульбашок і струменів, утворюючи в ній шар піни, в якій відбуваються основні процеси массо- і теплообміну. Ця піна нестабільна, і при підході її до зливного пристрою рідина освітлюється. Пройшовши через всі тарілки, газ йде з верхньої частини апарату.

Рис. 7.5. Будова колони і ковпачкових тарілок з капсульними ковпачками

а − колона з тарілками; б − дві сусідні тарілки; в − капсульний ковпачок; г − форми капсульних ковпачків (1 − тарілки; 2 − газові (парові) патрубки; 3 − круглі ковпачки; 4 − переточні перегородки (або труби) з порогами; 5 − гідравлічні затвори; 6 − корпус колони)

Для тарілчастих колон із зливними пристроями характерна гідродинамічна нерівномірність по довжині тарілки, яка є наслідком гідравлічного опору руху рідини по довжині тарілки. Ця нерівномірність пояснюється тим, що при русі рідини по тарілці її рівень підвищується (наприклад, через наявності ковпачків або під дією перпендикулярного потоку газу, що проходить через рідину), і по довжині шляху руху рідини виникає гідравлічний градієнт. Таке явище призводить до нерівномірного розподілу газу за площею тарілки: велика частина газу рухається через частину тарілки, прилеглу до зливного порогу, де рівень рідини нижчий, що стає особливо помітним на тарілках великих діаметрів, коли величина гідравлічного градієнта є значною. Для зниження гідравлічного градієнта в апаратах великого діаметру (від 1…2 м і вище) зменшують шлях проходження рідини (рис. 7.5, б, в).

Рис. 7.6. Деякі типи зливних пристроїв тарілчастих колон

а − однопоточний пристрій із зливними перегородками 1; б − двохпотоковий пристрій із зливними перегородками 1; в − пристрій для радіального напряму рідини з переливними трубами 2

Основний вплив на ефективність тарілок будь-яких конструкцій роблять гідродинамічні умови їх роботи. Залежно від швидкості газу розрізняють три основні гідродинамічні режими роботи тарілчастих апаратів: бульбашковий, пінний і струменевий (або інжекційний). Ці режими розрізняються структурою газорідинного шару на тарілці, яка в основному визначає його гідравлічний опір, висоту і поверхню контакту на тарілці.

Вибрати оптимальний контактний пристрій з великої кількості різних типів тарілок досить складно. Приведені нижче конструкції тарілок (рис. 7.7) характеризуються наступними показниками.

Рис. 7.7. Конструкції тарілок

а, б, в − ковпачкова; г, д, е − сітчаста; ж, з − решітчаста (провальна)

Ковпачкові тарілки стійко працюють при значних змінах навантажень по газу і рідині. Цей показник дуже важливий при організації процесу у виробничих умовах. Але недоліки ковпачкових тарілок досить істотні − вони складні за будовою, для їх виготовлення потрібні великі витрати металу, вони відрізняються великим гідравлічним опором і малою гранично допустимою швидкістю газу. Тому колони з ковпачковими тарілками витісняються ефективнішими конструкціями тарілчастих апаратів.

Будова тарілчастої колони з ковпачковими тарілками і розташування її конструктивних елементів показані на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Абсорбер з ковпачковими тарілками

Сітчасті тарілки. Ці тарілки (рис. 7.9) мають велике число отворів діаметром 2...8 мм, через які проходить газ в шар рідини на тарілці. Рівень рідини на тарілці підтримується переливним пристроєм 2.

Рис. 7.9. Пристрій колони з сітчастими переточними тарілками

а − колона з тарілками; б − дві сусідні тарілки; 1 − тарілки; 2 − переточні перегородки або труби з порогами; 3 − гідравлічні тарілки затвори; 4 − корпус колони

При дуже низькій швидкості газу його тиск не може утримати шар рідини, відповідний висоті переливу, і рідина може просочуватися (або “провалюватися”) через отвори тарілки на нижче розташовану тарілку, що призводить до істотного зниження рушійної сили процесу абсорбції. Тому газ повинен рухатися з певною швидкістю і мати тиск, достатній для того, щоб подолати тиск шару рідини на тарілці і запобігти перетіканню рідини через отвори тарілки. Таким чином, сітчасті тарілки володіють більш вузьким діапазоном роботи в порівнянні з ковпачковими.

До переваг сітчастих тарілок відносяться простота будови, легкість монтажу і ремонту, порівняно низький гідравлічний опір, достатньо висока ефективність. Проте ці тарілки чутливі до забруднень і осаду, які забивають їх отвори. Якщо відбувається раптове припинення подачі газу або істотне зниження його тиску, то з сітчастих тарілок зливається вся рідина, і для відновлення нормальної роботи апарату необхідно заново запускати колону.

Клапанні тарілки. Принцип дії цих тарілок (рис. 7.10, а) полягає в тому, що клапан 2, вільно лежачий над отвором в тарілці 1, із зміною витрати газу збільшує підйом і відповідно площу зазору між клапаном і площиною тарілки для проходу газу. Тому швидкість газу в цьому зазорі, а значить і у вході в шар рідини на тарілці, залишається приблизно постійною, що забезпечує незмінно ефективну роботу тарілки. Гідравлічний опір тарілки при цьому збільшується несуттєво. Висота підйому клапана визначається висотою обмежувача 7 (рис. 7.10, б). Діаметр отворів під клапаном складає 35...40 мм, а діаметр самого клапана 40…50 мм.

Рис. 7.10. Будова клапанних тарілок

а − дві сусідні тарілки з круглими клапанами; б − принцип роботи клапана (1 − тарілка; 2 − клапан; 3 − переточна перегородка з порогом; 4 − гідравлічний затвор; 5 − корпус колони; 6 − диск клапана; 7 − обмежувачі підйому клапана); в − круглі клапани з верхнім обмежувачем I і з баластом II (1 − дисковий клапан; 2 − обмежувач; 3 − баласт)

Колони з тарілками без зливних пристроїв. У тарілці без зливних пристроїв (рис. 7.11) газ і рідина проходять через одні і ті ж отвори або щілини. При цьому одночасно із взаємодією фаз на тарілці відбувається стік рідини на розташовану нижче тарілку − “провалення” рідини. Тому тарілки такого типу часто називають провальними. Конструкції (типи) провальних тарілок представлені на рис. 7.12.

Рис. 7.11. Пристрій колони і провальних тарілок

а − колона з провальними тарілками; б − дві сусідні дірчасті провальні тарілки (1 − колона; 2 – тарілки)

Р ис. 7.12. Типи провальних тарілок

а − дірчаста (у плані); б − решітчаста (у плані); в − хвиляста (у повздовжньому перетині); г – трубчаста (у плані) (1 − листи; 2 − труби; 3 − перфорований лист; 4 − колектори)

Гідродинамічні режими роботи провальних тарілок специфічні тим, що нормальна їх робота можлива тільки після досягнення певної швидкості газу.

Діаметр отворів в цих тарілках зазвичай 10 мм, іноді до 15...20 мм, що дозволяє істотно збільшити навантаження по рідині і газу при незначному гідравлічному опорі. Сумарна площа вільного перетину 10…15 %.

Решітчасті тарілки мають, як правило, виштамповані щілини шириною 3…8 мм (див. рис. 7.12, б).

Хвилясті тарілки виготовляють гофрируванням металевих листів з отворами (див. рис. 7.12, в). У цих тарілках злив рідини в основному відбувається через отвори в нижніх вигинах тарілки, а газ проходить в основному через її верхні вигини. Така будова провальних тарілок збільшує інтервал їх стійкої роботи, проте вони складніші у виготовлені і монтажі, аніж дірчасті і решітчасті тарілки.

Трубчасті тарілки зазвичай виготовляють у вигляді решітки з ряду паралельних труб (див. рис. 7.12, г), приєднаних до колектора. Ці тарілки доцільно застосовувати при потребі підведення теплоти до рідини або її відведення. До недоліків трубчастих тарілок слід віднести складність виготовлення і монтажу, велику витрату металу.

Оскільки, прості за будовою і монтажем, дірчасті і решітчасті тарілки володіють низьким гідравлічним опором і іншими первагами, то вони ширше застосовуються в промисловості в порівнянні з іншими провальними тарілками.

За ступенем очистки викидів від газоподібних забруднювачів всі конструкції тарілок приблизно рівнозначні.

Тарілчасті колони мають стандартизований ряд діаметрів від 400 до 4000 мм.