ProfitCentr - рекламное агентство

Барботажные тарелки

Особенности работы

Рассмотрим специфику функционирования барботажной тарелки на примере колпачковой тарелки с круглыми колпачками (на рисунке справа).

Жидкая фаза поступает на поверхность тарелки из переливного кармана и перемещается от приточного края тарелки к сточному, при этом на полотне возникает градиент уровня жидкости Δ. Стенка переливного кармана находится в слое в жидкости, которая, в свою очередь, находится на нижележащей тарелке, что создает в колонне необходимый гидравлический затвор, исключающий вероятность прохождения паров через переливной карман. Уровень жидкости Н'ж в переливном кармане выше уровня жидкой фазы на полотне тарелке, что гарантирует необходимый поток жидкости.

Высота слоя жидкой фазы на поверхности тарелки зависит от высоты сливной перегородки hw и подпором жидкой фазы над гребнем слива how. Корректировкой высоты сливной перегородки, достигается изменение уровня жидкой фазы на поверхности тарелки.

Данному эксплуатационному режиму соответствует конкретная степень открытия прорезей колпачков, обеспечивающая проход паров, которые приходятся на 1 прорезь. При этом уровень жидкой фазы под колпачком ниже, чем на поверхности тарелки.

Схема работы барботажной тарелки с круглыми колпачками
Схема работы барботажной тарелки с круглыми колпачками

По причине перепада давлений р1 > р2 между 2-мя соседними тарелками и присутствия гидравлического затвора в переливном кармане поток паровой фазы поступает через паровые патрубки под колпачки и проходя через прорези в его нижних кромках оказывается в слое жидкости на полотне тарелки. При барботаже, т.е. движении пара (газа) через слой жидкой фракции, происходит межфазное взаимодействие и сопутствующий процесс массообмена между фазами.

Схема барботажа

Схема барботажа в зоне контакта

Поток паровой фазы, поступая в слой жидкой фазы прорезями колпачков диспергируется на большое количество отдельных струй, которые с высокой скоростью заходят в жидкость. В полости между смежными колпачками, происходит столкновение струй пара и жидкости с сопутствующей деформацией и образованием слоя газожидкостной системы (пены) с хорошо развитой поверхностью межфазного контакта.

Наблюдения за функционированием колпачков тарелки с использованием прозрачных моделей колонны показали, что весь объём между соседними колпачками может быть разделен на следующие основные зоны:

  1. Небарботируемой жидкой фазы (зона I).
  2. Недеформируемых струй (зона II).
  3. Деформируемых струй - пены (зона III).
  4. Парового объёма с взвешенными каплями жидкости (зона IV).

Зона I (небарботируемой жидкой фазы) формируется между поверхностью тарелки и нижней границей открытых прорезей. Непосредственно сквозь этот слой жидкой фазы паровая фаза не проходит, поэтому массообмен в данной зоне имеет низкую эффективность. Он преимущественно обусловлен молекулярной диффузией в жидкой фазе, а также смешиванием жидкости за счёт наличия перепада давления.

Схема барботажа в зоне контакта

Чтобы уменьшить высоту зоны небарботируемой жидкой фазы необходимо глубже погружать колпачки в жидкость, оставляя расстояние от нижнего обреза прорезей колпачков до днища тарелки не больше 5—10 мм. При этом нагрузка по паровой фазе, которая приходится на 1 прорезь, должна обеспечиватьть (по возможности) наиболее полное открытие прорези.

К зоне II (недеформируемых струй) следует относить часть полости между колпачками от места, где паровые струи выходят из прорезей колпачков, до места контакта струй, котоыре выходят из двух соседних колпачков. В этой зоне межфазная контактная поверхность сформирована, в основном, поверхностью струй. Высота этой зоны определяется расстоянием между колпачками и скоростью, с которой газ (пар) выходит из прорезей колпачков.

Чем выше скорость паровой фазы в прорезях колпачков, тем больше вылет газовой струи в жидкой фазе и меньше путь струй до точки их контакта, вследствие чего высота зоны недеформируемых струй уменьшается.

Уменьшение дистанции между колпачками тоже сокращает зону недеформируемых струй. Однако избыточное уменьшение этой дистанции затрудняет перемещение жидкой фазы по тарелке, увеличивает градиент уровня жидкости Δ и способно привести к повышенному уноса жидкой фазы с тарелки потоком паровой фазы по причине роста скорости выхода паровой фазы из жидкой среды между колпачками в зоне барботажа.

Для зоны III (пены) характерны самая развитая поверхность взаимодействия и наиболее качественный массообмен. Высота зоны пены увеличивается с ростом слоя жидкости на поверхности тарелки и скорости потока паровой фазы. Высота пенного слоя на тарелке определяется физическими свойствами жидкой фазы, которые характеризуют ее способность к пенообразованию (плотности фаз, поверхностное натяжение). Вместе с тем, не следует забывать, что при повышении слоя пены растёт гидравлическое сопротивление перемещению потока паровой фазы и по причине уменьшения высоты сепарационного пространства Нс (расстояния от слоя пены до тарелки расопложенной выше) увеличивается унос жидкости на тарелку, которая расположена выше. При наибольших рабочих производительностях высота сепарационного пространства должна быть не менее 0,1 - 0,15 м.

В сепарационное пространство между тарелками наряду с потоком паровой фазы попадают капли жидкой среды разной величины. Крупные капли, из-за того что скорость паровой фазы в межтарельчатой полости меньше, чем скорость их витания, по большей части, под действием гравитации возвращаются в слой жидкости. Небольшие капли, скорость витания которых меньше, чем скорость движения паровой фазы в межтарельчатой полости, а также часть крупных капель, котоыре получили высокую начальную скорость, перемещаются потоком паровой фазы на тарелку выше, из-за чего и происходит их унос. Содержание капель жидкости в межтарельчатой полости убывает в направлении движения паровой фазы. Поверхность межфазного контакта в сепарационном пространстве барботажных тарелок зависит, в основном, от поверхности капель жидкой фазы, вклад которой в массообмен ничтожно мал.

Настройка нормальной работы

Для нормального функционирования барботажной тарелки требуется равномерное распределение потока паровой фазы по всей рабочей площади полотна тарелки, т.е. гидравлическое сопротивление всех контактных элементов (клапанов, колпачков, отверстии) должно быть равным. Это достижимо за счёт погружения контактных элементов в слой жидкой фазы на одинаковую глубину. Если высота жидкой фазы на полотне тарелки меняется не существенно, что справедливо для колонных аппаратов диаметром менее 1000 мм, то колпачки могут быть смонтированы на одном горизонтальном уровне. Для колонных аппаратов с большим диаметром (более 1 м) и при существеннымх расходах жидкой фазы, когда высота слоя жидкости на поверхности тарелки меняется более, чем на 10 мм, практикуют разный уровень монтажа колпачков (выше у колпачков, расположенных ближе к входу жидкой фазы на тарелку). Кроме того, организовывается несколько каскадов по пути перемещения жидкости или делят суммарный поток жидкости на несколько потоков.

Из рассмотренной схемы функционирования колпачковой тарелки вытекает, что на тарелке взаимодействие между паром и жидкостью происходит по схеме перекрестного тока: пары перемещаются снизу вверх, а жидкая фазы двигается перпендикулярно направлению перемещения парового потока. В объёме между соседними колпачками жидкость активно перемешивается по высоте слоя, и содержание ее в этих зонах выравнивается. Состав жидкой фазы вдоль потока вследствие массообмена переменный. Обычно принимают, что паровая фаза в межтарельчатой полости полностью перемешана, т.е. во всех точках поперечного сечения колонного аппарата состав его один и тот же. Такое допущение применимо для колонных аппаратов сравнительно небольшого размера при достаточном межтарельчатом расстоянии. Для колонных аппаратов большого диаметра это допущение не применимо. Однако на эффективность межфазного взаимодействия степень перемешивания паровой фазы в межтарельчатой полости оказывает существенно меньшее воздействие, чем степень перемешивания жидкой фазы на поверхности тарелки.

Бесколпачковые барботажные тарелки (клапанные, из S-образных элементов, струйные, ситчатые), которые снабжены переливными устройствами, по принципу работы схожи с функционированием колпачковой тарелки. У таких тарелок поток паровой фазы делится на струи в соответствии с количеством отверстий, которые имеются на полотне тарелке. Слой жидкой фазы поддерживается на таких тарелках за счёт напора потока паровой фазы, которая проходит через отверстия в полотне тарелки. Высота слоя жидкой фазы управляется высотой сливной перегородки hw. При низком напоре паровой фазы жидкость будет стекать на тарелку, расположенную ниже, через те же отверстия, через которые поступает пар, в связи с чем удержание требуемого уровня жидкости на тарелке оказывается невозможным. Это приводит к существенному снижению эффективности межфазного контакта.


Не нашли нужную информацию? Воспользуйтесь поиском по сайту
SOCPUBLIC.COM - заработок в интернете!