Аппаратура для процессов абсорбции и ректификации. Насадочные колонны.

Для проведения процессов абсорбции и ректификации чаще всего применяют тарельчатые и насадочные колонны. Значительно реже используют для этих целей пленочные аппараты, например, в них проводят вакуумную ректификацию. Кроме того, абсорбцию проводят в поверхностных и распылительных аппаратах.

Наиболее просты, но наименее эффективны поверхностные абсорберы. В них над слоем неподвижной или медленно двигающейся жидкости проходит газ. Поверхностные абсорберы применяют лишь для хорошо растворимых газов.

Распылительные абсорберы более эффективны чем поверхностные, однако, по эффективности они уступают насадочным и тарельчатым аппаратам.

В отличие от абсорбционной тарельчатой колонны ректификационную тарельчатую колонну снабжают рядом теплообменных аппаратов (кипятильники, дефлегматоры и т.д.).

Рассмотрим насадочную колонну.

1 – слой насадки (мелкие твердые тела различной формы)

2 – опорно – распределительная решетка (плоская перфорированная или колосниковая)

3 – распределитель жидкости (для равномерного распределения жидкости по поперечному сечению аппарата)

4 – перераспределитель жидкости (конусный «фартук»)

Плотность орошения – массовый расход жидкости через 1 м² поперечного сечения аппарата.

и= ,

Задержка жидкости – количество жидкости, удерживаемое насадкой.

Пристеночный эффект. На периферии аппарата плотность упаковки насадки ниже чем на его оси, поэтому часть жидкостного потока байпасирует (проскакивает) по периферии, не успев в достаточной степени провзаимодействовать с потоком газа. Пристеночный эффект снижает массообменную эффективность насадочной колонны. С этим вредным явлением борются 2 способами:

1) с помощью конусных «фартуков»

2) секционируют аппарат по высоте (вместо одного большого слоя насадки размещают несколько малых слоев по высоте колонны). Потоки жидкости и газа взаимодействуют в насадочной колонне в противотоке. Жидкость стекает самотеком в виде пленки по поверхности насадки на встречу восходящему потоку газа.

В зависимости от расходов жидкой и газовой фаз возможны 4 гидродинамических режима работы аппарата:

1) пленочный

2) подвисания

3) барботажа (эмульгирования или захлебывания)

4) уноса

– гидравлическое сопротивление слоя насадки

фиктивная скорость (отнесенная к сечению пустого аппарата)

1 – сухая насадка; 2 – орошаемая насадка

При малых расходах газа и жидкости жидкость стекает по поверхности насадки в виде тонкой пленки. При этом задержка жидкости и плотность орошения постоянны, а гидравлическое сопротивление увеличивается при повышении расхода газа; причем оно для орошаемой насадки больше чем для сухой. Это пленочный режим. Поверхность контакта фаз, значит, и массообменная эффективность минимальны.

В точке В (точка начала торможения) пленка под воздействием потока газа начинает утолщаться, задержка жидкости и плотность орошения растут, гидравлическое сопротивление увеличивается. Это режим подвисания. В этом режиме возможны завихрения и брызги, интенсифицирующие массообмен.

В точке С (точка инверсии фаз) происходит обращение фаз. При этом жидкая фаза становится сплошной, т.е. полностью заполняет пустоты в слое, а газовая фаза – диспергированной, т.е. проходит через слой жидкости в виде пузырьков (барботирует). В этом режиме наблюдается максимальная межфазная поверхность (фазы взаимодействуют на поверхности насадки и на поверхности пузырьков), значит, и максимальная массообменная эффективность. Однако, у барботажного режима есть крупный «-»: при незначительном изменении скорости газа происходит скачок гидравлического сопротивления.

В точке D наступает 4 – ый режим, т. е. капли жидкости начинают уноситься из слоя насадки. Это нерабочий режим.

Активная поверхность насадки – смоченная поверхность. В пленочном режиме активная поверхность меньше геометрической поверхности насадки. Во 2–м и 3–м режимах активная поверхность может превышать геометрическую поверхность насадки.

Рабочий режим насадочной колонны выбирают исходя из значения давления газа. При атмосферном давлении приходится довольствоваться пленочным режимом, несмотря на его низкую массообменную эффективность. При повышенном давлении в колонне предпочтительны 2 и 3 режимы, т. к. в этом случае гидравлическое сопротивление слоя насадки не играет существенной роли.