Насадочные колонны получили широкое распространение в процессах химической технологии. Они представляют собой аппарат, в котором на опорную решетку, имеющую отверстия для прохода газа и стока жидкости, укладывается насадка – твердые тела различной формы.
В ряде процессов (адсорбция, ионный обмен, гетерогенный катализ) через слой насадки движутся однофазные потоки. Используемые для этой цели насадки представляют собой, как правило, кусковые твердые материалы.
Более широкое распространение получили насадочные колонны для проведения процессов массообмена, контактного теплообмена, мокрого пылеулавливания. В этих процессах имеет место двухфазное противоточное течение газа (пара) и жидкости через насадку, служащую для увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации газожидкостных потоков. В качестве насадки используются кольца, седла, спирали, куски и др.
Насадка независимо от ее формы и вида характеризуется линейными размерами, удельной поверхностью a и свободным объемом e. Наиболее типичной насадкой являются так называемые кольца Рашига, представляющие собой полые цилиндры, высота которых равна наружному диаметру. Обычно встречаются кольца Рашига следующих размеров: 8х8х1,5 мм; 10х10х1,8 мм; 15х15х2 мм; 20х20х2,2 мм; 25х25х3 мм; 35х35х4 мм; 50х50х5 мм и др.
Удельная поверхность насадки представляет геометрическую поверхность насадочных тел в 1 м3 (м2/м3).
Свободный объем насадки (порозность) представляет объем пустот в 1 м3 (м3/м3). При гидравлической характеристике насадки ее оценивают величиной эквивалентного диаметра:
dэ =  , м
| (1.1) |
При движении газа через слой насадки различают понятия фиктивной и действительной скорости газа. Фиктивная скорость исчисляется на пустой аппарат, на его полное сечение:
 , 
| (1.2) |
| где | Vг - часовой объемный расход газа; |
| S - площадь поперечного сечения аппарата |
Действительная скорость газа в каналах слоя больше фиктивной ввиду уменьшения сечения для прохода газа из-за наличия насадки. Действительная скорость определяется как
 , 
| (1.3) |
При движении однофазного потока (поток газа через сухую насадку) гидравлическое сопротивление рассчитывается по уравнению:
 , Н/м2
| (1.4) |
| где | l - коэффициент трения; |
| Н - высота насадки; | |
| rг - плотность газа. |
Коэффициент трения l зависит от режима движения среды. Величиной, определяющей гидродинамический режим однофазного потока, является критерий Рейнольдса, который для насадок определяется следующим образом:
| (1.5) |
| где | mг - динамическая вязкость газа. |
Наличие в колонне насадки приводит к турбулизации газового потока раньше, чем в гладких трубах, и поэтому критическое состояние наступает значительно раньше. Область Re < 40 характеризуется как область течения без возникновения вихрей за обтекаемыми элементами насадки, в то время как при Re > 40 обтекание элементов вызывает появление в потоках вихрей. Для области Re < 40 получена зависимость (для кольцевой насадки):
| (1.6) |
Для области Re > 40
| (1.7) |
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки больше, чем сухой, так как вследствие наличия жидкости в каналах уменьшается сечение для прохода газа, т.е. при неизменной фиктивной скорости возрастает действительная скорость газа.
Величиной, характеризующей расход жидкости на единицу сечения колонны, является объемная плотность орошения:
 , 
| (1.8) |
| где | Vж - часовой объемный расход жидкости; |
| L - часовой массовый расход жидкости; | |
| rж - плотность жидкости. |
При противоточном движении газа и жидкости в насадочной колонне можно наблюдать следующие виды движения потоков (при последовательном увеличении нагрузки по газу), которым соответствуют возникающие в насадке гидродинамические режимы и характерные переходные точки (рис. 1.1).
Капельное движение жидкости от элемента к элементу насадки, наблюдающееся при малых нагрузках по газу и жидкости. Взаимодействие между фазами осуществляется на смоченной поверхности насадки в отдельных точках контакта. Поднимающийся газ не вызывает заметного изменения в характере движения жидкости.
Капельному движению соответствует пленочный режим 1, заканчивающийся точкой торможения 2.
Рис.1.1. Гидравлические режимы и переходные точки в насадочных колоннах:
I - для сухой насадки, II - при орошении, 1 - пленочный режим, 2 - точка торможения, 3 - промежуточный режим, 4 - точка подвисания, 5 - режим турбулизации двухфазной системы, 6 - точка инверсии фаз, 7 - режим эмульгирования, 8 - точка захлебывания.
При струйчато-пленочном движении жидкость покрывает насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струй, причем значительная доля поверхностей остается не смоченной. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности пленки и струй жидкости на отдельных элементах насадки при отсутствии заметной турбулизации. Противоточное движение газа также не вызывает видимого изменения в характере движения жидкости.
Струйчато-пленочному течению соответствует промежуточный режим 3, заканчивающийся точкой подвисания 4.
Ввиду того, что точка торможения не всегда четко проявляется, эти два режима объединяют иногда в один – пленочный режим двухфазного потока до точки подвисания.
Дальнейшее повышение скорости газа приводит к тому, что газ тормозит жидкость, скорость ее течения уменьшается, и жидкость во все большем количестве удерживается в насадке. Доля смоченной поверхности возрастает. При этом становится заметным влияние взаимодействия потоков на характер движения пленки. Пленка начинает турбулизироваться, появляются завихрения, брызги. Это соответствует режиму турбулизации двухфазной системы 5, заканчивающемуся в точке инверсии 6.
С увеличением нагрузки по газу наблюдается возрастание количества турбулизированной жидкости, заполняющей весь объем насадки. Накопление жидкости связано с тем, что подъемная сила газа становится равной весу жидкости, находящейся в насадке. Создается впечатление, что жидкость в насадке находится в состоянии эмульсии, причем эмульгирование начинается в самом узком месте насадки. Происходит обращение (инверсия) фаз: жидкость занимает весь свободный объем насадки и становится сплошной фазой; газовая фаза диспергирована в жидкости в виде мельчайших пузырьков.
Таким образом, взаимодействие между потоками с поверхности насадки переносится в ее объем, что соответствует возникновению режима эмульгирования 7. Накопление жидкости в режиме эмульгирования приводит к захлебыванию насадки (точка 8). Высота газожидкостного слоя становится больше высоты насадки. Над насадкой накапливается слой жидкости, препятствующий нормальной работе колонны.
Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн за счет значительного увеличения поверхности контакта фаз, которая определяется уже не поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков газа и струй жидкости в свободном объеме насадки. Однако устойчивая работа колонны в таком режиме невозможна ввиду захлебывания насадки; кроме того, сильно возрастает гидравлическое сопротивление.
Созданы специальные эмульгационные колонны с искусственно затопленной насадкой, которые могут устойчиво работать в условиях эмульгирования жидкости.
Скорость газа в точке инверсии определяется из уравнения:
| (1.9) |
| где | mж - вязкость жидкости; |
| mв - вязкость воды при 20 оС; | |
| L, G - массовая нагрузка колонны по жидкости и газу. |
Для систем газ-жидкость коэффициент А = 0,022; для систем пар-жидкость А = - 0,125.
Для расчета сопротивления орошаемой насадки предложено уравнение:
| (1.10) |
| где | b – постоянный коэффициент, зависящий от вида и размеров насадки. Для колец Рашига размерами 25х25 мм b = 0,051; 50х50 мм - 0,047; 100х100 мм - 0,033; 15х15 мм - 0,053 |
