Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I

Голосов: 3

В учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины "Машины и аппараты химических производств": теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для сушки материалов. Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии Томского политехнического университета и предназначено для студентов специальности 170500 - "Машины и аппараты химических производств" Института дистанционного образования ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          а) удельная поверхность S , м2/м3 – поверхность насадки, заполняющий
объем, равный 1 м3;
      б) свободный объем Vc , м3/м3 – объем пустот, приходящийся на 1 м3
пространства, заполненного насадкой;
      в) свободное (живое) сечение насадки f c , м2/м2 – площадь прохода ме-
жду насадочными телами f Vc ;
                                              4Vc
      г) эквивалентный диаметр насадки d э        , м;
                                               S
      д) линейный размер насадки для кусков неправильной формы выража-
ется через средний размер куска, для колец Рашига – через наружный диа-
метр, высоту и толщину в мм (20х20х5).
      Насадка для заполнения колонны должна обладать:
      – большой удельной поверхностью S ;
      – большим свободным объемом Vc ;
      – оказывать небольшое сопротивление потоку газа;
      – обладать коррозионной устойчивостью;
      – иметь небольшой объемный вес.
      В настоящее время используют насадки различных видов. По сущест-
вующей классификации их можно отнести либо к регулярной (правильно
уложенной), либо к нерегулярной (засыпанной навалом).
      Нерегулярная насадка. Нерегулярную насадку применяют в процес-
сах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого
вакуума. Эта насадка обладает рядом преимуществ, одно из которых состоит
в практическом отсутствии проблемы выбора материала. Насадку можно из-
готовить из металлов, полимеров, керамики.
      Кусковая насадка. В качестве кусковой насадки применяют дроблен-
ные горные породы (кварц, андезит, кокс). Размеры кусковой насадки –
25–100 мм при беспорядочной засыпке. Достоинством насадки являются:
дешевизна, химическая стойкость. Недостатком: малая удельная поверх-
ность, малый свободный объем.
      Кольцевая насадка. Наиболее распространенный тип кольцевой на-
садки – кольца Рашига (рис. 2.12, а). Изготавливаются из керамики, фарфора,
пластмассы, металлов, углеграфитовых масс. Диаметр колец 25–150 мм.
Кольца диаметром до 50 мм загружаются навалом. При больших диаметрах
кольца укладываются рядами.
      Существуют и другие кольцевые насадки: кольца с простой и кресто-
образной перегородкой, с прободенными стенками и т. д.
      Насадка Рашига имеет небольшую стоимость, но малоэффективна. Для
повышения эффективности массообмена кольцевую насадку изготовляют
перфорированной и с внутренними перегородками – кольца Палля (ФРГ)
(рис. 2.12, б) и их модификации. К кольцевой насадке с перфорированной



    81


цилиндрической частью и внутренними перегородками относится насадка
«Каскад-мини-ринг» (рис. 2.12, в).
     Седлообразная насадка. Имеет большую удельную поверхность (на
25 % больше, чем кольцевая) и большой свободный объем. Такую насадку
выпускают, главным образом, в виде седел «Инталокс» (рис. 2.12, г) и седел
Берля (рис. 2.12, д) из керамики и пластмассы размером 37х37 мм и
50х50 мм. Особое место среди седловидных насадок занимает насадка «Ин-
талокс метал» (рис. 2.12, е), обладающая высокой эффективностью.
     Регулярная насадка. Правильно уложенная насадка отличается от не-
регулярной меньшим гидравлическим сопротивлением и поэтому особенно
пригодна для процессов вакуумной ректификации. К недостаткам следует
отнести их высокую чувствительность к равномерности орошения.




                        Рис. 2.12. Нерегулярные насадки

      Простейшая регулярная насадка – плоскопараллельная – представляет
собой пакеты, набираемые из плоских вертикальных, обычно металлических
пластин толщиной 0,4–1,2 мм, расположенных параллельно с одинаковым
зазором 10–20 мм. Высота пакета пластин 400–1000 мм. Наружный диаметр
пакета соответствует внутреннему диаметру колонны. Для повышения рав-
номерности распределения жидкости в колонне, пакеты устанавливают один
над другим, взаимно повернутыми на угол 45–900. Недостатки этой насадки:
высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно
низкая эффективность.
      Для устранения последнего недостатка, листы плоскопараллельной на-
садки выполняют с рифлением или с различными турбулизирующими эле-
ментами. Так, насадка состоит из вертикальных, параллельно расположенных
листов, имеющих поперечные окна с отогнутыми лепестками (рис. 2.13, а).
Соседние по высоте лепестки отогнуты в противоположные стороны и делят
колонну в продольном направлении на контактные камеры. Газ, поднимаясь
по колонне, проходит через камеры, многократно меняя направление движе-
ния при ударе о лепестки. Жидкость, стекая по насадке с лепестка на лепе-
сток, распыляется восходящим газовым потоком.

    82


     Основное преимущество гофрированной насадки (рис. 2.13, б), состоя-
щей из вертикальных металлических листов с рифлением, по сравнению с
плоскопараллельной насадкой – меньший брызгоунос. Зазоры между листа-
ми иногда обеспечивают дистанционными планками (рис. 2.13, в), установ-
ленными вертикально на расстоянии 250 мм одна от другой. Разновидностью
гофрированной насадки является Z-образная насадка, изготовляемая из пер-
форированного листа (рис. 2.13, г).
     Щелевая или сотовая насадка (рис. 2.13, д) образована из гофрирован-
ных вертикальных листов, сдвинутых один относительно другого так, что по
высоте пакета образуются изолированные вертикальные каналы. Листы со-
единены в пакеты высотой 400-1000 мм точечной сваркой.




                         Рис. 2.13. Регулярные насадки

     К преимуществам этой насадки относятся:
     – высокая удельная поверхность (в 2–3 раза больше, чем у плоскопа-
раллельной;
     – возможность нагревать или охлаждать контактирующие фазы, т.к.
каналы, образованные гофрами, пригодны для подачи в них теплоносителя
или хладоагента.




    83


      К недостаткам следует отнести – неравномерность толщины пленки
жидкости в канале, накопление жидкости в углах канала несколько ухудшает
эксплуатационные качества этой насадки.
      Насадка из гофрированной сетки (рис. 2.13, е) рекомендована для про-
цессов ректификации, проводимых под вакуумом. Пакеты такой насадки вы-
сотой 150–200 мм изготовляют из тканой проволочной сетки толщиной
0,2 мм. В последнее время разработана высокоэффективная насадка «Зуль-
цер» (рис. 2.13, ж) из гофрированной сетки толщиной 0,16 мм, а также регу-
лярная насадка «Роли пак», образованная ярусами наклонных листов с про-
резями (рис. 2.13, з).
                                             На распределение орошающей
                                       жидкости влияет способ засыпки на-
                                       садки (рис. 2.14): из центра колонны
                                       (слой 1); от стенок колонны (слой 2);
                                       подсыпка до горизонтального уровня
                                       (слой 3).
                                             При засыпке насадочных тел по
                                       варианту (а) плотность укладки их на
                                       границе слоев 1 и 3 наименьшая, что
                                       способствует стеканию жидкости к
                                       стенкам. При равномерном начальном
                                       орошении хорошие результаты дает
                                       вариант (в), сочетающий предыдущие
      Рис. 2.14. Варианты засыпки на-
                                       два способа.
 садки


          2.2.2. Устройства для распределения жидкости и пара
                         в насадочных колоннах

      Основное условие эффективной работы насадочного аппарата – смачи-
вание всей насадки и равномерное распределение жидкой и паровой фазы по
сечению аппарата.
      Орошение насадочных колонн должно быть не только равномерным,
но и достаточным. Поэтому существует понятие минимальной плотности
орошения qmin . Для большей части насадок qmin = 10–12 м3/м2.ч. Орошение
аппарата также не должно быть избыточным, это вызывает «затопление» на-
садки и увеличение ее гидравлического сопротивление. Максимальная плот-
ность орошения qmax (4 6)qmin .
      В качестве оросителей в насадочных колоннах используются распре-
делительные тарелки, желоба, коллекторы, отражатели, центробежные рас-
пылители, форсунки.
      Желобчатые оросители достаточно широко распространены в промыш-
ленности (рис. 2.15). Их устанавливают на расстоянии 1,2–1,4 м от слоя на-

    84


садки и используют в колоннах с нерегулярной насадкой. Ороситель пред-
ставляет собой набор горизонтально расположенных желобов с вырезами в
боковой стенке. Один из желобов (основной) расположен над другими. Жид-
кость, вытекающая из вырезов основного желоба, стекает в расположенные
под ним вспомогательные желоба и распределяется по насадке. Желобчатые
оросители конструктивно просты, но для их надежной работы должна быть
обеспечена высокая точность изготовления и расположения.




                             Рис. 2.15. Желобчатый ороси-
                                        тель
      Установлено, что при стекании жидкости по насадке характер распре-
деления жидкости меняется по высоте аппарата. Даже при равномерном
орошении верхних слоев, в орошении нижних слоев возможна значительная
неравномерность. Орошающая жидкость растекается к стенкам аппарата, и,
при достаточно большой высоте насадочного слоя, внутри него образуется
так называемый «сухой конус», в который устремляется паровой поток.
      Как показывает опыт, степень растекания жидкости по насадке зависит:
      а) от длины пути жидкости в насадке( H );
      б) от диаметра колонны ( D );
      в) от диаметра насадочных тел ( d ).
      Степень растекания жидкости по насадке можно оценить по критиче-
ской высоте H кр насадочного слоя. Под H кр подразумевают высоту наса-
дочного слоя, при котором появляются признаки минимально допустимой
поперечной неравномерности.
     Для насадок разного типа получены следующие соотношения между
диаметром аппарата и критической высотой:
     для колец Рашига H кр = (2,5–3) D при d <0,033 D ;
     для колец Палля H кр = (5–10) D при d (0,1–0,066) D ;
     для седел Берля H кр = (5–8) D при d >0,066 D .




    85


    Для регулярной насадки H кр больше, чем для нерегулярной, и обычно
принимают H кр = (8–10) D .
      Перераспределение пара между секциями насадки не требует установ-
ки каких-либо устройств. Равномерное распределение пара легко достигается
в колосниковых решетках под насадкой при условии, что свободное сечение
решетки больше аналогичного параметра насадки. На рис. 2.16 показана ти-
повая колосниковая решетка под кольца Рашига для колонн D =400–4000 мм.
Решетка собрана из колосников (толщина 4–10 мм, высота 50 мм), изготов-
ленных из полосовой углеродистой или легированной стали. Расстояние ме-
жду колосниками решетки на 25–30 % меньше размеров насадочных тел для
исключения попадания их под решетку.
                                        Между колосниками 5 решеток ис-
                                  полнения II установлены дистанционные
                                  втулки 3, и весь пакет стянут шпильками
                                  2. Решетки укладывают на опорное коль-
                                  цо 4, которое поддерживается приварен-
                                  ными к корпусу аппарата косынками 1
                                  или приваренными опорными балками.
                                  Под колосниковой решеткой между
                                  слоями насадки устанавливают перерас-
                                  пределительные тарелки для сбора жид-
                                  кости со стенок аппарата и для направле-
                                  ния ее на орошение нижерасположенного
                                  слоя насадки.
                                        Следует отметить, что равномер-
                                  ность распределения жидкости в любой
                                  насадке значительно зависит от смачи-
                                  ваемости материала, из которого эта на-
                                  садка изготовлена. Поэтому в ряде слу-
                                  чаев рекомендуют увеличивать смачи-
                                  ваемость материала нанесением гидро-
                                  фильных покрытий травлением или спе-
                                  циальной механической обработкой лис-
      Рис. 2.16. Колосниковая ре- товых материалов. Однако эти методы
 шетка                            эффективны только при условии, что в
                                  процессе эксплуатации насадка не по-
крывается слоем осадка, выделяющегося из рабочих сред. В противном слу-
чае смачиваемость насадки определяется свойствами осадка.




    86


                       2.2.3 Отбойные устройства

      Для исключения уноса жидкости из аппарата в верхней части колонны,
над оросителем устанавливают сепарационные устройства: инерционные,
центробежные или комбинированные отбойные устройства.
      Процесс улавливания капельной влаги слоем насадки происходит за
счет укрупнения мельчайших капель, оседающих на поверхности насадки
при ударах и поворотах газожидкостного потока и последующего стекания в
виде крупных капель, струй, пленок.
      Работа отбойников разделяется на две стадии: при прохождении потока
паров через отбойник капли жидкости выделяются из потока вследствие со-
прикосновения с поверхностью элементов, а затем отводятся с этой поверх-
ности. В ряде конструкций предусмотрены специальные приспособления для
отвода жидкости. Отбойные устройства работают эффективно лишь при ско-
ростях паров, не вызывающих режима «захлебывания».
      Конструкция отбойника характеризуется двумя основными показате-
лями – долей свободного сечения и удельной поверхностью. Увеличение до-
ли свободного сечения отбойника повышает его производительность, увели-
чение поверхности улучшает сепарацию капель.
      На рис. 2.17 показаны некоторые конструкции отбойников, имеющие
небольшую долю свободного сечения и которые могут работать только при
небольшой скорости. Для высокопроизводительных установок применять та-
кие отбойники нецелесообразно.




                  Рис. 2.17. Инерционные отбойники:
                  а - из пластин; б, в - из уголков; г - жалю-
             зийный
    87


      Высокой эффективностью отличаются отбойники, выполненные из ме-
таллической сетки в многослойном пакете. Они имеют долю свободного се-
чения до 97 %. Сетку изготавливают из проволоки диаметром около
0,25 мм, из стали – 12Х18Н10Т, а затем гофрируют. Высота гофр составляет
около 10 мм. Таким образом, пакет из 10–15 слоев сетки имеет высоту
100–150 мм. Показана конструкция отбойника с вертикальным расположени-
ем элементов. Элементы 1 из листов, согнутых под углом 1200, имеют специ-
альные карманы 2, по которым жидкость стекает вниз. Сливная труба 3 по-
гружена в жидкость гидрозатвора 4. Такие отбойники эффективны и их при-
меняют на газобензиновых заводах.

                  2.2.4. Гидродинамика насадочных колонн
      При противоточном движении фаз в насадочных колоннах установлено
четыре характерных режима, возникающих в зависимости от плотности оро-
шения и скорости движения газа (пара). Последовательность их возникнове-
ния может быть прослежена на рис. 2.18.
                                                 Пленочный режим возникает
                                          при малых плотностях орошения и
                                          малых скоростях газа. Взаимодействие
                                          газа и жидкости происходит на по-
                                          верхности      элементов      контакта.
                                          Сплошная фаза в этом режиме – пар
                                          (газ), дисперсная – жидкость. В точке
                                          (а) паровой поток начинает подтор-
                                          маживать движение жидкости, возни-
                                          кают отдельные вихри.
                                                 Промежуточный            режим.
                                          Сплошной фазой остается пар. Однако
                                          пар тормозит движение жидкости. Воз-
                                          никают вихри. Взаимодействие между
                                          фазами происходит на поверхности
                                          пленок и струй жидкости, стекающей
                                          по насадке. В точке (в) замечено начало
      Рис. 2.18. Гидродинамические ре- подвисания. Пар, воздействуя на сте-
  жимы                                    кающую жидкость, вызывает подвиса-
              насадочной колонны:         ние ее в насадке. Возникает турбулент-
        I – сухая насадка; II – смочен-   ный режим.
               ная насадка.
      Турбулентный режим. Взаимодействие происходит на поверхности
турбулизованной жидкости. Эффективность массопередачи значительно воз-
растает. В паровом потоке образуются многочисленные вихри. Однако сте-
кание жидкости сохраняет струйно-пленочный характер, а сплошной фазой
остается паровая (газовая). Точка (с) является точкой инверсии фаз, возника-
ет режим эмульгирования.

    88


      Режим эмульгирования. При установлении этого режима фазы на-
столько интенсивно перемешиваются, что уже невозможно сказать, какая из
них является сплошной, а какая – дисперсной. Фазы пронизаны большим ко-
личеством вихрей, что обеспечивает превосходный межфазный контакт и
высокую массопередачу. Точка (d) – точка захлебывания. Жидкость переста-
ет перемещаться вниз и вместе с паром увлекается наверх колонны. Колонна
перестает нормально работать.
      Для определения скорости ин , при которой возникает инверсия фаз,
предложено следующее уравнение:
                                                     1           1
                        Sн                       L       4        8
              lg   2           г   0,16
                                          А 1,75             г        ,   (2.8)
                   ин              ж
                        gVc3   ж                 G           ж

где   S н – удельная поверхность насадки, м2/м3;
      Vc – свободный объем, м3/м3;
                                                  3
       г , ж – удельный вес газа и жидкости, Н/м ;
        ж – вязкость жидкости, Па·с;
      L, G –нагрузка по жидкости и газу, кг/м2.с;
      А = 0,022 – коэффициент для газожидкостных систем;
      А = 0,125 – коэффициент для парожидкостных систем.
      Из уравнения (2.8), определив скорость wин., можно вычислить скоро-
сти для других точек и линий на графике через wин:
                                            w
       Турбулентный режим                       = 1– 0,85;
                                           wин.
                                            w
       Точка подвисания                         = 0,85;
                                           wин.
                                            w
       Промежуточный режим                      = 0,85 – 0,45;
                                           wин.
                                            w
       Точка торможения                         = 0,45;
                                           wин.
                                            w
       Пленочный режим                          < 0,45.
                                           wин.
     Рабочим режимом насадочных контактных устройств являются турбу-
лентный режим и режим эмульгирования, в котором насадочная колонна ра-
ботает наиболее эффективно.
     Гидравлическое сопротивление насадочных колонн определяют гид-
равлическим сопротивлением смоченной насадки. Для заполнения колонны
насадкой в виде колец Рашига диаметром до 30 мм, гидравлическое сопро-

      89


тивление смоченной насадки можно определить по формуле Н.М. Жаворон-
кова и М.Э. Аэрова:
                              Pсм    1
                                          ,                     (2.9)
                               P 1 Пн   3

где     P – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;
        Pсм – гидравлическое сопротивление смоченной насадки, Па;
       Пн – уменьшение свободного объема насадки.
       Гидравлическое сопротивление сухой насадки (Па):
                                      2
                                 H    п п ,
                          P                                            (2.10)
                                dэ     2
где      – коэффициент сопротивления, зависящий от режима движения газа
или пара (табл. 2.1);
      Н – высота слоя насадки, м;
            4Vн
      dэ        – эквивалентный диаметр насадки, м;
             Sн
     Vн – свободный объем насадки, м3/м3;
      S н – удельная поверхность насадки, м2/м3;
        п – скорость пара или газа, отнесенная к полному сечению колонны,
м/с.
                                                               Таблица 2.1
                  Определение коэффициента сопротивления

                                    Коэффициент сопротивления
           Тип насадки        для ламинарного           для турбулентно-
                                   режима                го режима
                                            64
             Трубки               Re 2000                  0,023 Re 0.2
                                            Re
                                          16,5
      Плоские кана-              Re 250
                                          Re 0,53              0,5
         лы,
 параллельные листы                Re 560
                                           96                 Re 0, 26
                                           Re
                                                  6,6
           Пакетная на-       400 Re 6000
                                               Re 0,55          –
            садка

      Беспорядочно                         140                16
                                  Re 40
 загруженная насадка                        Re               Re 0, 2




      90



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика