Материал: Аппаратура процессов разделения гомогенных и гетерогенных систем
1.1. Насадочные контактные устройства
Насадочные колонны являются одним из самых распространённых видов массообменных аппаратов. Насадкой называют слой из контактных элементов определённой формы, обеспечивающей наличие в слое насадки каналов, по которым движутся участвующие в массообмене фазы. Одна из фаз при движении по насадке растекается по поверхности контактных элементов, благодаря этому увеличивается площадь межфазной поверхности. В насадочных колоннах плёнка жидкости стекает по каждому элементу насадки, затем разрушается и вновь образуется на следующем элементе. Таким образом, насадочная колонна работает в плёночном режиме.
Основными характеристиками насадки являются порозность и удельная поверхность. Порозность насадки ε – это доля свободного объёма в общем объёме насадки. Чем выше порозность насадки, тем легче фазам двигаться через насадку, то есть ниже её гидравлическое сопротивление, что снижает энергетические затраты на движение фаз. Удельная поверхность насадки a представляет собой суммарную площадь поверхности элементов насадки, отнесённую к объёму, занятому насадкой. Чем выше удельная поверхнось насадки, тем больше площадь поверхности контакта фаз в этой насадке и, следовательно, тем эффективнее насадка. Следует учитывать, что площадь поверхности насадки не тождественна площади поверхности контакта фаз. С одной стороны, не вся поверхность насадки трансформируется в межфазную поверхность вследствие неполной смачиваемости поверхности насадки. Здесь под смачиваемостью насадки подразумевается распределение одной из фаз по поверхности насадки в виде плёнки. С другой стороны, межфазная поверхность может образовываться не только плёнкой на поверхности насадки, но и оторванными от поверхности насадки каплями и струями. Порозность и удельная поверхность насадки непосредственно связаны с формой элементов насадки. В общем случае, чем сложнее форма элементов насадки, тем выше эти характеристики. Однако следует учитывать, что сложность формы элементов насадки не должна ухудшать её смачиваемость, а также, значительно повышать стоимость изготовления. Наиболее распространённые виды элементов насадки различной формы представлены на рис. 3–11.
В зависимости от способа укладки элементов насадки в аппарат различают упорядоченные (регулярные) и неупорядоченные (нерегулярные) насадки.
6
Упорядоченная насадка – это насадка, элементы которой правильно уложены, что обеспечивает их лучшую смачиваемость. К регулярным относятся хордовая, кольцевая и блочная насадки. Слой насадки является неупорядоченным, если элементы насадки расположены хаотично, что получается при загрузке насадки в аппарат внавал. Такая насадка при прочих равных условиях обладает меньшей удельной поверхностью, чем упорядоченная, но её проще загружать. Нерегулярные насадки бывают кусковые, кольцевые, седлообразные, пропеллерные и витые (проволочные).
Кольцевые насадки
Элементы кольцевой насадки представляют собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 10 до 150 мм (кольца меньшего диаметра почти не находят применения в промышленной практике). Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора, в некоторых случаях из углеграфитовых масс. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов. Стальные кольца изготавливают путем разрезания стандартных труб или скручиванием стальных листов, такая насадка обладает значительной массой. Перспективно применение колец из пластических масс.
Кольца Рашига (рис. 3) представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым распространённым видом насадок. Насадки из колец Рашига изготавливают как упорядоченными (при диаметре колец от 50 мм более), так и неупорядоченными (при диаметре от 10 до 50 мм). Способы укладки колец Рашига представлены на рис. 4.
Кольца Палля (рис. 5) предназначены в основном для засыпки внавал, и, по литературным данным, обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига. Они представляют собой кольца с вырезами и внутренними выступами, такие вырезы обеспечивают лучшую смачиваемость засыпанной внавал насадки.
Находят применение и некоторые другие виды кольцевых насадок. Для увеличения поверхности применяют кольца с перегородкой (кольца Лессинга)
7
(рис. 6, а), кольца с крестообразной перегородкой (рис. 6, б) и спиральные кольца, имеющие внутри одну, две и три спирали (рис. 6, в). Эти кольца сложны в изготовлении, дороги и обладают малым свободным объемом.
h
d
d = h
Рис. 3. Кольца Рашига
а |
б |
Рис. 4. Способы укладки колец Рашига: |
|
а – внавал; б – упорядоченно |
|
8
Рис. 5. Кольца Палля
Седлообразные насадки
Седлообразные насадки обладают меньшим гидравлическим сопротивлением, чем неупорядоченные кольцевые насадки, а также за счёт лучшей смачиваемости обеспечивают бóльшую поверхность контакта фаз. Кроме того, в седлообразной насадке, благодаря её большей хаотичности, не возникает предпочтительных путей (каналов) для протекания жидкости, что способствует более равномерному орошению насадки. Седла Берля (рис. 7) по форме представляют собой гиперболический параболлоид и достаточно сложны в изготовлении. Седла Инталокс (рис. 8) представляют собой часть тора. Они проще в изготовлении, чем седла Берля.
а |
б |
в |
Рис. 6. Кольцевые насадки:
а – кольца с крестообразной перегородкой; б – кольца Лессинга; в – кольца с внутренними спиралями
9
Рис. 7. Седла Берля
Рис. 8. Седла Инталокс
Блочные насадки
Блочная насадка собирается из блоков большого размера, имеющих внутренние каналы (рис. 9). Блоки изготавливают из керамики, металла или пластмассы (рис. 10). Преимуществом блочной насадки перед другими регулярными насадками (в частности, кольцами вукладку) является значительное упрощение работ по укладке насадки в абсорбер, которые весьма трудоёмки. По своим качествам блочная насадка не уступает другим видам регулярных насадок.
10