6.2.2.1 Гидродинамика тарелки колпачкового типа
Нормальный режим работы тарельчатой колпачковой колонны ограничен особенностями работы самих тарелок. Режимы работы тарелок представлены на рисунке 6.6 [3].
Нормальная работа тарелки обеспечивается в том случае, если все колпачки находятся в режиме барботажа и каждый ряд колпачков пропускает равные количества пара.
1 - малая нагрузка по жидкости; 2 - пульсация по пару; 3 - неравномерное парораспределение; 4 - просачивание жидкости; 5 – захлебывание; 6 - интенсивный унос; 7 - перегрузка прорезей; 8 - переброс через сливную перегородку
Рисунок 6.6 - Режимы работы колпачковой колонны
Режим 1 (малая нагрузка по жидкости Gж) — колпачки недостаточно погружены в жидкость или сливная перегородка имеет недостаточную высоту.
Режим 2 (малая нагрузка по пару Gп) — пульсирующее проскакивание пара через колпачки.
Режим 3 характеризуется неравномерным парораспределением по отдельным рядам колпачков, тарелка работает неравномерно.
В режиме 4 (плохое парораспределение) происходит переток жидкости через паровые патрубки и нарушение направления движения потоков.
Режим 5 (большие нагрузки по пару и жидкости) - захлебывание колонны, характеризующееся переполнением сливных патрубков и обращенным движением жидкости на тарелке. Режим захлебывания тарельчатой колонны может рассматриваться как предельный режим по нагрузкам.
Режим 6 (большие нагрузки по пару) - интенсивный унос жидкости паром на вышележащую тарелку.
Режим 7 характеризуется перегрузкой прорезей колпачков паром.
Режим 8 наблюдается, когда время пребывания жидкости на тарелке недостаточно и происходит чрезмерно большой перелив жидкости через сливную перегородку.
Нормальный режим работы тарелки определяется правильной организацией потоков жидкости и пара. Переход от одного режима к другому определяется гидродинамическими факторами (скоростями газа и жидкости), свойствами взаимодействующих фаз и геометрией тарелки.
6.2.3 Гидродинамика тарелок провального типа
Типичный график области устойчивой работы тарелок провального типа изображен на рисунке 6.7. Эта область соответствует нагрузкам по пару и жидкости, при которых фазовый контакт наиболее интенсивный, а эффективность разделения высока. Эта область ограничивается в основном линиям верхних (линия 1) и нижних (линия 2) предельных нагрузок по пару (газу).
Верхняя предельная нагрузка по пару для колонны с решетчатыми тарелками провального типа определяется расходом одной из фаз, при котором происходит захлебывание. Внешне захлебывание проявляется довольно четко: сопротивление тарелок резко возрастает, давление в колонне начинает сильно колебаться. Нижняя предельная нагрузка по пару соответствует сформировавшемуся вспененному слою жидкости на тарелках и определяется началом устойчивой и эффективной работы тарелок и всего аппарата в целом. При очень малых нагрузках по жидкости наблюдается прорыв струй пара через слой жидкости, а при очень больших нагрузках - независимое движение жидкости и пара через различные участки тарелки.
Как при слишком малых, так и при слишком больших нагрузках по жидкости работа тарелки малоэффективна, в связи с чем область устойчивой работы ограничивается линиями максимально 1 и минимально 2 допустимых нагрузок по жидкости.
ωп, м/с
U, м3/(м2∙ч)
I -устойчивая работа; II - захлебывание; III - начало нормальной работы тарелки, IV -прорыв струй газа, малоэффективная работа; V - плохое распределение пара и жидкости по сечению тарелки, малоэффективная работа; 1,2 - линии максимально и минимально допустимых нагрузок по пару; 3,4 - линии минимально и максимально допустимых нагрузок по жидкости
Рисунок 6.7 - График области устойчивой работы тарелок провального типа
Можно выделить некоторые особенности работы решетчатых тарелок при различных нагрузках по пару и жидкости.
При малых нагрузках по пару (область III) жидкость накапливается на тарелке, однако в основном жидкость и пар движутся через различные сечения тарелки, слабо взаимодействуя друг с другом.
В области устойчивой работы I выше линии 2 наблюдается равномерный и устойчивый барботаж и слив жидкости. Ближе к линии 1 начинается перемешивание жидкости на тарелке в горизонтальной плоскости и слив ее становится пульсирующим. Работу тарелки при таких нагрузках можно охарактеризовать как неравномерную, но устойчивую.
Высота вспененного слоя жидкости при нагрузках, соответствующих линии 2, в большинстве случаев составляет 20…50 мм, а при нагрузках, соответствующих линии 1, равна 150…300 мм (большие цифры соответствуют большим расходам жидкости).
На тарелках провального типа структуры потоков пара и жидкости могут не соответствовать полному перемешиванию при любых нагрузках. Даже при сравнительно небольшой высоте вспененного слоя структура потока жидкости может соответствовать структуре потока при двух секциях полного перемешивания, в то время как степень перемешивания пара может быть небольшой.
При работе тарелок провального типа, особенно если диаметр колонны велик, возникает поперечная неравномерность, увеличивающаяся при уменьшении скорости пара и приводящая к резкому снижению общей эффективности контактного устройства.
Если нагрузки не выходят за пределы области устойчивой работы тарелки, кривая зависимости эффективности разделения от скорости пара при постоянном расходе жидкости имеет один максимум и один минимум, отвечающие различным гидродинамическим режимам движения жидкости и пара. Это относится к системам, в которых основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе. Максимум отмечается при нагрузках, соответствующих линии 2, минимум - промежутку между линиями 1 и 2. В многотарельчатом аппарате с тарелками, имеющими одинаковые конструктивные размеры, общая эффективность разделения будет в меньшей степени зависеть от колебаний внешних нагрузок, так как минимумы и максимумы разделения на разных тарелках не будут соответствовать одной и той же нагрузке и кривая эффективности разделения для всего аппарата в целом будет иметь сглаженный характер даже при незначительном изменении внутренних материальных потоков и физических свойств системы по высоте колонны.
Рассмотренные особенности работы тарелок провального типа отражены на рисунке 6.8.
lg ΔP
lg
ωг
Рисунок 6.8 – Зависимость гидравлического сопротивления провальной тарелки от скорости газа в колонне (при постоянной нагрузке по жидкости)
При низких скоростях пара (газа) ωг жидкость на тарелке не задерживается (скорость пара до точки А на рисунке 6.8). При достижении скорости пара, соответствующей точке А, происходит скачкообразное увеличение гидравлического сопротивления, так как на поверхности тарелки появляется слой жидкости, и она вступает область устойчивой работы, которая продолжается при скорости пара, соответствующей точке С. При дальнейшем увеличении скорости пара на графике зависимости ΔР=f(ωг) может наблюдаться перелом, который объясняется резким возрастанием количества жидкости на тарелке, при котором наступает захлебывание тарелки. При небольших расходах жидкости, большом свободном сечении тарелки и большом диаметре отверстия или размере щели гидравлическое сопротивление тарелки увеличивается монотонно, но при этом существенно возрастает брызгоунос (пунктирная линия на рисунке 6.8).