Таблица 14.1 Сравнительная характеристика насадок различных типов

Тип насадки	Производительность	Эффективность	Гидравлическое сопротивление
Кольца Рашига (d = 25 мм)	1	1	1
Кольца Палля (d = 25 мм)	1,4-1,5	1,00-1,25	0,70-0,75
Седла Берля	1,08-1,25	1,11	0,6-0,7
Седла <Инталокс>	1,2-1,4	1,3	0,45-0,50
<Гудлоу>	1,15-1,20	3,5	0,13
<Зульцер>	<2	2,5	0,25-0,45

 

Хорошие характеристики имеют насадки из проволочной сетки. Примером может служить насадка Гудлоу - пакеты свер-нутой в рулон гофрированной проволочной сетки (диаметр проволоки 0,1 мм). Гофры расположены под углом 60° к вертикали, высота пакета насадки 100-200 мм.

В России насадка из гофрированной сетки (рис. 14.18, е) используется для процессов ректификации, проводимых под вакуумом. Пакеты такой насадки высотой 150-200 мм изготовляют из тканой проволочной сетки толщиной 0,2 мм.

Последнее время за рубежом разработаны различные виды новой высокоэффективной насадки, способной работать при удельной нагрузке по жидкости L< 200 м³/(м²ч) и F = 5 ... 8 (м/с)/(кг/м³)°⁵. Насадка обеспечивает значительное (до 5-6) число теоретических ступеней на 1 м высоты и небольшое гидравлическое сопротивление (до 150 Па на 1 м высоты). Примерами может служить насадка <Импульс пакинг> из металла и полимерных материалов, насадка <Зульцер> (рис. 14.18, ж) из гофрированной сетки толщиной 0,16 мм, а также регулярная насадка <Роли пак>, образованная ярусами наклонных листов с прорезями (рис. 14.18, з).

В таблице 14.1 дана сравнительная характеристика насадок различных видов.

Область применения насадок. При выборе насадки для проведения конкретного процесса контактирования в системе пар (газ)-жидкость руководствуются обычно следующим правилом: регулярную насадку, гидравлическое сопротивление которой меньше, чем нерегулярной, используют в процессах вакуумной ректификации, нерегулярную - в процессах неглубокого вакуума и под давлением. Регулярной насадке отдают также предпочтение при обработке продуктов, время пребывания которых в аппарате ограничено, например, из-за склонности к разложению.

Регулярную насадку используют в вакуумных стальных колонных аппаратах диаметром 400-3600 мм, предназначенных для разделения термически нестойких и легко полимеризующихся органических смесей при остаточном давлении рабочей среды 0,25-98 кПа и температуре от 0 до 300 °С. Области применения основных типов насадок указаны в табл. 14.2.

 

Таблица 14.2 Области применения насадок

Тип насадки	Область применения
Плоскопараллельная	Процессы ректификации, требующие до пяти теоретических ступеней разделения и перепада давлений на одну теоретическую ступень до 0,06 кПа
Сотовая	Процессы ректификации, требующие до 15 теоретических ступеней разделения и перепада давлений на одну теоретическую ступень до 0,05 кПа
Из гофрированной сетки	Процессы ректификации чистых жидкостей, требующие большого числа (более 15) теоретических ступеней разделения и перепада давлений на одну теоретическую ступень до 0,03 кПа
Z-образная	Процессы ректификации и абсорбции загрязненных жидкостей, требующие до 15 теоретических ступеней разделения и перепада давлений на одну теоретическую тарелку до 0,05 кПа

 

При выборе типа аппарата, работающего при атмосферном или повышенном давлении, необходимо учитывать следующее. В аппаратах с регулярной насадкой обеспечивается больший F-фактор, чем при использовании нерегулярной насадки. Однако максимальная нагрузка по жидкости в аппаратах с нерегулярной насадкой достигает 300м³(м²ч), что почти на 30 % больше, чем для аппаратов с регулярной насадкой.

При небольшой нагрузке по газу [F = 4...5 (м/с)/(кг/м³)°⁵] допустимо и целесообразно использование нерегулярной насадки. При больших объемах газа необходимо использовать регулярную насадку с каналами, обеспечивающими преимущественный проход газовой фазы. Поскольку обычно F-фактор меняется по высоте колонны, можно использовать аппараты с комбинированной насадкой: в той части аппарата, где F-фактор меньше, размещают нерегулярную насадку, а там, где F-фактор больше,- регулярную. Таким образом, можно обеспечить оптимальные условия работы по всей высоте колонных аппаратов.

 

Экстракционные колонные аппараты

Жидкостную экстракцию, т. е. - процесс разделения жидких компонентов с помощью жидкого растворителя (экстрагента), широко применяют в процессах переработки нефти, для разделения ароматических и алифатических углеводородов, для обезвоживания уксусной кислоты, при разделении редкоземельных элементов и др. Процесс экстракции осуществляется в аппаратах, называемых экстракторами.

Экстракторы, в которых взаимное движение и сепарация контактирующих фаз генерируется силами гравитации, называются гравитационными, или колонными, в отличие от центробежных экстракторов, где взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

Колонные экстракторы для системы жидкость-жидкость разделяют на аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы, ко вторым - смесительно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.

 Распылительные экстракционные аппараты представляют собой полые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая - в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но мало эффективны. Насадочные экстракционные колонны по конструкции аналогичны рассмотренным выше насадочным колоннам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них используют преимущественно кольца Рашига, которые укладывают на опорные решетки колосникового типа.

Ситчатая экстракционная колонна (рис. 14.19) имеет вертикальный цилиндрический корпус 1 и перфорированные (ситчатые) тарелки 2, снабженные переливными устройствами 3. Колонна работает следующим образом. Тяжелая фаза ТФ через штуцер 4 подается непрерывно в колонну, сплошным потоком опускается по колонне и удаляется через штуцер 7. Легкая фаза ЛФ непрерывно поступает через штуцер 6 в колонну под нижнюю тарелку 2. Проходя через отверстия тарелки, эта фаза диспергируется и в виде капель поднимается под следующую тарелку. В верхней части дисперсная фаза коалесцирует в сплошной слой, образуя уровень раздела фаз а и удаляется через штуцер 5. В процессе образования капель и их движения осуществляется процесс массообмена.

Из аппаратов, работающих с подводом энергии, выделим прежде всего роторные экстракторы.

Одной из первых конструкций роторных экстракторов является колонна Шайбеля, состоящая из чередующихся смесительных и отстойных секций. Для перемешивания в смесительных секциях размещены закрепленные на валу мешалки. Отстойные секции заполнены насадкой (плетеной сеткой с крупными ячейками).

В конструкции, показанной на рис. 14.20, а, смесительная секция I изолирована от отстойной секции II горизонтальными статорными кольцами 1. В более поздних конструкциях колонн Шайбеля (рис. 14.20, б) перемешивание фаз осуществляется турбинными мешалками 1 в зоне между неподвижными кольцевыми перегородками 2 и слоем проволочной сетки 3.

Роторно-дисковый экстрактор представляет собой колонну, по оси которой установлен ротор в виде вертикального вала с круглыми горизонтальными дисками. Диски вращаются в полости секции, образованной закрепленными на корпусе статорными кольцами 3. Ротор приводится во вращение от электропривода 4. Легкая фаза ЛФ вводится в аппарат снизу, а тяжелая ТФ - сверху.

Под действием вращающихся дисков фазы в секциях совершают сложное циркуляционное движение, при котором совмещены радиальное и осевое движение жидкости. Дисперсная и сплошная фазы движутся противотоком; капли дробятся дисками, отбрасываются на периферию колонны, сталкиваются со стенками колонны и между собой. Одновременно с дроблением капель происходит их коалесценция.

На рис. 14.21 показан роторно-дисковый экстрактор с асимметричным расположением вала. В корпусе 1 аппарата смесительные секции отделены одна от другой статорными кольцами 3. Из одной секции в другую фазы перемещаются через отстойные зоны а, отделенные от смесительных зон вертикальным экраном 2.

В пульсационных экстракторах интенсификацию массообмена между контактирующими фазами обеспечивают сообщением им колебательного движения определенных амплитуды и частоты. Независимо от типа насадки экстракционную колонну в этом случае снабжают генератором пульсаций (пневматическим, механическим и др.) Так, в установке с пневматической системой пульсаций (рис. 14.21) воздух или инертный газ от компрессора 2 через ресивер 5 и золотниково-распределительный механизм 3 пневматического пульсатора поступает в пульсационную камеру 1 экстрактора 4. При прямом импульсе уровень жидкости в пульсационной камере снижается, вследствие чего жидкость в колонне поднимается при обратном импульсе-камера соединяется с атмосферой и жидкость в колонне опускается. В аппаратах этого типа не требуется устанавливать переливные устройства на тарелках, так как при подъеме столба жидкости в колонне через отверстие тарелки проходит легкая фаза ЛФ, а при опускании - тяжелая фаза ТФ.

В пульсационных экстракторах используют обычно ситчатые тарелки, а также тарелки типа КРИМЗ. Последняя более эффективна и представляет собой плоский- диск, на котором отштампованы прямоугольные отверстия с отбортовкой в виде наклонных направляющих лопаток. Отверстия размещены по концентрическим окружностям, причем лопатки соседних тарелок наклонены в противоположные стороны.

В вибрационных экстракторах эффективный массообмен обеспечивается возвратно-поступательным движением пакета перфорированных тарелок, через которые жидкость проталкивается в виде распадающихся на капли струй. В отличие от пульсаций столба жидкости вибрации тарелок происходят с меньшей амплитудой и большей частотой.

На рис. 14.23 показан вибрационный экстрактор. Как и в пульсационных аппаратах, тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы движутся противоточно. В верхней части колонны 1 размещен электропривод 4 с эксцентриком 5. При вращении вала эксцентрик передает возвратно-поступательное движение штоку 2, с которым жестко соединены перфорированные тарелки 3.