Плёночные аппараты

ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ, устройства, в к-рых жидкость стекает в виде тонкой пленки по стенкам труб или каналов, соприкасаясь с потоком газа, пара или др. несмешивающейся жидкости либо участвуя в передаче теплоты др. потоку жидкости или газа через твердую стенку. В хим. реакторах иногда используют многослойные (обычно дву-и трехслойные) течения одной жидкостной пленки по другой.

Наиб. распространены: 1) кожухотрубчатые пленочные тепломассообменные аппараты (рис. 1); 2) колонные аппараты с регулярными насадками (см. Насадочные аппараты} в виде пакетов из гладких (плоскопараллельные) и гофрир. пластин ("зигзаг") или сетки ("Зульцер", рулонные, Мульти-книт, Стедмана), а также в виде регулярно уложенных мелких элементов (кольца Рашига в укладку, "Импульс-пекинг") или блоков (щелевые, решетчатые, сотовые); 3) роторные пленочные аппараты с мех. подводом энергии.

Пленки жидкости и поток газа (пара) в кожухотрубчатых плёночных аппаратах могут двигаться в противоположном (противоток, рис. 2,а) и одном (прямоток, рис. 2, б, в, г)направлении. Гидродинамич. взаимод. фаз слабое, когда толщина и скорость течения пленки не зависят от скорости движения второй фазы (рис. 2, а, 6); сильное взаимод. обычно сопровождается образованием и уносом капель газовым потоком (рис. 2, в, г). В пределах каждой фазы течение м. б. ламинарным или турбулентным.

Наиб. важные технол. параметры для плёночных аппаратов-средняя толщина пленки h, характеризующая интенсивность теплопередачи, и потери напора в аппарате (в случае абсорбции определяют энергозатраты на процесс, при ректификации влияют на изменение т-ры по высоте колонны). При слабом взаимод. фаз h стекающей пленки жидкости (независимо от относит. направления потоков-противоток, прямоток) для ламинарного режима течения (число Рейнольдса для пленки жидкости Re_L < 1600) определяют по ф-ле Нуссельта:

для турбулентного режима (Re_L > 1600):

где ; q-линейная плотность орошения, м³/(м·с); -кинематич. вязкость жидкости, м²/с; -дина-мич. вязкость жидкости, Па·с; -плотн. жидкости, кг/м³; -приведенная толщина пленки, м; g-ускорение своб. падения, м/с². Величина h принимает значения от десятых долей мм для маловязких жидкостей (типа воды) до неск. мм для вязких жидкостей (типа глицерина) при больших плотностях орошения.

Время пребывания пленки в зоне контакта фаз обычно невелико вследствие высокой скорости течения u_L — q/h. Плёночные аппараты характеризуются также очень низкими перепадами давления:

где- коэф. гидравлич. сопротивления орошаемой трубы; l-длина трубы, м; D-диаметр трубы, м; -плотн. газа, кг/м³; -среднерасходная скорость газа, м/с; u_i-скорость поверхностного слоя пленки жидкости, м/с, к-рая суммируется с при противотоке и вычитается из нее при прямотоке. Для гладкой пов-сти пленки при наиб. распространенном в природе и технике турбулентном режиме течения газа справедлива ф-ла Блазиуса:

где - коэф. гидравлич. сопротивления для гладкой пленки, (D - 2h)/v_G, v_G-кинематич.вязкость газа, м²/с. Однако уже при Re_L 20-40 в реальных условиях пов-сть пленки покрывается системой нерегулярных волн, к-рые по амплитуде делятся на крупные (наплывообразные) и мелкие капиллярные волны. Наличие большого числа мелких волн приводит к росту относит. гидравлич. сопротивления из-за дополнит. потерь на отрыв потока с гребней волн. Найдено, что

где a-относит. амплитуда мелких волн; l_s -их длина, м; постоянная C = 0 для противотока и С = 0,11 для нисходящего прямотока.

Крупные волны полностью перемешивают приповерх-ностные слои жидкости и интенсифицируют массообмен в 2-2,5 раза по сравнению с теоретич. расчетом для ламинарной гладкой пленки. Коэф. массоотдачи для пленки жидкости b_L (м/с) м. б. оценен по ф-ле , где D_A-коэф. мол. диффузии распределяемого компонента А (м²/с), f_B-частота крупных волн (л/с). Для турбулентного течения пленки справедлива теоретич. ф-ла , где - безразмерный параметр, s-поверхностное натяжение (Дж/м²), Sc_L = = v_L/D_A - число Шмидта для жидкости.

Массоотдача в газовой (паровой) фазе в области слабого взаимод. при турбулентном режиме течения газа (пара) определяется по аналогии с поверхностным трением газа в орошаемой трубе (аналогия Чилтона-Колборна):

где b_G-коэф. массоотдачи для газовой (паровой) фазы, м/с; Sc_G-число Шмидта для газовой фазы.

Предельные нагрузки по жидкости и газу (макс. производительность) противоточных плёночных аппаратов ограничены "захлебыванием". При скоростях газа в аппарате, близких к скорости захлебывания U₀, сила трения газа о пов-сть пленки и сила тяжести, действующие на жидкость в противоположных направлениях, становятся соизмеримыми, в результате чего жидкость накапливается и периодически выбрасывается из верх. части аппарата. При газ (пар) под действием силы трения увлекает пленку вверх по стенкам канала, вследствие чего реализуется восходящее пленочное течение (рис. 2,в). Ha практике при= (0,8-0,9)U₀ скорость газового потока еще не влияет на толщину пленки и может приниматься как рабочая скорость при расчете противо-точных аппаратов. Для обеспечения противотока газа и жидкости в целом по многоступенчатой колонне при прямоточном характере контакта на отдельной ступени организация потоков усложняется (рис. 3).

Нисходящее прямоточное пленочное течение (рис. 2,5, г) не сопровождается захлебыванием. Однако и в этом случае существует критич. скорость газа (пара) U_G^*, характеризующая начало сильного гидродинамич. взаимод. фаз, когда волнообразование, толщина и скорость течения пленки начинают существенно зависеть от скорости газового потока, а с гребней волн срываются капли жидкости. В условиях интенсивного прямоточного (восходящего и нисходящего) течения фаз осн. гидродинамич. параметры пленочного течения и коэф. массо- и теплообмена рассчитывают обычно по полуэмпирич. зависимостям.

В ряде спец. случаев используют кожухотрубчатые плёночные аппараты с закрученным двухфазным потоком (вихревые плёночные аппараты), отличающиеся от аппаратов со стекающей или восходящей пленкой наличием завихрителей, размещаемых в контактных трубах. Завихрители бывают двух типов - осевые и тангенциальные. Наиб. распространены осевые завихрители в виде скрученной ленты или шнека, к-рые могут устанавливаться внутри контактной орошаемой трубы по всей ее высоте или в виде отдельных вставок.

Рис. 3. Схема трехступенчатого пленочного аппарата с восходящим прямотоком фаз на ступенях.

Кожухотрубчатые плёночные аппараты применяют как конденсаторы, холодильники, испарители, десорберы, абсорберы, ректификац. колонны и лаб. колонны с орошаемыми стенками, кристаллизац. колонны.

Роторные плёночные аппараты можно разделить на две осн. группы. К первой относятся аппараты, в к-рых тепло- и массообмен и хим. превращ. происходят в тонком слое жидкости, создаваемом на внутр. пов-сти неподвижного корпуса с помощью вращающегося лопастного ротора. Ко второй-аппараты, в к-рых процессы переноса осуществляются в тонком слое жидкости, движущейся под действием центробежной силы по внутр. пов-сти вращающихся конусов, цилиндров, спиралей или дисков. К этому же типу относятся аппараты с разбрызгивающим жидкость ротором.

Наиб. распространены роторные лопастные аппараты первой группы, в к-рых лопасть подвижного ротора активно воздействует на пленку жидкости, перемешивая ее. Эти аппараты подразделяются на вертикальные (обычно ци-линдрич. формы) и горизонтальные (как правило, конич. формы). Роторы вертикальных цилиндрич. аппаратов (рис. 4) в осн. бывают трех видов: 1) лопасти жестко соединены с валом и имеют постоянный зазор с внутр. пов-стью корпуса (рис. 4,а); 2) лопасти крепятся шарнирно, и во время работы зазор между кромкой лопасти и корпусом аппарата устанавливается самопроизвольно (рис. 4,б); 3) маятниковые лопасти (рис. 4,в); на валу ротора с помощью подвесов установлены лопасти, к-рые при вращении ротора занимают радиальное положение с миним. зазором (0,3-0,5 мм). В аппаратах с перераспределением жидкости по высоте пов-сти тепло-, массообмена иногда используют роторы разбрызгивающего типа (рис. 4,г). При вращении ротора перед лопастью образуется турбулентный жидкостной валик, за лопастью остается тонкий слой жидкости, стекающий в ламинарном режиме под действием сил гравитации. С каждым новым приходом лопасти жидкость в этом слое перемешивается, а свободная пов-сть обновляется. Обновляется жидкость и у стенки аппарата.

Аппараты, работающие благодаря действию центробежной силы, обычно наз. роторными ректификаторами. В аппаратах такого типа ротор часто состоит из набора контактных устройств (ступеней), закрепленных на вращающемся валу. В роторно-спиральной ректификац. колонне каждая ступень представляет собой одно- или многозаход-ную спираль Архимеда. Жидкость тонкой пленкой течет по внутр. пов-сти вращающейся спирали от центра к периферии. Контактирующий с жидкостью пар (газ) проходит через зазоры между витками спиралей. Жидкость, сбрасываемая с наружных кромок спиралей, попадает в кольцевой сборник, откуда перетекает в расположенную ниже ступень, где процесс повторяется снова. Роторные плёночные аппараты используют для работы с высоковязкими жидкостями (до неск. тыс. Па · с), в произ-вах капролактама, формальдегида, мочевины, жирных к-т и спиртов, гликолей, вазелина, желатина, глицерина, силиконовых масел, полимеров и др.

Лит.: Уоллис Г., Одномерные двухфазные течения, пер. с англ., M., 1972; Тананайко Ю. M., Воронцов E. Г., Методы расчета и исследования пленочных процессов, К., 1975; Коган В. Б., Харисов М.С., Оборудование для разделения смесей под вакуумом, Л., 1976; Олевский В. M., Ручинский В.Р., Роторно-пленочные тепло- и масообменные аппараты, M., 1977; Пленочная тепло- и масообменная аппаратура, под ред. В. M. Олевского, M., 1988. Н. Н. Кулов.