плёночные аппараты
ПЛЁНОЧНЫЕ АППАРАТЫ
устройства, в которых 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 кожухотруб-чатых П. а. 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 П. а. — средняя толщина пленки h, характеризующая интенсивность теплопередачи, и потери напора в аппарате
для турбулентного режима (ReL > 1600):
где
Время пребывания пленки в зоне контакта фаз обычно невелико вследствие высокой скорости течения uL — q/h. П. а. характеризуются также очень низкими перепадами давления:
где
где
где α-относит. амплитуда мелких волн; ls — 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 bL (м/с) м. б. оценен по формуле
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 bG-коэф. массоотдачи для газовой (паровой) фазы, м/с; ScG-число Шмидта для газовой фазы.
Предельные нагрузки по жидкости и газу (макс. производительность) противоточных П. а. ограничены "захлебыванием". При скоростях газа в аппарате
Нисходящее прямоточное пленочное течение (рис. 2,5, г) не сопровождается захлебыванием. Однако и в этом случае существует критич. скорость газа (пара) UG*, 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 П. а. с закрученным двухфазным потоком (вихревые П.а.), 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, которые 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 П. а. применяют как конденсаторы, холодильники, испарители, десорберы, абсорберы, ректификац. колонны и лаб. колонны с орошаемыми стенками, кристаллизац. колонны.
Роторные П.а. можно разделить на две осн. группы. К первой относятся аппараты, в которых тепло- и массообмен и хим. превращ. происходят в тонком слое жидкости, создаваемом на внутр. поверхности неподвижного корпуса с помощью вращающегося лопастного ротора. Ко второй-аппараты, в которых процессы переноса осуществляются в тонком слое жидкости, движущейся под действием центробежной силы по внутр. поверхности вращающихся конусов, цилиндров, спиралей или дисков. К этому же типу относятся аппараты с разбрызгивающим жидкость ротором.
Наиб. распространены роторные лопастные аппараты первой группы, в которых 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. поверхностью 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, которые при вращении ротора занимают радиальное положение с миним. зазором (0,3–0,5 мм). В аппаратах с перераспределением жидкости по высоте поверхности 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 поверхность 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. поверхности 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 П. а. используют для работы с высоковязкими жидкостями (до неск. тыс. Па ∙ с), в производствах капролактама, формальдегида, мочевины, жирных кислот и спиртов, гликолей, вазелина, желатина, глицерина, силиконовых масел, полимеров и др.
Лит.: Уоллис Г., Одномерные двухфазные течения, пер. с англ., М., 1972; Тананайко Ю. M., Воронцов Е. 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, М., 1977; Пленочная тепло- и масообменная аппаратура, под ред. В. M. Олевского, М., 1988.
Н. Н. Кулов
Химическая энциклопедия