Хімічні основи абсорбції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

На промислових підприємствах доводиться здійснювати не лише розподіл розчинів на складові компоненти, але і процеси розподілу газових і парових сумішей. Для розподілу газових і парових сумішей найчастіше використовують абсорбційні процеси. В основі абсорбційних процесів знаходиться вибіркова здатність до поглинання окремих компонентів суміші.

Абсорбція - процес поглинання пари або газів з газових або парогазових сумішей рідкими поглиначами - абсорбентами.

Процеси абсорбції застосовуються для:

1. вилучення цінних компонентів з газових сумішей;

2. санітарного очищення газів, що випускаються в атмосферу;

3. як основна технологічна стадія ряду найважливіших виробничих процесів.

Методи абсорбції характеризуються безперервністю і універсальністю процесу, економічністю і можливістю вилучення великих кількостей домішок з газів. Недоліком цього методу є те, що насадкові, барботажні і навіть пінні апарати забезпечують досить високу міру вилучення шкідливих домішок (до ГДК) і повну регенерацію поглиначів тільки при великому числі ступенів очищення. Тому технологічні схеми абсорбційного очищення, як правило, складні, багатоступінчасті і очисні апарати мають великі розміри.

Будь-який процес мокрого абсорбційного очищення газів, що відходять, від газо- і пароподібних домішок доцільний тільки у разі його циклічності і безвідходності. Але і циклічні системи мокрого очищення конкурентоспроможні тільки тоді, коли вони поєднані з пилоочищенням і охолодженням газу. В даній курсовій роботі проводиться розрахунок параметрів апарату, тарілок, які створюють найбільш оптимальні умови для роботи абсорбційної установки.



1. Фізико-хімічні основи технологічного процесу

Абсорбцією називають процес поглинання газу рідким поглиначем (абсорбентом), я якому газ розчинюється в тій чи іншій мірі. Зворотний процес - виділення розчиненого газу з розчину називається десорбцією.

В абсорбційний процесах (абсорбція, десорбція) приймають участь дві фази - рідка и газоподібна й відбувається перехід речовини з газоподібної фази в рідку (при абсорбції) або навпаки, з рідкої фази в газоподібну (при десорбції). Таким чином, абсорбційні процеси є одним з видів процесів масо передачі.

На практиці абсорбції піддають в більшій частині не окремі гази, а газові суміші, складові частини яких (одна або декілька) можуть поглинатися даним поглиначем в помітних кількостях. Ці складові частини називають абсорбційними компонентами або просто компонентами, а складові частини, що не поглинаються - інертним газом.

Розрізняють фізичну і хімічну абсорбцію (хемосорбцію).

При фізичній абсорбції молекули абсорбтива (компонент, що поглинається) не вступають з молекулами абсорбенту в хімічну взаємодію, тобто процес поглинання цільового компонента рідким поглиначем не супроводжується хімічною реакцією. При цьому над розчином існує певний рівноважний тиск компонента, і до тих пір, поки парціальний тиск компонента в газовій фазі перевищує рівноважний тиск над розчином, процес поглинання триває; досить повний витяг компонента з газового потоку можливий тільки при протитечії і подачі в багатоступінчастий абсорбер чистого абсорбенту.

При хімічній абсорбції молекули абсорбтива вступають у хімічну взаємодію з молекулами активного компонента абсорбенту, утворюючи нове хімічне з'єднання. В порівнянні з фізичною абсорбцією в цьому випадку рівноважний тиск компонента над розчином мізерно малий і можливе повне його вилучення з газової фази.

Однак поділ процесу поглинання на фізичну і хімічну абсорбцію слід вважати умовним: процес поглинання, що супроводжується відносно сильною фізичною взаємодією молекул абсорбтива з молекулами абсорбенту, близький до процесу поглинання, що супроводжується слабкою хімічною реакцією.

Поєднання абсорбції з десорбцією дозволяє багатократно використовувати практично без втрат рідкий поглинач в замкнутому контурі абсорбер-десорбер-абсорбер (круговий процес) і виділяти поглинутий компонент в чистому вигляді.

В промисловості абсорбція с послідуючою десорбцією шороко застосовується для виділення з газових сумішей цінних компонентів (наприклад, для витягу з коксового газу аміака, бензолу та ін.), для очистки технологічних і горючих газів від шкідливих домішок (наприклад, при очистці їх від сірководню), для санітарної очистки газів (наприклад, відхідних газів від сірчаного ангідриду).

В деяких випадках десорбцію не проводять, якщо компонент, що вилучається і поглинач є дешевими або залишковими продуктами або якщо в результаті абсорбції виходить готовий продукт (наприклад, соляна кислота при абсорбції хлористого водню водою).

1.1 Швидкість абсорбції

При застосуванні процесів абсорбції мають справу як з добре, так і з погано розчинними газами. В залежності від цього механізм переносу маси видозмінюється, що безпосередньо впливає на значення коефіцієнта масопередачі, а отже, і на інтенсивність процесу. При абсорбції добре розчинних газів опір масопередачі при проходженні газу через кордон контакту невеликий і ним можна знехтувати. Навпаки, при абсорбції погано розчинних газів основний опір масопередачі зосереджено на межі переходу газоподібної речовини в рідку фазу. Таке розділення газів на добре і погано розчинні умовно, але воно має велике значення для підбору апаратури при реалізації процесу.

Процеси фізичної абсорбції в ряді випадків супроводжуються тепловими ефектами розчинення, і цю обставину також слід враховувати при організації процесу. Розчинність газів у рідинах при збільшенні температури зменшується, і тому в тих випадках, коли теплота розчинення газу в рідині значна, необхідно при виборі абсорбційної апаратури передбачати можливість відведення теплоти, що утворюється для повноти проведення процесу.

При проведенні процесів десорбції необхідно нагрівати суміш, тим самим змушуючи виділятися абсорбований газ.

1.2 Абсорбенти

Абсорбенти - це речовини, що володіють здатністю абсорбції, тобто поглинання, всмоктування якої-небудь іншої речовини з розчину або з газу всією своєю масою, на відміну від адсорбентів, які поглинають, всмоктують тільки своєю поверхнею. Абсорбція - це окремий випадок сорбції. При фізичній абсорбції процес поглинання речовини не супроводжується хімічною реакцією, а при хемосорбції речовина, що абсорбує вступає в хімічну реакцію з речовиною абсорбенту.

Види абсорбентів

В якості абсорбентів в принципі може бути використана будь-яка рідина, в якій може розчинятися компонент, що вилучається з газового потоку.

При фізичній абсорбції в процесах рекуперації зазвичай використовують органічні розчинники - неелектоліти, що не реагують з цільовим компонентом, і їх водні розчини.

Неелектоліти - це речовини, розчини або розплави яких не проводять електричний струм. До них відносяться: кисень, водень, багато органічних речовин (ефіри, бензол та ін.) У молекулах цих речовин існують ковалентні не полярні або малополярні зв'язки.

При хімічній абсорбції в якості абсорбентів використовують водні розчини моноетаноламіну, діетилноламіна, аміаку, розчини карбонату натрію і калію, трікалійфосфата та інші. Молекули цільового компонента, розчиненого в рідині, вступають в реакцію з молекулами активного компонента абсорбенту. Більшість реакцій є екзотермічними та оборотними, в наслідок чого при підвищенні температури рідини хімічна сполука, що виникла розкладається з виділенням вихідних компонентів.



2. Огляд апаратів для виконання процесу

абсорбція хімічний поглинач

При абсорбції визначальною характеристикою є між фазна поверхня, від стану якої багато в чому залежить швидкість перенесення цільового компоненту з газової фази в рідку Тому інтенсифікація абсорбційних процесів проводиться на шляху творення апаратів з найбільш розвиненою поверхнею контакту фаз, здатних працювати при високих швидкостях газового потоку (розрахованих на повний поперечний переріз), тобто по шляху створення апаратів великої одиничної потужності.

При абсорбції процес масопередачі протікає на поверхні дотику фаз. Саме тому в апаратах для поглинення газів рідиною(абсорберах) повинна бути створена розвинута поверхня дотику між газом і рідиною.

Як було розглянуто раніше, вимоги, які пред'являються до абсорбційної апаратури, полягають у розвитку максимальної поверхні контакту між фазами, мінімальному гідравлічному опорі, забезпеченні відведення теплоти. При процесі десорбції проводиться підведення теплоти. Крім того, оскільки практично майже всі хімічні реагенти надають сильного кородуючого впливу, матеріал, з якого зроблена апаратура, повинен добре протистояти цьому впливу.

За способом утворення поверхні зіткнення абсорбери умовно поділяються на поверхневі, плівкові, насадочні, барботажні (тарілчасті), розпилюючі та інші.

Так як контакт між газом і рідиною здійснюється не тільки в процесі абсорбції, але і в інших аналогічних процесах, наприклад при ректифікації (контакт між парою і рідиною), то й застосовувана абсорбційна апаратура частково використовується для інших подібних процесів.

З різних типів апаратів в даний час найбільш поширеними є насадкові і барботажні тарілчасті абсорбери. При виборі типу абсорбера потрібно в кожному конкретному випадку виходити з фізико-хімічних умов проведення процесу з урахуванням техніко-економічних факторів.

Основні розміри абсорбера (наприклад, діаметр і висота) визначають шляхом розрахунку, виходячи із заданих умов роботи. Для розрахунку необхідні відомості по статиці і кінетиці процесу. Дані по статиці знаходять з довідкових таблиць, розраховують за допомогою термодинамічних параметрів або визначають дослідним шляхом. Дані по кінетиці в значній мірі залежать від типу апарату і режиму його роботи. Найбільш надійні результати експериментів, проведених при тих же умовах. У ряді випадків подібні дані відсутні і доводиться вдаватися до розрахунку чи дослідів.

В даний час ще немає цілком надійного методу, що дозволяє визначати коефіцієнт масопередачі шляхом розрахунку або на основі лабораторних або модельних дослідів. Однак для деяких типів апаратів можна знайти коефіцієнти масопередачі з достатньо великою точністю за допомогою розрахунку або порівняно простих дослідів.

2.1 Поверхневі абсорбери

Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів (наприклад, для поглинення хлористого водню водою). В даних апаратах газ проходить над поверхнею нерухомої або повільно рухомої рідини (рис 2.1). Так як поверхня дотику в таких абсорберах мала, то встановлюють декілька послідовно з'єднаних апаратів, в яких газ і рідина рухаються протитечією один до одного. Для того щоб рідина рухалася по абсорберам самоплином, кожен наступний по руху рідини апарат розташовують трохи нижче попереднього. Для відводу тепла, що виділяється при абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, що охолоджуються водою або іншим охолоджуючим агентом, або ж поміщають абсорбери в сосуди з проточною водою.



Рис. 2.1. Поверхневий абсорбер

На рис. 2.2 показані два поверхневих абсорбери. Кожен апарат являє собою посудину, нижня частина якої має форму усіченого конуса, а верхня - сферичну. Підведення та відведення рідини здійснюються двома штуцерами в бічній частині апарату, а підведення і відведення газу - штуцерами більшого діаметру у верхній частині. При протитечійній подачі найбільш концентрована газова фаза стикається з найбільш концентрованою рідиною. У міру проходження газу його концентрація падає і з останнього апарату, в який потрапляє чистий розчинник, газ відводиться з найменшою концентрацією.

Рис. 2.2. Поверхневі абсорбери: 1 - штуцера для введення газу, 2 - штуцера для відведення газу, 3 - штуцера для введення рідини, 4 - штуцера для відведення рідини

У всіх апаратах каскаду підтримується різниця концентрацій (рушійна сила), і всі апарати працюють більш-менш рівномірно. Такі каскади апаратів, виготовлені з кераміки, застосовуються, зокрема, для поглинання хлористоводневого газу (хвостових газів) водою і отримання соляної кислоти.

Недоліком поверхневих абсорберів є низьке знімання тепла й відносно мала продуктивність.

Поверхневі абсорбери мають обмежене застосування внаслідок їх малої ефективності і громіздкості.

Поверхневі абсорбери малоефективні. Вони використовуються в основному для абсорбції добре розчинних компонентів з невеликих обсягів газу при одночасному відведенні тепла. Ці абсорбери застосовують, зокрема, при поглинанні компонентів з висококонцентрованих газових сумішей.

2.2 Зрошувальні абсорбери

Зрошувальний абсорбер (рис. 2.3.) складається з ряду труб 2, в середині яких перетікає рідина, що надходить в верхню частину, і переміщується газ, що рухається протитечією знизу. Зовні труби інтенсивно охолоджуються водою, що стікає по їх стінкам. В кожному трубчастому елементі в місці зливу є поріг 1, що підтримує постійний рівень рідини. Хоча відвід теплоти в цих апаратах відбувається інтенсивніше чим в поверхневих абсорберах, їх продуктивність в поверхні теплообміну все ж відносно невелика.

Рис. 2.3. Зрошувальний абсорбер: 1 - зливні пороги, 2 - трубчасті елементи

2.3 Плівкові абсорбери

Ці апарати більш ефективні і компактні, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберів поверхнею контакту фаз є поверхня поточної плівки рідини.

Розрізняють такі різновиди апаратів даного типу:

трубчасті абсорбери;

абсорбери з плоско-паралельною або листовою насадкою;

абсорбери з висхідним рухом плівки рідини.

Трубчастий абсорбер

Трубчастий абсорбер (рис. 2.4.) являє собою кожухо-трубчастий теплообмінник, розташований вертикально. Апарат складається з пучка паралельних труб 2, кінці яких укріплені в трубних гратах 1. Рідина через верхній бічний патрубок надходить в трубки 2, стікає по стінках, утворюючи плівку, а потім видаляється через нижній патрубок. Газ надходить у нижню частину абсорбера, піднімається по трубах, контактуючи з плівкою рідини, що стікає і видаляється через верхній патрубок. Охолоджуючий агент, зазвичай вода, надходить в нижній патрубок по міжтрубному простору і видаляється з його верхньої частини.

Рис. 2.4. Трубчастий абсорбер: 1 - трубчасті решітки, 2 - труби, 3 - сифон



Контакт між газом і рідиною відбувається в тонкому шарі при інтенсивному перемішуванні рідини на охолоджуваній теплообмінній поверхні. Це дозволяє з успіхом застосовувати такі апарати для проведення абсорбції з великим тепловим ефектом. Нижній патрубок для видалення рідини приєднується до сифона 3, що перешкоджає потраплянню газу в трубопровід для відведення рідини.

Абсорбер з плоскопаралельною насадкою

Абсорбер з плоскопаралельною насадкою (рис. 2.5.) являє собою колону з листовою насадкою 1 в вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластичні маси та інші) або туго натягнутих полотнищ з тканини. В верхній частині абсорбера знаходяться розподільні пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.

Рис. 2.5. Абсорбер з плоско паралельною насадкою: листова насадка, 2 - розподільний пристрій

Абсорбер з висхідним рухом рідини

Абсорбер з висхідним рухом плівки (рис. 2.6) складається з труб 1, закріплених в трубних гратах 2. Газ з камери 3 проходить через патрубки 4, розташовані співвісно з трубами 1. Абсорбент надходить в труби через щілини 5. Рухомий з достатньо великою швидкістю газ захоплює рідку плівку в напрямку свого руху (знизу вгору), тобто апарат працює в режимі висхідної протитечії. По виході з труб 1 рідина зливається на верхню трубну решітку і виводиться з абсорбера. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному просторі пропускають охолоджуючий агент. Для збільшення ступеня вилучення застосовують абсорбери такого типу, що складаються з двох або більше ступенів, кожна з яких працює за принципом прямотоку, в той час як в апараті в цілому газ і рідина рухаються протитечією один до одного. В апаратах з висхідним рухом плівки внаслідок великих швидкостей газового потоку (до 30 - 40 м / с) досягаються високі значення коефіцієнтів масопередачі, але, разом з тим, гідравлічний опір цих апаратів відносно великий.

Рис. 2.6. Абсорбер з висхідним рухом рідкої плівки: труби, 2 - трубна решітка, 3 - камера, 4 - патрубок для подачі газу, 5 - щілина для подачі абсорбенту

2.4 Насадкові абсорбери

Широке поширення в промисловості в якості абсорберів отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різноманітної форми. У насадковій колоні (рис. 2.7.) насадка 1 укладається на опорні решітки 2, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини. Остання за допомогою розподільника 3 рівномірно зрошує насадкові тіла і стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілу рідини по перетину колони зазвичай не досягається, що пояснюється пристінковим ефектом - більшою щільністю укладки насадки в центральній частині колони, ніж у її стінок. Внаслідок цього рідина має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметру насадку іноді укладують шарами (секціями) висотою 2-3 м. і під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють перерозподільники рідини 4.

Рис. 2.7. Насадковий абсорбер: 1 - насадка, 2 - опорна решітка, 3 - розподілювач рідини, 4 - перерозподільник рідини

У насадковій колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадкові апарати можна розглядати як різновид плівкових. Однак в останніх плівковий протяг рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадкових абсорберах - тільки по висоті елемента насадки. При перетіканні рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується й на нижче лежачому елементі утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді цівок, крапель та бризок. Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою (застійною) рідиною.

Основними характеристиками насадки є її питома поверхня б (м²/м³) і вільний об'єм е (м³/м³). Величину вільного об'єму для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення об'єму насадки водою.

Гідродинамічні режими

Насадкові абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах.

Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликій щільності зрошення і малих швидкостях газу. Кількість рідини, що затримується в насадці при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.

Другий режим - режим підвисання. При протитоку фаз внаслідок збільшення сил тертя газу об рідину на поверхні дотику фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. В результаті цього швидкість течії рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються. У режимі підвисання із зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно - інтенсивність процесу масопередачі.

Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини в вільному об'ємі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між рідиною, що стікає і піднімається по колоні газом не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці.

При цьому настає звернення, або інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ - дисперсною). Утворюється газорідинна дисперсна система, що зовнішнім виглядом нагадує барботажний шар (піну) або газорідинну емульсію. Режим емульгування починається у самому вузькому перерізі насадки, щільність засипки якої, як зазначалося, нерівномірна по перетину колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений по всій висоті насадки.

Режим емульгування відповідає максимальної ефективності насадкових колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки (і не стільки) геометричною поверхнею насадки, а поверхнею пухирців і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Однак при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно великий. У режимах підвисання і емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад в процесах абсорбції, що проводяться при підвищених тисках). Для абсорберів, що працюють при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великою, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найбільш ефективний гідродинамічний режим в кожному конкретному випадку можна встановити тільки шляхом техніко-економічного розрахунку.

У звичайних насадкових колонах підтримання режиму емульгування являє великі труднощі. Є спеціальна конструкція насадкових колон з затопленою насадкою, що називаються емульгаційними (рис. 2.8). У колоні 1 режим емульгування встановлюють і підтримують за допомогою зливної труби, виконаної у вигляді гідравлічного затвора 2. Висоту емульсії в апараті регулюють за допомогою вентилів 3. Для більш рівномірного розподілу газу по перерізу колони в ній є тарілка 4. Емульгаційні колони можна розглядати як насадкові лише умовно. У цих колонах механізм взаємодії фаз наближається до барботажних.

Рис. 2.8. Емульгаційна насадкова колона: колона, 2 - гідравлічний затвор, 3 - вентиль, 4 - розподільча тарілка



Четвертий режим - режим унесення або зверненого руху рідини, що виносяться з апарата газовим потоком. Цей режим на практиці не використовується.

Вибір насадок

Для того щоб насадка працювала ефективно, вона повинна відповідати таким основним вимогам:

· володіти великою поверхнею в одиниці об'єму;

· добре змочуватися зрошувальною рідиною;

· надавати малий гідравлічний опір газовому потоку;

· рівномірно розподіляти зрошувальну;

· бути стійкою до хімічного впливу рідини і газу, що рухаються в колоні;

· мати малу питому вагу;

· володіти високою механічною міцністю;

· мати невисоку вартість.

Насадок, що повністю задовольняють всім зазначеним вимогам, не існує, так як, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки тягне за собою збільшення гідравлічного опору апарату і зниження граничних навантажень.

У промисловості застосовують різноманітні за формою і розмірами насадки (рис. 2.9.), які в тій чи іншій мірі задовольняють вимогам, що є основними при проведенні конкретного процесу абсорбції. Насадки виготовляють з різноманітних матеріалів (кераміка, фарфор, сталь, пластмаси та ін.), вибір яких диктується величиною питомої поверхні насадки, змочуваністю і корозійною стійкістю.



Рис. 2.9. Типи насадок: а - кільця Рашига, хаотично складені, б - кільця з перегородками, правильно складені, в-насадка Гудлоє, г - кільця Паля, д - насадка «Спрейпак», е - сідла Берля, ж - хордова насадка, з - сідла «Инталлокс»

2.5 Барботажні (тарілчасті) абсорбери

Тарілчасті абсорбери являють собою, як правило, вертикальні колони, всередині яких на певній відстані один від одного розміщені горизонтальні перегородки - тарілки. За допомогою тарілок здійснюється спрямований рух фаз і багаторазова взаємодія рідини і газу.

В даний час в промисловості застосовуються різноманітні конструкції тарілчастих апаратів. За способом зливу рідини з тарілок барботажні абсорбери можна підрозділити на колони:

· з тарілками зі зливними пристроями;

· з тарілками без зливних пристроїв.

Тарілчасті колони із зливними пристроями.

У цих колонах перелив рідини з тарілки на тарілку здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв - зливних трубок, кишень і т. п. Нижні кінці трубок занурені в стакан на нижче розташованих тарілках і утворюють гідравлічні затвори, що виключають можливість проходження газу через зливний пристрій.

Принцип роботи колон такого типу видно з рис. 2.10, де в якості прикладу показаний абсорбер з сітчастими тарілки. Рідина надходить на верхню тарілку 1, зливається з тарілки на тарілку через переливні пристрої 2 і видаляються з нижньої частини колони. Газ надходить у нижню частину апарата проходить послідовно крізь отвори або ковпачки кожної тарілки. При цьому газ розподіляється у вигляді бульбашок і струменів в шарі рідини на тарілці, утворюючи на ній шар піни, що є основною областю масообміну і теплообміну на тарілці. Відпрацьований газ видаляється зверху колони.

Рис. 10. Тарілчаста колона зі зливними пристроями: тарілка, 2 - зливні пристрої

Переливні трубки розташовують на тарілках таким чином, щоб рідина на сусідніх тарілках протікала під взаємно проти направлених напрямках. За останній час все ширше застосовують зливні пристрої у вигляді сегментів, вирізаних в тарілці і обмежених порогом - переливом.

До тарілок із зливними пристроями відносяться: сітчасті, ковпакові, клапанні і баластні, пластинчасті.

Одним з різновидів колон з сітчастими тарілками є колона з сітчастими тарілками і пакетом звивистих пластин, що розташовані між тарілками (рис. 2.11). Пакет звивистих пластин сприяє утворенню допоміжної зони масообміну і уловлюванню бризків рідини, що утворюється в процесі барботажу на сітчастій тарілці, і поверненню їх в шар рідини на ту ж тарілку.

Рис. 2.11. Абсорбер з сітчастими тарілками: 1 - тарілка, 2 - переливний пристрій, 3 - сепараційна зона

2.6 Розпилювальні абсорбери

На рисунку 13 показані деякі типи розпилювальних абсорберів, виконаних у вигляді порожнистих колон. Газ в них рухається зазвичай знизу вгору, а рідина подається через розташовані у верхній частині колони розпилювачі з напрямком факела розпилу зверху вниз (рис 2.12, а) або під деяким кутом до горизонтальної площини (рис. 2.12, б).

У багатьох випадках, особливо при великій висоті колони, розпилювачі розташовують у кілька ярусів. При цьому факели розпилу направляють зверху вниз або під кутом до горизонтальної площини (рис. 2.12, б) або знизу вгору. Застосовують також комбіновану установку розпилювачів частина факелом вгору, а частина - факелом вниз.



Рис. 2.12. Порожнисті розпилювальні абсорбери: а - факел розпилу спрямований вниз, б - факел розпилу спрямований під кутом (дворядне розкладання форсунок); в-з пережимом в нижній частині

Значно більш ефективними апаратами є прямоточні розпилювальні абсорбери, в яких розпорошена рідина захоплюється і несеться газовим потоком, що рухається з великою швидкістю (20 - 30 м / с і більше), а потім відділяється від газу в сепараційній камері. До апаратів такого типу відноситься абсорбер Вентурі (Рис. 2.13.), основною частиною якого є труба Вентурі. Рідина надходить у конфузор 1 труби, тече у вигляді плівки і в горловині 2 розпилюється газовим потоком. Далі рідина виноситься газом в дифузор 3, в якому поступово знижується швидкість газу, і кінетична енергія газового потоку переходить в енергію тиску з мінімальними втратами. Сепарація крапель відбувається в камері 4.

Рис. 2.13. Розпилювальний абсорбер Вентурі: 1 - конфузом, 2 - горловина, 3 - дифузор, 4 - сепараційна камера

3. Технологічна схема установки

В даний час в промисловості застосовують різні технологічні схеми виробництва екстракційної фосфорної кислоти на основі дигідратного і напівгідратного процесів. Ангідритний процес поке не готовий для примислового впровадження.

Дигідратний спосіб виробництва найбільш простої і добре апаратно опрацьований. Однак фосфорна кислота отримана за цим способом, має низьку концентрацію (небільш 32% Р₂О₅), а сам процес недостатньо інтенсивний як на стадії розкладу фосфату і кристалізації фосфогіпса, так і на стадії фільтрації пульпи. Тому в останні роки велика увага по всьому світі приділяється широкому впроваджені напівгідратного способу виробництва.

Напівгідратний процес дозволяє отримати більш концентровану фосфорну кислоту (36-42% Р₂О₅₎ і одночасно повисити інтенсивність і виробництво і продуктивність обладнання. Розрізняють напівгідратні процеси одностадійні та двостадійні з перекристалізацією сульфата кальцію. Останні зв'язані з доповненою операцією, що ускладнює технологічний процес. В СССР освоєно і здійснюється в промисловому масштабі виробицтво екстракційної фосфорної кислоти одностадійним напівгідратним методом.

Дигідратний і одностадійний напівгідратний процеси можуть здійснюватись за єдиною технологічною схемою. На рис. 3 представлена принципова технологічна схема виробництва екстракційної фосфорної кислоти.



Сірчана кислота з концентрацією 75 або 92% із збірника 4 подається назмішування з оборотним розчином фосфорної кислоти у змішувач 3. Суміш кислот через витратомір і фосфат із бункера 1 з допомогою стрічкового дозатора 2 безперервно надходять в багатосекційний екстрактор 5. По мірі руху пульпи в екстракторі склад її міняється. Поступово утворюється фосфорна кислота і здійснюється процес кристалізаціїсульфата кальція. В залежності від типу фофорної сировини в режимі екстракції пульпа знаходиться в екстракторі від 4-5 до 7-8 год. Ступінь розкладу фосфату при цьому досягається 98-98.5%. За рахунок тепла реакції температура в екстракторі підвищується. Щоб підтримати її на рівні 70-75°С в дегідратному процесі або на рівні 95-102°С в напівгідратному процесі пульпу із передостанньої секції екстрактора заглиблене насосом 8 подають у вакуум-випарник 16, де він охолоджується і концентрується за рахунок випаровування частини води під пониженим тиском. Частина охолодженої пульпи повертається в першу секцію екстрактора для утворення затравки для росту кристалів сульфату кальцію, а друга частина поступає в проміжну ємкість екстрактора, звідки заглибленим насосом 9 перекачується на фільтрацію. В деяких схемах після екстрактора втановлений дозрівач, де пульпу додатково витримують перед фільтрацією. В дозрівачі обладнаному тихоходними мішалками, закінчується процес кристалізації сульфата кальція, що значно полекшує роботу фільтрів.

Гази, які виділяються із екстрактора вміщують SiF₄ і HF_2, очищають в абсорберах, зрошувальнихводою або розбавленою кремнефторводневою кислотою. Парогазова сумішіз вакуум-випарників 16 має самостійну систему абсорбції фтористих газів 15 і конденсації водяних парів. Очищені гази викидають в атмосіеру. Розбавлені розчини Н₂SiF₆, отримані при абсорбції використовують для промивання фільтруючої тканини або повртають на розкладання фосфата в екстрактори, концентровані розчини направляють в цех фтористих солей на переробку.

Фільтрацію фосфорної кислоти проводять на стрічкових або карусельних вакуум-фільтрах.

Екстрактори зазвичай встановлюють на нулевій відмітці, а фільтри - а рівні 10 м., що дозволяє відводити фільтрати самоплином.

Основний фільтрат Ф-1 відводять як продукційну кислоту повертають в екстрактор в складі розчину розбавлення. Щоб зменшити втрати кислоти проводять трьохкратну протиточну промивку сульфата кальція водою. В кінці фільтра осадок промивають гарячею водою при 60°С для гідратного процеса і 85-90°С для напівгідратного процеса. Примивний розчин Ф-4 використовують для другої промивки сульфата кальція. Більш концентрований фільтрат Ф-3 після другої промивки перекачують на першу промивку. Отриманий промивний розчин Ф-2 повністю повертають в екстрактор як розчин розбавлення. Відмитий сульфат кальція шляхом перекидання лотків вивантажують в проміжний бункер і далі направляють у відвал. Степень відмивки осадку 98.0-98.5%.

Сульфат кальцію видаляють у відвал «сухим» або «мокрим» способом. При «сухом» способі сульфат кальцію з вакуум-фільтру надходить в бункер, звідки системою коротких стрічкових ковеєрів і маятниковою дорогою або автотранспортом його направляють на відвальний майданчик. При використанні «мокрого» способу, або гідровидалення, сульфат кальція в репульпаторі змішують з водою у відношені 1:3 і насосами перекачують в шламонакпичувач. Відстоявші води після нейтралізації вертають в репульпатор.

Напівгідрат сульфату кальцію при зберіганні злежуються в наслідок частини перекристалізації в дигідрат. Це ускладняє його подальшу переробку. Посушений і оброблений гексаметафосфтом натрію або вапняним молоком напівгідрат стає значно стабільніше. Найбільш ефективно стабілізуючі добавки використовувати при гідровидалені осаду, додаючи їх в репульпатор.



4. Опис проектованого апарату

абсорбція хімічний поглинач

Під час процесів абсорбції масообмін відбувається на поверхні зіткнення фаз. Тому абсорбційні апарати повинні мати розвинену поверхню зіткнення між газом і рідиною.

З різних типів апаратів нині найбільш поширені барботажні, тарілчасті абсорбери і насадкові.

Насадковий абсорбер

Являє собою колону, заповнену насадкою - твердими тілами різної форми. У насадковій колоні насадка укладається на опірні решітки, які мають отвори або щілини для проходження газу і стікання рідини. Рідина за допомогою розподілювача рівномірно зрошує насадкові тіла і стікає до низу. Для полібшення замочування насадки ц великих абсорберах іноді насадку укладають шарами (секціями) висотою 2…3 м, і під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють перерозподілювачі рідини.



5. Розрахунок апарату:

5.1 Методика розрахунку

Метою розрахунку абсорберів являється визначення витрати поглинача, температури процесу і кількості відвідної теплоти, вибір швидкості газу, насадки (для насадкових колон) і типу тарілок (для тарілчастих колон), розмірів і гідравлічного опору апаратів.

Схема розрахунку насадкових і тарілчастих апаратів для проведення процесу фізичної абсорбції, не ускладненій хімічною реакцією, одночасно протікающими хімічними процесами, пов'язані з проміжним відбором або рециркуляцією рідини, значно відбиваються на структурі потоків, показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема розрахунку абсорційних апаратів

Характеристика насадок приведена в [4; 5.1; 5.3]. Порівнювальна характеоистика тарілок дана в табл. 5.1.

При проектуванні абсорбційних становок, із яких газ відводиться в атмосферу, необхідно враховувати питання охорони навколишнього середовища. Концентрація поглинаючого компонентв в газовій фазі на виході з абсорбера не повинна перебільшувати гранично-допустимий. Якщо це недостигається в одному апараті, то необхідно встановлювати додаткові.



5.2 Розрахунок за вихідними даними

Вихідні дані:

1) кількість газової суміші, що надходить до установки, V=43200 м³/год;

2) температура газової суміші t=450°C;

3) початкова об'ємна концентрація аміаку у газовій фазі y_n=14%;

4) ступінь виокремлення ?=94%;

5) початкова масова концентрація аміаку у воді =0%;

6) ступінь насиченості води аміаком з=0,77;

7) початкова температура води, що надходить до абсорбера t_n =16°C;

8) початкова температура води, що охолоджує t_вп=19°C;

9) абсорбер працює при атмосферному тиску;

10) в установці передбачити (розрахувати та підібрати) насос для подавання води до абсорбера, холодильник для охолодження газу та газодувку для подавання газової суміші до абсорбера.

1. Матеріальний баланс

Кількість аміаку, що переходитьз газової суміші впоглинач - воду, визачаємо з рівняння матеріального балансу.

Початкові відносні мосові складові газової та рідкої фаз визначаємо по формулам

_n = = = 0 води;

де - початкова масова концентрація аміаку у воді, %;

_n = = повітря;



де М_к, М_і.г - моляльні маси NH₃ і повітря (М_к=17 М_і.г=29

y_n - початкова об'ємна концентрація аміаку в газовій фазі, %;

Концентрація аміаку в газовій суміші навиході з абсорберу (кг/кг повітря)

повітря

де - ступінь подрібнення.

Знаходимо парціальний тиск NH₃ в газі, що надходить, (Па):

де P=1,013 Па - тиск;

y_n - початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі.

При такому парціальному тиску, рівноважна концентрація NH₃ в рідині, що витікає з абсорберу, становить . При ступені насичення води аміаком кінцева концентрація аміаку в рідині дорівнює (кг/кг води):

Приймаємо, що газова суміш, що надходить до установки з колони синтезу, перед подачею в колону охолоджується в холодильнику до С. В цьому випадку об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, дорівнює (м³/с):



де V - кількість газової суміші, що надходить до установки, м³/с;

T - абсолютна температура, К;

t - температура газової суміші,°C;

T₀=273 К.

Визначаємо кількість аміаку, що надходить у колону (кг/с):

де y_n - початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі;

с_а - густина аміаку при 20°C (с_а=0,717 кг/м³).

Знаходимо кількість повітря, що надходить у колону (кг/с):

де с_п - густина повітря при 20°C (с_п= 1,2 кг/м^3);

y - початкова об`ємна концентрація повітря в газовій фазі

Густина газу, що надходить на абсорбцію (кг/м³):

де V_г - об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, м³/с.

Кількість поглинутого аміаку (кг/с):



де е - ступінь подрібнення.

Знаходимо витрату води в абсорбері (кг/с):

де X_n - початкова відносна масова складова рідкої фази, кг/кг води;

X_к - кінцева відносна масова концентрація аміаку в рідині, кг/кг води.

2. Визначення швидкості газу і діаметра абсорберу.

По ГОСТу 176152-89 приймаємо в якості насадки керамічні кільця Рашіга розміром 50х50х5 мм f=110 м²/м³; V_в=0,735 м³/м³; d_e=0,027 м.

Підставивши всі значення у формулу визначаємо граничну швидкість газу в насадкових абсорберах (м/с):

де щ_інв - швидкість газу, при якій наступає інверсія фаз, м/с;

A=0,022 - коефіцієнт для насадки з кілець і спіралей;

=110^-3Пас - в'язкість води при 20 ;

_р=110^-3Пас - в'язкість рідини при температурі процесу;

с_г - густина газу, що абсорбцію, кг/м³;

с_р - густина води (с_р=1000 кг/м³);

- витрата газу, кг/с.

де - кількість поглинутого аміаку, кг/с;

- кількість повітря, що надходить у колону, кг/с.

Знаходимо робочу швидкість газу в колоні (м/с):

Визначаємо діаметр колони (м):

де V_г - об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, м³/с.

Вибираємо стандартний діаметр обичайки колони D=1,4 м (найближче більше значення) (табл. 5.1).



Таблиця 5.1. Технічна характеристика тарілок

Примітка F_c - вільний перетин тарілки; F_Т - робочий перетин тарілки;

F_сл - перетин злива; U - максимально допустиме навантаження по рідині;

n - число отворів зливу рідини.

Щільність зрошення колони, м³/(м²год):

Оптимальна щільність зрошення м³/(м²год):

де = м³/(м²/с) - коефіцієнт при абсорбції аміаку водою;

= 110 м²/м³ - питома поверхня

Якщо > 1, то коефіцієнт змочування ??=1, тобто досягається максимальне змочування насади.

3. Визначення висоти насадкової колони

Приймаємо відстань від шару насадки до кришки абсорбера h=1,2 м, відстань від насадки до днища абсорберу 2,7 м.

Висоту шару насадки визначаємо, виходячи з основного рівняння масо передачі.

Знаходимо рухому силу внизу абсорбера на вході газу, кг/кг повітря:

де - початкова відносна масова складова газової фази, кг/кг повітря;

0,044 кг/кг повітря - кінцева концентрація аміаку;

Зверху абсорбера на виході газу

де - концентрація аміаку в газовій суміші на виході з абсорберу, кг/кг повітря;

0,0008 кг/кг повітря - початкова концентрація аміаку.

Оскільки />2, середню рухому силу визначаємо за формулою (кг/кг повітря):

Для визначення коефіцієнту масо передачі необхідно розрахувати ряд величин.

Мольна маса газової фази:



де , - мольні маси NH₃ і повітря (=17 кг/кмоль, =29 кг/кмоль); - початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі;

- початкова об`ємна концентрація повітря в газовій фазі;

Визначаємо в'язкість газової фази (Пас):

де , - динамічні коефіцієнти в'язкості відповідно аміаку і повітря при t=20°C (= Пас, = Пас).

Коефіцієнт дифузії NH₃, в повітрі при 20°C визначаємо з рівняння (м²/с):

де = м/с - коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при тиску =10⁵Па

і температурі =273 К;

- загальний тиск суміші газів чи парів, (=Па).

Знаходимо критерій Рейнольдса для газу:



де - робоча швидкість газу в колоні, м/с;

- густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³;

- питома поверхня, м²/м³;

- в'язкість газової фази, Пас, тобто режим руху газу - турбулентний.

Визначаємо критерій Прандтля для газу:

де - коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при 20°C, м²/с.

Коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі для регулярних насадок визначається по формулі (м/с):

де = 0,167 - коефіцієнт,

- товщина стінки насадкового тіла, м;

- еквівалентний діаметр насадки, м;

- критерій Рейнольдса для газу;

- критерій Прандтля для газу;

- коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при 20°C, м²/с.

Виразимо , у вибраній для розрахунку розмірності, кг/(м²с):



= ,

де - густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³.

Для визначення коефіцієнту масовіддачі в рідкій фазі розрахуємо наступні величини:

1) приведена товщина стікаючої плівки рідини (м):

де =1 Пас - в'язкість рідини при температурі процесу;

- густина води (с_р=1000 кг/м³).

2) модифікований критерій Рейнольдса для стікаючої по насадці плівки рідини:

де - масова швидкість рідини;

- питома поверхня, м²/м³.

L - витрата поглинача (води в абсорбері), кг/с.

S - площа перерізу колони, м²:



де - діаметр колони, м;

3) дифузійний критерій Прантля для рідини:

де = м²/с - коефіцієнт дифузії аміаку у воді.

Знаходимо коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі (м/с):

де =0,0021, =0,77, =0,5 - коефіцієнти.

Виразимо у вибраній для розрахунку розмірності, кг/(м²с):

,

де - густина води (с_р=1000 кг/м³).

Знаходимо коефіцієнт масовіддачі по газовій фазі, кг/(м²с):

де - коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі для регулярних насадок, м/с;

- коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі, м/с;

- коефіцієнт



де =0,044 кг/кг повітря - кінцева концентрація аміаку;

- кінцева відносна масова концентрація аміаку в рідині, кг/кг води.

Визначаємо площу поверхні масо передачі в абсорбері (м²):

де - кількість поглинутого аміаку, кг/с;

- середня рухома сила, кг/кг повітря.

Знаходимо висоту насадки, необхідну для створення цієї площі поверхні масо передачі (м):

де - питома поверхня, м²/м³;

- площа перерізу колони, м²;

=1 - коефіцієнт змочуваності насадки.

4. Розрахунок гідравлічного опору насадки.

Якщо критерій Рейнольдса для газу >40, коефіцієнт опору сухої наcадки визначається по формулі:

Якщо критерій Рейнольдса для газу <40, коефіцієнт опору сухої наcадки визначається по формулі:

Визначаємо опір сухої насадки (Па):

де - висота насадки, м;

- питома поверхня, м²/м³;

- вільний об'єм, м²/м³;

- робоча швидкість газу в колоні, м/с;

- густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³.

Виразимо щільність зрошення колони U у вибраній для розрахунку розмірності (м³/(м²с)):

Знаходимо гідравлічний опір зрошувальної насадки (Па):

де b=169 - стала.

Визначаємо тиск, що створюється газодувкою (Па):



де 1,05 - коефіцієнт, що враховує втрати тиску при вході газового потоку в колону і в насадку, при виході газового потоку з насадки і колони, в підвідних газопроводах.



Висновок

Отже, процес абсорбції - це процес поглинання газу рідким поглиначем (абсорбентом), я якому газ розчинюється в тій чи іншій мірі. Процес адсорбції - процес поглинення одного або декількох компонентів з газової суміші чи розчину твердим поглиначем - адсорбентом. Процеси абсорбції та адсорбції є оборотними і при зміні умов процесу можливе виділення речовин, що поглинаються адсорбентом чи абсорбентом, цей процес називається десорбцією.

В якості абсорбентів в принципі може бути використана будь-яка рідина, в якій може розчинятися компонент, що вилучається з газового потоку. Щодо адсорбентів то розрізняють їх різни види: активоване вугілля, селікогелі, цеоліти, алюмогелі, іоніти (катіоніти, аніоніти), що різняться між собою різною пористістю та поглинальними здатностями.

Розрізняють різні види абсорбційних апаратів. За способом утворення поверхні зіткнення абсорбери умовно поділяються на поверхневі, плівкові, насадочні, барботажні (тарілчасті), розпилюючі та інші.

Для проведення процесу адсорбції застосовуються адсорбери наступних типів:

· з нерухомим зернистим адсорбентом;

· з рухомим зернистим адсорбентом;

· з киплячим (псевдозрідженим) шаром дрібнозернистого адсорбенту.

Проблема захисту навколишнього середовища є дуже актуальною й за допомогою абсорбції можна значно знизити навантаження на середовище. Також, не менш важливим є те, що якщо правильно підібрати абсорбційну апаратуру можна безвідходно використовувати деякі матеріали.



Список використаної літератури

1. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Химия», 1976.

2. Плановский А.М., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической промышленности. Москва, 1962 - 841 с.

3. Евграшенко В.В., Норов. А.М. Разработка систем абсорбции. Журнал «Химическая промышленность сегодня». Изд. ООО «Химпром сегодня», 2012.

4. Лекае В.М., Лекае А.В. Л43 Процессы и аппараты химической промышленности: Учеб. для среди. ПТУ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1984. - 247 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство «Химия», М., 1971 г. - 784 с.

6. Зубик, С.В. Техноекологія. Джерела забруднення і захист навколишнього середовища: навч. посіб. / С.В. Зубик. - Львів: Оріяна-Нова, 2007. - 400 с. Гриф МОН. - 33-76.

7. Комаров, В.С. Адсорбенты: получение, структура, свойства/ В.С. Комаров, А.И. Ратько. - Минск: Беларус. Навука. 2009. -256 с. - ISBN 978-985-08-1066.

8. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. С44 Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб и доп. - М.: ООО «Надра - Бизнесцентр», 2000. - 677 с.

9. Врагов А.П. В81 Процессы и оборудование газоразделительных установок: «Университетская кинига», 2005. - 272 с.:ил. - 114, табл. - 8, список литературы - 54 назв.

10. Процессы и аппараты: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Д.А. Баранов, А.М. Кутепов. - 2-е изд., - М.: Издательский центр «Академия», 2009

Размещено на Allbest.ru

...