Физическая абсорбция

Размещено на http://www.allbest.ru/

АБСОРБЦИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями -- абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей.

После абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих компонентов из жидкости. Таким образом осуществляют разделение газовой смеси. Имеют место физическая абсорбция и хемосорбция. При физической абсорбции при растворении газа не происходит химической реакции. При хемосорбция абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Процессы абсорбции в технике применяют для разделения углеводородных газов и получения соляной и сернистой кислот, аммиачной воды, очистки отводящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов.

Аппаратурно-технологическое оформление абсорбции несложно, поэтому процессы абсорбции широко используют в технике.

Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АБСОРБЦИИ

При взаимодействии газа с жидкостью возникает система, состоящая из двух фаз (Ф=2) и трех компонентов -- распределяемого вещества и двух веществ носителей (К=3).

Согласно правилу фаз такая система имеет три степени свободы

.

Тремя основными параметрами, определяющими фазовое равновесие в системе, являются давление, температура и концентрация.

В этом случае можно произвольно изменять общее давление , температуру и концентрацию распределяемого вещества в одной из фаз. При постоянных температуре и давлении, что имеет место в процессах абсорбции, каждой концентрации распределяемого вещества в одной фазе соответствует строго определенная концентрация в другой.

В условиях равновесия при зависимость между равновесными концентрациями выражается законом Генри, который гласит: при данной температуре мольная доля газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

, (13.1)

или

,

где: - парциальное давление газа, равновесное с раствором, имеющим концентрацию х, доли моля; Е -- константа Генри.

Константа Генри зависит от природы растворяющегося вещества (абсорбтива), абсорбента и температуры:

, (13.2)

где: q - теплота растворения газа, кДж/кмоль; R =8,325 кДж/(кмоль*К) - универсальная газовая постоянная: Т - абсолютная температура растворения, К; С - постоянная, зависящая от природы газа и жидкости и определяемая опытным путём.

Из равенства (13.2) видно, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

и , (13.3)

где: Р -- общее давление газовой смеси; - концентрация распределяемого вещества в смеси, доли моля.

Сопоставляя уравнения (13.3) и (13.1), найдем

или, обозначая константу фазового равновесия через , получим

у=mx (13.4)

Уравнение(13.4) показывает, что зависимость между равновесными концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла наклона которой равен . Тангенс угла наклона зависит от температуры и давления. С увеличением давления и уменьшением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается ( снижается) (рис. 13.1). Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из газовых компонентов смеси.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.13.1. Зависимость между растворимостью газов в жидкости и парциальным его давлением над раствором при различных температурах (t₁>t₂>t₃)

Процессы абсорбции можно рассчитывать в относительных мольных концентрациях. В этом случае при малой концентрации газа х в жидкости закон Генри записывается так:

Отметим, что закону Генри подчиняются сильно разбавленные растворы, а также растворы при небольших давлениях, которые по своим свойствам приближаются к идеальным. Для концентрированных растворов и больших давлений зависимость между равновесными концентрациями выражается кривой линией, вид которой определяют экспериментально.

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АБСОРБЦИИ

Материальный баланс процесса абсорбции выражается общим уравнением (4.1.5): . После интегрирования выражения в пределах начальных и конечных концентраций получают уравнение (4.1.6), из которого определяют расход абсорбента (в кмоль/с)

. (13.5)

Удельный расход на 1 кмоль инертного газа

. (13.6)

Изменение концентрации в абсорбере подчиняется уравнениям (4.1.7) и (4.1.8). Рабочая линия процесса в координатах у--х является прямой линией с тангенсом угла наклона .

Проанализируем влияние удельного расхода абсорбента на размеры абсорбера и конечную концентрацию распределяемого вещества в жидкой фазе.

Примем противоток фаз в абсорбере. Начальная концентрация распределяемого вещества в жидкой фазе , конечная концентрация в газовой фазе , определяемые точкой В в координатах у--х, начальные концентрации в газовой фазе (рис. 13.2). На этом же рисунке изображена равновесная зависимость . Проведем несколько рабочих линий согласно уравнению (4.1.6) с различным тангенсом угла наклона . Согласно уравнению (4.1.6) точки А₁, А₂, А₃ характеризуют начальную и конечную концентрации абсорбтива в газовой фазе и в абсорбенте.

Движущие силы процесса определяются разностью между рабочими и равновесными зависимостями, т. е. . Средняя движущая сила для всего аппарата определяется как среднее логарифмическое . Нетрудно видеть, что возрастает с увеличением наклона рабочих линий, т. е. возрастает с ростом удельного расхода абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущие силы имеют наибольшее значение, однако при этом удельный расход абсорбента должен быть бесконечным, что следует из уравнения (13.6) при подстановке в него . В другом предельном случае, когда рабочая линия соприкасается с линией равновесия , расход абсорбента минимальный и движущая сила в точке соприкосновения равняется нулю, так как .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13.2. К определению удельного расхода абсорбера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13.3. К определению оптимального удельного расхода абсорбера

В первом случае размеры абсорбера будут минимальными, так как максимальное при бесконечном расходе абсорбента, во втором -- размеры абсорбера будут бесконечными при минимальном расходе абсорбента.

Как было отмечено выше, в реальных массообменных аппаратах равновесие не достигается и в случае абсорбции всегда . Следовательно, удельный расход абсорбента должен быть всегда больше минимального. Значение минимального расхода можно определить из уравнения (13.7), подставляя в него :

. (13.7)

На практике следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбента и удельным расходом абсорбента, при котором и размеры аппарата будут оптимальными.

Оптимальный расход абсорбента определяется на основании технико-экономического расчета.

Сумма затрат на поглощение 1 кмоль газа складывается из стоимости газа и обслуживания , затрат на амортизацию и ремонт аппарата, стоимости энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлического сопротивления при прохождении газа через абсорбер, затрат на транспортирование газа и десорбцию :

. (13.8)

Величина не зависит от удельного расхода абсорбента. С увеличением уменьшаются рабочая высота абсорбера и его гидравлическое сопротивление, но одновременно увеличивается его диаметр. Таким образом, кривая может иметь минимум. С возрастанием увеличиваются затраты на транспортирование газа и десорбцию. На рис. 13.3 представлен характер перечисленных зависимостей.

Складывая ординаты всех кривых, получим кривую суммарных затрат на абсорбцию 1 кмоль газа. Минимум этой кривой соответствует оптимальному удельному расходу абсорбента.

Процесс абсорбции подчиняется уравнению массопередачи для двухфазных систем (4.1.4). В уравнении массопередачи движущую силу при абсорбции часто выражают разностью давлений:

, (13.9)

где: - рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; -- равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости.

Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям (4.1.28) и (4.1.29):

; (13.10)

. (13.11)

где: - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности фазового контакта, кмоль/(); - коэффициент массоотдачи от поверхности фазового контакта к потоку жидкости, м/ч.

Величина оказывает влияние на структуру уравнений для коэффициентов массопередачи. Для хорошо растворимых газов мало и в уравнении (13.12) величина

. (13.12)

В этом случае , т. е. диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе. Для труднорастворимых газов велико и в уравнении (13.11)

. (13.13)

Можно принять , т. е. диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе.

4. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АБСОРБЦИИ

В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

Прямоточная схема взаимодействия веществ в абсорбере показана на рис. 13.4,а. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся в одном направлении; при этом газ с большей концентрацией абсорбтива приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию абсорбтива, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из абсорбера с жидкостью, имеющей большую концентрацию абсорбтива.

Рис. 13.4. Схемы абсорбции и изображения процесса в координатах y-x:

а - прямоточная; б - противоточная; в - с рециркуляцией абсорбера (жидкости); г - с рециркуляцией абсорбтива (газа)

Противоточная схема показана на рис. 13.4,б. В противоточном абсорбере в одном конце аппарата контактируют газ и жидкость, содержащие большие концентрации абсорбтива, а в другом, противоположном конце -- меньшие.

При противоточном процессе достигается большая конечная концентрация абсорбтива в абсорбенте, чем при прямоточном. Расход абсорбента также ниже. Однако из-за того что средняя движущая сила при противотоке ниже, габариты противоточного абсорбера больше, чем прямоточного.

Схема с рециркуляцией абсорбента или газовой фазы предусматривает многократный поток абсорбента или газовой фазы через абсорбер.

На рис. 13.4, в изображена рециркуляционная схема по абсорбенту. Жидкая фаза -- абсорбент многократно возвращается в абсорбер, а газовая фаза проходит через абсорбер снизу вверх. Абсорбент подается в верхнюю часть абсорбера и движется противотоком к газовой фазе. В результате смещения свежего абсорбента концентрацией с выходящим из абсорбера его концентрация повышается до . Рабочая линия на диаграмме представляет собой прямую с координатами крайних точек А и соответственно , и , .

На этом же рисунке пунктиром проведена рабочая линия для противоточного абсорбера без рециркуляции. Концентрацию абсорбтива после смещения найдем из уравнения материального баланса.

Обозначим отношение количества абсорбента на входе в абсорбер к количеству свежего абсорбента через . Тогда

,

откуда

. (13.14)

Схема абсорбции с рециркуляцией газа приведена на рис. 13.4, г. Положение рабочей линии определяют точки и . Концентрация находится из уравнения материального баланса

. (13.15)

В рециркуляционных схемах абсорбции количество абсорбента, проходящего через абсорбер, при том же расходе значительно больше, чем в схемах без рециркуляции. В результате увеличения скорости абсорбента повышается коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, что приводит к увеличению коэффициента массопередачи.

Рециркуляция абсорбента целесообразна в случае абсорбции труднорастворимых газов, а рециркуляция абсорбтива, которая приводит к увеличению коэффициента массоотдачи в газовой фазе, -- в случае абсорбции хорошо растворимых газов.

Схема с рециркуляцией абсорбента позволяет включить в схему установки холодильник для охлаждения жидкости.

Количество теплоты, отводимое в холодильник, определяется уравнением

, (13.16)

где: -- дифференциальные теплоты растворимых газов при изменении концентраций газов в абсорбенте от до .

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямоток, противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа. Большое практическое значение имеет многоступенчатая противоточная схема с рециркуляцией жидкости в каждой ступени (рис. 13.5,а). Рабочие линии строят на диаграмме у--х (рис. 13.5, б) отдельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных одноступенчатьих аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию составляют отрезки и . В многоступенчатых схемах с рециркуляцией абсорбента достигаются высокие коэффициенты массопередачи и движущие силы процесса.

Рис.13.5. Двухступенчатая абсорбционная установка с рециркуляцией абсорбента (а) и изображение процесса в координатах y-x (б)

5. КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно разделить на следующие четыре основные группы: поверхностные и пленочные; насадочные, в которых поверхностью контакта фаз является поверхность растекающейся по специальной насадке жидкости; барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается потоками газа (пара) и жидкости; распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается вследствие разбрызгивания жидкости.

В поверхностных абсорберах газ пропускается над поверхностью движущейся жидкости. Так как в поверхностных абсорберах поверхность контакта фаз невелика, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. На рис. 13.6 показан оросительный абсорбер из горизонтальных труб, внутри которых протекает жидкость, а противотоком к ней движется газ. Уровень жидкости в трубах поддерживается с помощью порога. Охлаждение абсорбера происходит с поверхности орошаемой жидкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.13.6. Поверхностный абсорбер:

1 - распределитель; 2 - труба; 3 - порог

Для равномерного распределения жидкости по поверхностям труб установлен зубчатый распределитель. Такие абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов.

Пленочные абсорберы более компактны и эффективны, чем поверхностные. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность стекающей пленки жидкости. К абсорберам этого типа относятся трубные аппараты, в которых жидкость стекает по внешней поверхности вертикальных труб сверху вниз, а газ подается с низу абсорбера противотоком стекающей пленке; абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; абсорберы с восходящей пленкой. В последних абсорберах взаимодействие между газом и жидкостной пленкой происходит в условиях прямотока.



Рис. 13.7. Пленочный абсорбер:

1 - труба; 2 - распределительное устройство; 3 - плоскопараллельная насадка

На рис. 13.7 представлен абсорбер с плоскопараллельной насадкой. Насадка представляет собой вертикальные листы, которые разделяют объем абсорбера на ряд секций. Жидкость в абсорбер подается через трубу и с помощью распределительного устройства распределяется по насадке, омывая листы с обеих сторон. В зависимости от относительной скорости движения пленки и газа пленки могут стекать вниз либо захватываться газовым потоком и течь вверх. С увеличением относительной скорости движения пленки и газа увеличиваются коэффициент массоотдачи и поверхность контакта фаз за счет турбулизации пограничного слоя и образования вихрей.

Средняя скорость течения пленки

, (13.17)

где: -- удельная плотность орошения жидкостью периметра слива, кг/(м*с); - плотность жидкости, кг/; -- динамическая вязкость жидкости, .

Скорость движения жидкости у поверхности пленки

. (13.18)

Толщина пленки

. (13.19)

Режим движения пленки характеризуется критерием Рейнольдса

, (13.20)

где: - эквивалентный диаметр пленки, м.

Эквивалентный диаметр пленки

, (13.21)

где: П - периметр слива, по которому стекает жидкость, м.

Насадочные абсорберы получили широкое распространение в технике. Чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: обладать, большой удельной поверхностью; оказывать небольшое гидравлическое сопротивление газовому потоку; хорошо смачиваться рабочей жидкостью; равномерно распределять жидкость по сечению абсорбера; быть коррозиестойкой по отношению к рабочей жидкости и газу; обладать высокой механической прочностью; быть легкой; иметь невысокую стоимость.

Некоторые типы используемых в промышленности насадок и способы их укладки в аппарат приведены на рис. 13.8.



Рис.13.8. Типы насадок:

а - плоскопараллельная; б - фасонные керамические и способы их укладки (в - навалом; г - организованно)

Наиболее распространенной насадкой являются керамические кольца Рашига. Они изготавливаются размерами 15х15х2,5; 25x25х3; 50х50х5 мм. Геометрической характеристикой насадок является эквивалентный диаметр

, (13.22)

где: - свободный объем, т.е. объем, занимаемый каналами в единице объема насадки, ; - площадь поверхности насадочных тел в единице объема насадки, или удельная поверхность, .

Для колец Рашига удельная поверхность и свободный объем с увеличением размеров насадок составляют соответственно 300; 204; 87,5 и 0,7; 0,74; 0,785 .

В насадочном абсорбере (рис. 13.9) жидкость, подаваемая через распределительное устройство, при небольших скоростях газа течет по элементу насадки в виде тонкой пленки. Поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, и в этом режиме насадочные аппараты могут рассматриваться как пленочные. Чтобы жидкость не растекалась к стенкам аппарата, насадки загружаются посекционно. Между секциями устанавливают устройство для перераспределения жидкости.

Рис. 13.9. Устройство аппарата с насадкой:

1-распределительное устройство; 2-насадка; 3-устройство для перераспределения жидкости; 4-решетка

Насадочные колонны работают наиболее эффективно в условиях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого режима, при котором вес находящейся на насадке жидкости становится равным силе трения газового потока о жидкость. В режиме подвисания пленочное течение жидкости нарушается: возникают брызги, различного рода завихрения и т. д. Жидкость заполняет свободный объем насадки, образуя газожидкостную смесь. При этом значительно возрастают по сравнению с пленочным режимом поверхность контакта фаз и коэффициенты массопередачи. Дальнейшее небольшое увеличение скорости газа приводит к захлебыванию колонны. Это явление характеризуется прекращением противоточного движения потоков и выносом жидкости из колонны. Оптимальный режим работы насадочного абсорбера имеет место при скоростях газа, на 15.. .20% меньших скоростей, вызывающих захлебывание.

Скорость газа, при которой происходит захлебывание, может быть определена по формуле, рекомендуемой А. Г. Касаткиным:

,

где: -- удельная площадь поверхности насадки, ; -- свободное сечение насадки, ; L и G -- массовые расходы жидкости и газа, кг/с; -- скорость захлебывания, м/с.

Оптимальную скорость пара в колонне можно определить по критериальному уравнению

, (13.23)

где: ; ; -- оптимальная скорость пара (газа); -- эквивалентный диаметр насадки; и -- плотности соответственно пара (газа) и жидкости; -- динамическая вязкость пара (газа); G и L -- массовые скорости соответственно пара (газа) и жидкости.

Насадочные аппараты малопригодны для работы с загрязненными жидкостями. Для обработки загрязненных жидкостей применяют абсорберы с «плавающей» шаровой насадкой, изготовленной из легких полых или сплошных пластмассовых шаров. Такая насадка при определенной скорости газового потока переходит в псевдоожиженное состояние. В абсорберах с «плавающей» шаровой насадкой достигаются более высокие скорости, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. Увеличение скорости газового потока приводит к расширению слоя «плавающей» насадки. При этом гидравлическое сопротивление слоя возрастает незначительно.

Тарельчатые барботажные колонны являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами, внутри которых одна под другой размещено определенное количество горизонтальных перфорированных перегородок -- тарелок, обеспечивающих течение жидкости сверху вниз, а пара -- снизу вверх.

Тарельчатые колонны бывают с колпачковыми, клапанными, провальными ситчатыми тарелками, на которых имеет место неорганизованный перелив жидкости через отверстия, и с ситчатыми тарелками с переливными устройствами.

В колоннах с провальными тарелками газ проходит через отверстия тарелки и распределяется в слое жидкости, находящейся на тарелке, в виде струек и пузырьков. На тарелках одновременно происходят барботаж пара через слой жидкости и частичный проход жидкости через отверстия тарелок. Такие конструкции тарелок очень чувствительны к расходу и давлению пара в колонне.

Более устойчиво работают ситчатые тарелки с переливными устройствами. Эти аппараты (рис. 13.10) имеют горизонтальные тарелки, переливные устройства и пороги. Порог 3 служит для разрушения пены, стекающей с вышерасположенной тарелки, а порог 4 для поддержания высоты столба жидкости на тарелке. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) вводится в нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке в виде пузырьков или факелов.

Рис. 13.10. Ситчатые тарелки с переливными устройствами:

1-тарелка; 2-переливное устройство; 3,4-пороги

На рис. 13.11 изображена колпачковая тарелка с капсульными колпачками и сегментными переливными устройствами. Тарелки представляют собой стальной диск, который крепится на прокладке болтами к опорному кольцу.

Рис. 13.11. Колпачковая тарелка:

1 - тарелка; 2 - уплотнение; 3 - регулируемый сливной порог; 4 - сливной патрубок; 5 - крепежный болт; 6 - регулировочный болт; 7 - кольцо; 8 - переливной порог; 9 - колпачок

Жидкость на тарелку поступает через переливной порог 3 с вышерасположенной тарелки. Для равномерного распределения жидкости по площади тарелки имеется порог 8. Высота слоя жидкости на тарелке поддерживается с помощью регулируемого переливного порога 3. Газ (пар) на тарелку поступает через паровые патрубки колпачков, диспергируясь прорезями на отдельные струи. Прорези колпачков выполняются в виде зубцов прямоугольной формы. Струи газа или пара при движении через слой жидкости распадаются на отдельные пузырьки. Жидкость сливается с тарелок через сливное устройство. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости пара и высоты слоя жидкости на тарелке. Для создания большой площади поверхности массопередачи на тарелках устанавливается большое число колпачков.

Разрез капсульного колпачка показан на рис.13.12. Расстояние от тарелки до нижнего обреза колпачка регулируется с помощью втулки 4 и гайки 2. Тарелки с капсульными колпачками наиболее широко распространены в промышленности.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу (пару) и жидкости. Их недостатками являются сложность конструкции, высокая стоимость и относительно высокое гидравлическое сопротивление.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13.12. Капсульный колпачок

1-шайба; 2-гайка; 3-болт; 4-втулка; 5-колпачок; 6-патрубок

Клапанные тарелки (рис. 13.13) объединяют свойства ситчатых и колпачковых тарелок.

Рис. 13.13. Клапанная тарелка:

1 - клапан; 2 - кронштейн-ограничитель; 3 - тарелка

Барботаж газа (пара) через жидкость происходит через клапаны, которые в зависимости от скорости газового или парового потока перемещаются по вертикали. Для клапанных тарелок характерна стабильность работы в широких диапазонах изменения нагрузок по газовому или паровому потоку.

Струйная тарелка выполняется в виде наклонных параллельных пластин, между которыми проходит газ или пар. Поверхность контакта фаз развивается струями газа или пара в слое жидкости, протекающей по тарелке.

На колпачковых, клапанных и струйных тарелках взаимодействие газа (пара) с жидкостью происходит в условиях перекрестного движения потоков. Пар проходит через отверстия в тарелке, а жидкость поступает и сливается с тарелки через диаметрально расположенные переливные устройства, как и на колпачковых тарелках.

Эффективность описанных выше тарелок зависит от гидродинамических режимов их работы. В зависимости от скорости пара и расхода жидкости различают в основном три режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный. В каждом режиме барботажный слой имеет характерную структуру, которая определяет гидравлическое сопротивление и величину поверхности массопередачи.

При небольших скоростях пара наблюдается пузырьковый режим. Он характеризуется тем, что пар движется через слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Такой режим неэффективен. С увеличением расхода пара выходящие из прорези колпачков или отверстий тарелок струи распадаются с образованием большого количества отдельных пузырьков. При этом на тарелке образуется пена, что приводит к резкому увеличению поверхности массопередачи.

При струйном режиме, который образуется в случае дальнейшего увеличения скорости пара, паровые струи инжектируют через слой жидкости. При этом поверхность массопередачи резко сокращается и начинается унос жидкости с тарелки на вышерасположенную.

Распыливающие абсорберы работают по принципу контакта фаз в результате распыления или разбрызгивания жидкости в газовом потоке.

Простейшим примером распыливающих абсорберов является полый распыливающий абсорбер с механическими форсунками (рис. 13.14).

Наибольшие коэффициенты массопередачи имеют место в момент распыления жидкости, а затем они резко снижаются вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Часто форсунки устанавливают по всей высоте абсорбера.

Рис. 13.14. Распыливающий абсорбер

Распыливающие абсорберы применяют для абсорбции хорошо растворимых газов.

К распыливающим абсорберам относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится вращающимися устройствами. Механические абсорберы компактны и эффективнее распыливающего абсорбера.

6. РАСЧЕТ АБСОРБЕРОВ

Расчет абсорберов заключается в определении расхода абсорбента, гидравлического сопротивления, диаметра и высоты абсорбера.

При расчете абсорберов обычно известны расход газа, состав, начальная и конечная концентрации газовой смеси, начальная концентрация газа в абсорбенте.

Расход абсорбента определяют из уравнения материального баланса (13.5).

Гидравлическое сопротивление зависит от конструкции абсорбера и гидродинамического режима его работы. Рассчитывают гидравлическое сопротивление по оптимальной скорости газа, которую определяют на основании технико-экономического расчета.

Диаметр абсорбера вычисляют по линейной скорости газа по уравнению (12.69).

Высоту абсорберов рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи (12.62).

Схемы расчета пленочных и насадочных абсорберов однотипные. Расчет тарельчатых абсорберов имеет отличительные особенности.

При расчете пленочных абсорберов гидравлическое сопротивление рассчитывают по уравнению Дарси -- Вейсбаха

(13.24)

где: л -- коэффициент гидравлического сопротивления; Н-- высота поверхности, по которой стекает пленка, м; d_эк -- эквивалентный диаметр канала, по которому движется газ, м;

х_отн= х+ х_ср -- относительная скорость газа, м/с; х_ср -- средняя скорость течения пленки, м/с; с_г -- плотность газа, кг/м³.

Среднюю скорость течения пленки вычисляют по уравнению (13.17).

Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от величин критериев Рейнольдса для газа и пленки. Критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения пленки, определяют по уравнению (13.20).

Диаметр трубчатых абсорберов вычисляют по расходу и скорости газа, задаваясь внутренним диаметром труб.

Количество труб

(13.25)

где: G -- массовый расход газа, кг/с.

Зная количество труб, по формуле (3.2.16) находят диаметр абсорбера.

Высоту труб определяют по площади внутренней поверхности всех труб

(13.26)

В свою очередь,F_тр=nрd_внН.

С учетом модифицированного уравнения массопередачи (4.1.60) получают

Для определения коэффициента массоотдачи в газовой фазе для пленочных абсорберов предложена критериальная зависимость.

(13.27)

где: Rе_г -- критерий Рейнольдса для газового потока; Рг_дг -- критерий Прандтля для газа.

В качестве определяющего размера в этом уравнении используется эквивалентный диаметр канала, в котором идет газовый поток.

В уравнении (13.27) в критерий Rе_г подставляется средняя скорость движения газового потока относительно пленки. Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для пленочных колонн используется уравнение

Nu_дж=0,069 (13.28)

где: Rе_ж -- критерий Рейнольдса для жидкой пленки; Рг_{д ж} -- критерий Прандтля для жидкости; Gа -- критерий Галилея; h -- высота рабочей части аппарата, м; d_эк -- эквивалентный диаметр пленки, м.

В критерий Rе_ж вводится средняя скорость стекания пленки.

При расчете насадочных абсорберов для насадки, не орошаемой жидкостью, гидравлическое сопротивление (в Па) потоку газа (пара) может быть определено по уравнению

(13.29)

где: л -- коэффициент гидравлического сопротивления; Н -- высота насадки, м; d_эк -- эквивалентный диаметр насадки, определяемый по уравнению (13.22), м; х_г - скорость газа, м/с; с_г -- плотность газа, кг/м³.

При орошении насадочной колонны жидкостью гидравлическое сопротивление колонны увеличивается с ростом расхода потока газа (пара) и плотности орошения и достигает максимума при режиме захлебывания. Плотностью орошения и плотностью газового (парового) потока называют массовые скорости потоков газа (пара) и жидкости в колонне, отнесенные к единице поперечного сечения аппарата [в кг/(м²*с)].

Сопротивление смоченной насадки может быть вычислено по формуле, которую рекомендует проф. А. Н. Плановский:

(13.30)

где Др_с -- сопротивление сухой насадки.

Диаметр абсорбера определяют по уравнению (12.69). Скорость газа принимают на 15... 20% ниже скорости захлебывания и определяют по уравнению (13.23).

Высоту абсорбера можно найти по модифицированному уравнению массопередачи (12.62).

Определение коэффициента массоотдачи в газовой (паровой) фазе для насадочных колонн возможно по критериальной зависимости, выведенной на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных, полученных для орошаемых насадок,

(13.31)

Определяющим геометрическим размером в этом уравнении служит эквивалентный диаметр насадки d_эк. В критерий Rе_г подставляют скорость газа в свободных каналах насадки.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для насадочных колонн может быть определен по уравнению

Nu_дж= 0,00216RеРг, (13.32)

в котором критерий Nu_{д ж} рассчитывают по приведенной толщине пленки

Расчет тарельчатых колонн сводится к определению гидравлического сопротивления, диаметра колонны, числа тарелок, высоты абсорбера.

После выбора типа тарелки определяют предельно допустимую скорость пара или газа, для расчета которой, например, можно использовать уравнение Киршбаума

(13.33)

Скорость газа (пара) в свободном сечении колонны принимается равной (0,8...0,9) х_пр.

В настоящее время определилась тенденция к уменьшению расстояния между тарелками. Минимальное расстояние между тарелками, обеспечивающее необходимый гидравлический затвор, определяется соотношением (рис. 13.15)

(13.34)

где: h_д -- высота столба жидкости в сливном патрубке, необходимая для создания скорости жидкости, м; h_з -- высота столба жидкости в сливном патрубке, обеспечивающая гидравлический затвор, м; h₀ -- расстояние от тарелки до нижнего края сливного патрубка, м.



Рис. 13.15. К расчету минимального расстояния между тарелками

Высота столба жидкости в сливном патрубке

(13.35)

где: х_с -- скорость жидкости в сливном патрубке, принимаемая обычно в пределах 0,02.. .0,06 м/с; -- коэффициент сопротивления выхода; -- коэффициент, выражающий сопротивление сливного патрубка.

В свою очередь, ₂ =_с,

где: л -- коэффициент гидравлического сопротивления; l_с -- рабочая длина сливного патрубка (h_Д + h₃), м; d_с -- диаметр сливного патрубка.

Высота h₃ уравновешивает перепад давления между тарелками. Следовательно,

(13.36)

где с_п -- плотность пены в сливном патрубке, приближенно равная 0,5 с_ж.

Сопротивление ситчатой тарелки (в Па) может быть определено по уравнению

, (13.37)

где: р_с -- сопротивление «сухой» тарелки; р₀ -- перепад давления, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения; р_ж -- сопротивление столба жидкости на тарелке.

Величина р₀ определяется по величине поверхностного натяжения жидкости

р₀ =4у/d₀, (13.38)

где у -- поверхностное натяжение на границе фаз, Н/м; d ₀ -- диаметр отверстия в тарелке, м.

Сопротивления р_с и р_ж могут быть вычислены по уравнениям, рекомендуемым проф. А. Н. Плановским:

(13.39)

, (13.40)

где:х _о -- скорость газового (парового) потока в отверстиях тарелки, м/с; k=0,5 -- отношение плотности пены на тарелке к плотности жидкости; h -- высота сливного порога, м; - высота слоя небарботируемой жидкости у сливного порога, м;

(13.41)

здесь L -- массовый расход жидкости, кг/ч; -- коэффициент расхода жидкости через сливную перегородку (=6400... 10000); b -- ширина сливной перегородки, м.

Гидродинамические соотношения, характеризующие работу колонн с колпачковыми тарелками, мало отличаются от соотношений для колонн со ситчатыми тарелками.

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки определяется из равенства

(13.42)

где: _к -- потери давления газового (парового) потока при проходе через колпачок, Па; _пр -- потери давления при проходе газа (пара) через прорези, Па; _ж -- сопротивление столба жидкости на тарелке, Па.

Сопротивление колпачка р_к с достаточной точностью можно определить, суммируя потери давления при преодолении местных сопротивлений, обусловленных сужением газовой струи и ее поворотами внутри колпачка. Минимальные гидравлические сопротивления обычно соответствуют равенству скоростей газового потока во всех сечениях колпачка

, (13.43)

где: d_п -- диаметр патрубка, м; d_к -- диаметр колпачка, м; h_к -- высота расположения колпачка над патрубком, м.

Лучшие гидродинамические характеристики имеют колпачки, у которых диаметр равен 40...60 мм и площадь всех сечений паровых патрубков составляет 10... 15% площади поперечного сечения колонны.

Сопротивление колпачка может быть вычислено по формуле

(13.44)

где: v -- скорость газа (пара) в патрубке, м/с; -- сумма всех сопротивлений.

Сопротивление прорезей можно найти по уравнению

(13.45)

где:_пр= 1,5 -- коэффициент местного сопротивления при проходе газа через прорезь; х_пр -- скорость газа (пара) в прорези, м/с; р₀ -- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

В данном случае

, (13.46)

где: d_Г -- гидравлический диаметр открытого отверстия прорези.

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке определяется по тому же уравнению, что и на ситчатой (13.35).

Диаметр абсорберов определяют по уравнению (4.1.69). Высоту тарельчатых абсорберов находят, зная число тарелок и расстояние между тарелками, по формуле

, (13.47)

где: h_г -- расстояние между тарелками, м; п -- число тарелок; h_в -- расстояние от верхней тарелки до крышки абсорбера, м.

Число ступеней изменения концентрации (число тарелок) находят методами, изложенными в главе 4.1.

Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям (13.12) и (13.13). Коэффициенты массоотдачи в газовой фазе в тарельчатых колоннах рассчитывают по следующим уравнениям, предложенным Г. П. Саламахой:

для колпачковых тарелок

; (13.48)

для ситчатых тарелок с переливными устройствами

; (13.49)

для ситчатых провальных тарелок

, (13.50)

где: We -- критерий Вебера; . Здесь у -- поверхностное натяжение, Н/м; _ж -- плотность жидкости, кг/м; h_ст -- высота статического слоя жидкости на тарелке, м.

Линейным размером в критериях Nu_д.г и Re_г является капиллярная константа х, определяемая как

Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе может быть рекомендовано уравнение

(13.51)

В этом уравнении в критерий Re_ж подставляется скорость газа (пара) в свободном сечении колонны.

Контрольные вопросы

абсорбция насадка тарельчатый кинетический

1. Какова сущность абсорбции? Каким законам массопередачи подчиняется процесс абсорбции? 2. Какому закону подчиняется равновесие в процессах абсорбции? Какие факторы способствуют абсорбции и десорбции? 3. Что является движущей силой абсорбции? Как она определяется? 4. Изобразите процесс абсорбции в координатах у--х. Как определяется средняя движущая сила процесса? 5. Какие схемы абсорбции применяют в технике? Дайте технико-экономическую характеристику этих схем. 6. Как влияет расход абсорбента на размеры абсорбера? Может ли абсорбер работать при минимальном расходе абсорбента? 7. Из каких соображений определяется оптимальный расход абсорбента? 8. Как видоизменяются и почему уравнения для определения коэффициентов массоотдачи для хорошо и труднорастворимых газов? 9. Какие конструкции абсорберов применяются в промышленности? 10. При каких режимах могут работать насадочные абсорберы? 11. Какие применяются насадки в абсорберах? Каким требованиям должны удовлетворять насадки? 12. В чем заключается расчет насадочных и тарельчатых абсорберов? 13. Как определяется эффективность ступени изменения концентраций? Каков ее физический смысл? 14. В чем различие теоретической и действительной ступеней изменения концентраций? 15. Как определяется число действительных ступеней изменения концентраций? 16. Какие критериальные уравнения используются для расчетов коэффициентов массоотдачи в газовой и жидкой средах?

Размещено на Allbest.ru

...