1. Абсорбер; 2. Холодильник/подогреватель; 3, 4. Теплообменники; 5. Десорбер; 6,7, 8. Холодильники; 9. Сепаратор; 10. Подогреватель;

11. Фильтр; 12. Рибойлер. I. Исходный газ; II. Оставшийся газ после абсорбции; III. Рециркулят абсорбента; IV. Хладоагент/Теплоноситель; Y. Насыщенный (отработанный) абсорбент;YI. Полностью регенерированный абсорбент; YII. Частично регенерированный абсорбент; YIII. Хладоагент; IX. Десорбированный компонент исходного газа; X. Абсорбент на орошение десорбера; XI. Теплоноситель; XII. Отдувочный газ; XIII.Отработанный абсорбент на перегонку; XIV. Пары абсорбента; XV. Продукты превращения абсорбента; XVI. Вывод отработанного абсорбента; XVII. Водяной пар; XVIII. Свежий абсорбент.

Исходный газ потоком I поступает в нижнюю часть абсорбера 1. В верх­нюю часть абсорбера потоком VI подаётся полностью регенерированный абсорбент. Газ, поднимаясь в верх аппарата, взаимодействует на специальных контакт­ных устройствах с абсорбентом, стекающим в нижнюю часть абсорбера, в резуль­тате чего и происходит поглощение тех или иных компонентов исходного сырья. При этом, чем выше циркуляция поглотителя, тем меньше размеры абсорбера, но выше эксплуатационные расходы и побочное поглощение из газа нецелевых ком­понентов. Для снижения этих расходов поглотитель может подаваться в абсорбер разной степени регенерированности и в разные точки соответственно (поток VII). Для поддержания в абсорбере необходимой температуры используют циркуля­цию части абсорбента (поток III) через холодильник/подогреватель 2, орошаемый либо теплоносителем либо хладоагентом в зависимости от того с экзо или эндо эффектом идёт поглощение в абсорбере. Оставшийся после абсорбции газ пото­ком II выводится с установки. Насыщенный (отработанный) абсорбент потоком V направляется на регенерацию в десорбер 5. Регенерацию отработанного абсорбента, как правило, осуществляют либо снижением давления, либо нагревом, ли­бо отдувкой плохо растворимым газом. Для этого, отработанный абсорбент после предварительного подогрева в теплообменниках 3 и 4 стекает по специальным контактным устройствам десорбера в его нижнюю часть (навстречу отдувочному газу - поток ХП) непрерывно подогреваясь с помощью циркулирующей горячей струи, организуемой с помощью подогревателя 10, в качестве которого может ис­пользоваться и печь. Частично и полностью регенерированный абсорбент отбира­ется из десорбера в разных точках и после прохождения теплообменников 3 и 4 охлаждается в холодильниках 6 и 7 соответственно и возвращается в абсорбер. Часть регенерированного абсорбента, как правило, непрерывно прогоняется пото­ком ХП через фильтр 11, где он очищается от механических примесей и продук­тов коррозии, способных забить контактные устройства. Кроме этого, часть отра­ботанного абсорбента направляется потоком ХП1 на перегонку в рибойлер 12. Та­ким образом удаётся избавиться от высокомолекулярных продуктов осмоления абсорбента, образующихся в результате побочных реакций. Но даже в этом слу­чае, часть отработанного реагента потоком XVI непрерывно выводится с установ­ки, а его убыль компенсируется добавкой свежего абсорбента (поток ХУШ). Пары абсорбента вместе с десорбировавшимся (ранее поглощенным) компонентом и отдувочным газом после холодильника 8 разделяются в сепараторе 9. Абсорбент возвращается на орошение контактных устройств абсорбера, а десорбировавшийся компонент (вместе с отдувочным газом) покидают установку потоком IX.

Все абсорбционно - десорбционные циклы подразделяются на три группы.

К первой группе относятся схемы по которым десорбция поглощенного компонента не производится, а поглотитель используется однократно.

Ко второй группе относятся схемы с десорбцией поглощённого компонен­та, при этом, поглотитель используется многократно.

К третьей группе относятся схемы, по которым регенерация поглотителя осуществляется не путём десорбции, а другими специальными методами.

Абсорбционно - десорбционные циклы первой группы применяют в тех случаях, когда отработанный поглотитель представляет собой некий ценный готовый продукт или полупродукт и поэтому его регенерация не требуется. Схемы с однократным использованием поглотителя также применяют когда поглотитель дёшев, а извлекаемый компонент не представляет ценности или получается в не­значительных количествах. В этом случае, целесообразнее сбрасывать использо­ванный поглотитель как отход или применять его для каких - либо других целей, чем проводить дорогостоящий процесс десорбции.

Абсорбционно - десорбционные циклы второй группы наиболее распро­странены. Их суть сводится к тому, что отработанный абсорбент направляется на ту или иную регенерацию, в результате чего из него выделяются ранее поглощён­ные компоненты, направляемые на дальнейшую переработку или утилизацию, а сам поглотитель возвращается в процесс-

Абсорбционно - десорбционные циклы третьей группы применяют в тех случаях, когда в результате абсорбции поглощаемый компонент связывается с по­глотителем в химическое соединение. Это соединение в процессе регенерации химически разлагается с образованием исходного поглотителя, возвращаемого в процесс, и продукта, в который преобразуется ранее поглощённый компонент

Вопрос № 3. Классификация и устройство абсорберов

Общепринятая классификация абсорбционных аппаратов приведена на рис.96.

3.1. Поверхностные абсорберы

3.1.1. Аппараты с горизонтальным зеркалом жидкости

В данных устройствах (рис.97) газ проходит над поверхностью неподвиж­ной или медленно текущей жидкости, причем, зеркало жидкости является по­верхностью массообмена. Величина этой поверхности незначительна, вследствии чего, приходится устанавливать несколько последовательно расположенных ап­паратов. Если объём жидкости велик - она отводит тепло самостоятельно, если мало - тепло отводится через стенки аппарата путём естественного воздушного охлаждения. Для более интенсивного отвода тепла в абсорберах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим хладоагентом. Кроме того, применяют наружнее водяное охлаждение, помещая абсорбер в ёмкости с проточной водой или орошая их наружние стенки.

Такие абсорберы малоэффективны и используются для абсорбции хорошо растворимых компонентов из небольших объёмов газа.

Р ис.97. Схема абсорберов с горизонтальной поверхностью жидкости

а) абсорбер с оросительным охлаждением

б) Абсорбер с водяной рубашкой

Практическое занятие № 29

3.1.2. Плёночные аппараты

В плёночных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой плёнки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхно­стям, представляющим собой трубы или пластины.

Плёночные абсорберы бывают 4 типов (рис.98):

а) трубчатые, в которых плёнка стекает по внутренней поверхности верти­кальных труб;

б) листовые, в которых плёнка стекает по обоим поверхностям вертикаль­ных пластин;

в) обращённые, с восходящим движением плёнки,

г) с завихряющим устройством.

Рис.98. Схема плёночных абсорберов

а) Трубчатые аппараты; б) Листовые аппараты; в) Обращённые аппараты

1. Трубы; 2. Трубная решетка; 3. Листы; 4. Распределительное устройство; 5. Газовая камера; 6. Патрубки; 7. Динамическая щель.

Аппараты «а» и «б» работают на противотоке газа и жидкости (газ движет­ся снизу вверх навстречу стекающей по поверхности жидкостной плёнке), но мо­гут работать и на нисходящем прямотоке.

Аппараты «в» работают при восходящем прямотоке.

В аппаратах «а» и «в» отвод тепла не вызывает затруднений. По развивае­мой в единице объёма аппарата поверхности соприкосновения фаз эти абсорберы значительно превосходят поверхностные. Гидравлическое сопротивление трубча­тых абсорберов и абсорберов с листовой насадкой даже при сравнительно боль­ших скоростях газа (4-5 м/с) невелико. Абсорберы с восходящим движением плёнки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15 - 20 м/с), обладают значительно большим гидравлическим сопротивлением.

Трубчатые аппараты выполняются в виде кожухо-трубчатых теплообмен­ников, которые состоят из вертикального пучка труб 1, закреплённых в трубных решетках 2. В межтрубном пространстве абсорбера движется охлаждающая жид­кость.

Листовые аппараты представляют собой колонны с насадкой в виде верти­кальных пластин 3. В верхней части аппарата находятся устройства 4, равномерно орошающие каждую пластину с двух сторон. Применяются также пакетные на­садки, состоящие по высоте из отдельных пакетов. Эти пакеты, в свою очередь, составлены из параллельных пластин.

Обращенные аппараты основаны на том, что при достаточно высоких ско­ростях (более 10 м/с) движущийся снизу вверх газ увлекает жидкую плёнку в на­правлении своего движения, осуществляя восходящий прямоток. Абсорбер состо­ит из пучка труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ подводится из каме­ры 5 через патрубки 6, расположенные соосно с трубами 1. Между верхними об­резами патрубков 6 и нижними обрезами труб 1 оставлены щели 7, через которые жидкость поступает в трубы. Увлекаемая движущимся газом жидкость течёт в виде пленки по внутренней поверхности этих труб снизу вверх. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из аппара­та.

В аппаратах с завихряющим устройством поступающий снизу газ прохо­дит через винтовой завихритель и увлекает вверх жидкость, которая в межлопаст­ном пространстве завихрителя дробится на капли, а затем отбрасывается под дей­ствием центробежной силы на стенку трубы, образуя на ней винтообразно дви­жущуюся вверх плёнку. Такая закрутка интенсифицирует массообмен.

Плёночные абсорберы (в основном, трубчатые, используемые для погло­щения хорошо растворимых газов) широкого применения не получили.

3.1.3. Насадочные аппараты

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насад­кой из тел различной формы. Соприкосновение газа и жидкости происходит в ос­новном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жид­кость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значи­тельные поверхности массопередачи.

Н асадочный абсорбер (рис.99) состоит из колонны, в которой помещена поддерживающая решетка 1, на которой уложен слой насадки 2. Орошающая жидкость подаётся на насадку при помощи распределительного устройства 3. Насадка может быть уложена сплошным слоем или несколькими слоями, в послед­нем случае, между отдельными слоями имеется устройство 4 для перераспреде­ления жидкости, что позволяет достичь более равномерного распределения жид­кости по сечению аппарата.

Рис.99. Схема насадочного абсорбера

1. Поддерживающая решетка; 2. Насадка; 3. Устройство для распределения жидкости; 4. Перераспределитель.

Движение газа и жидкости в абсорбере обычно осуществляется противото­ком. Но при больших скоростях газа (до 10 м/с) возможен только прямоток (из-за захлебывания аппарата жидкостью при противотоке в этом случае). При этом, процесс интенсифицируется, габариты аппарата и гидравлическое сопротивление уменьшаются, но движущая сила абсорбции (разность концентраций вещества в газообразной и жидкой фазах) снижается.

Недостаток насадочных абсорберов состоит в трудности организации от­вода тепла. Обычно, применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.

3.1.3.1. Насадки

Насадки, применяемые для заполнения абсорбционной аппаратуры, долж­ны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объёма) и большим свободным объемом. Кроме того, насадка должна оказывать малое со­противление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать корро­зионной стойкостью в соответствующих средах с малым объёмным весом.

Насадки бывают двух типов: регулярные (правильно уложенные) и беспо­рядочные (засыпаемые в навал).

К регулярным насадкам относят: хордовую, кольцевую (при правильной укладке) и блочную. К беспорядочным насадкам относят: кольцевую (при загруз­ке в навал), седлообразную, шариковую и кусковую.

Существуют ещё специальные типы насадок, которые, в свою очередь, мо­гут быть и регулярными и беспорядочными.

Хордовая насадка состоит из поставленных на ребро брусков, образующих решетку. Решетки укладываются друг на друга, так, что в смежных решетках бру­ски повёрнуты на 90° или 45°.

Кольцевая насадка представляет собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 25 до 150 мм. Кольца малого (до 50 мм) диаметра за­гружают навалом. Кольца большого диаметра укладывают правильными рядами, обычно, в шахматном порядке, чтобы не допустить провала жидкости. Чаще всего кольца керамические.

Различают кольца Рашига - это простые кольца без дополнительных устройств; кольца Лессинга - это кольца с одной диаметральной перегородкой; коль­ца с крестообразной перегородкой; спиральные кольца, имеющие внутри I, 2 или 3 спирали, кольца с рифлёной наружной поверхностью; кольца Палля с отвер­стиями в боковых стенках. Все кольца по сравнению с кольцами Рашига имеют существенно более высокое гидравлическое сопротивление при небольшом по­вышении эффективности, за исключением колец Палля, имеющих меньшее сопротивление.

Седлообразная насадка по сравнению с кольцами Рашига имеет большую удельную поверхность (~ на 25 %) и несколько больший свободный объём, а также, несколько меньшее гидравлическое сопротивление и несколько большую эффективность.

Различают седлообразную насадку Берля – поверхность представляет собой гиперболический параболоид и насадку Инталокс – поверхность представляет собой часть тора.

Сёдла Инталокс обеспечивают большую беспорядочность насадки и не создают предпочтительных путей для протекания жидкости, кроме того, их удельная поверхность и свободный объём выше, чем у седел Берля.

Блочная насадка является аналогом колец Рашига, но выполнена в виде блоков больших размеров, что значительно облегчает монтаж. Отверстия выполняются либо в форме узких щелей, либо в виде решетки, либо в виде сот.

Кусковая и шариковая насадка изготавливаются из фрфора, кварца или кокса с диаметром от 25 до 100 мм. Её достоинство состоит в дешевизне и химической стойкости; а недостаток в малой удельной поверхности и свободном объёме, а также в значительном гидравлическом сопротивлении и, зачастую, большом удельном весе.

К специальным насадкам относят:

Проволочные спирали с диаметром до 30 мм (при диаметре проволоки до 3 мм). Они характеризуются большим свободным объёмом (до 96 %) и малым гидравлическим сопротивлением.

Полиэтиленовые розетки Теллера (ряд колец, собранных в тор) у которых коэффициент массопередачи на 23 – 72 % больше, чем у колец Рашига при свободном объёме до 83 %.

Металлические сетчатые насадки с высокой эффективностью, но они обладают высокой забиваемостью и имеют малые допустимые скорости газа.

Насадки, выполненные из стеклянного волокна. Они характеризуются очень высокой удельной поверхностью (до 1000 м2/м³) и большим свободным объёмом (до 90 – 95 %) и, при этом, имеют самое малое гидравлическое сопротивление по сравнению со всеми насадками, загружаемыми в навал. Но, в тоже время, они легко забиваются и разрушаются при захлебывании.

3.1.3.2. Распределительные устройства для подачи жидкости.

Э ффективность работы насадочного абсорбера во многом определяется равномерностью распределения жидкости по слою насадки (рис.100).

Рис.100. Схемы распределительных устройств для подачи жидкости на насадку.

а); б) плиты с затопленными отверстиями; в) плиты со свободным сливом; г) цилиндрическая брызгалка; д) полушаровая брызгалка; е) щелевая брызгалка; ж) сегнеровое колесо; и) тарелчатый ороситель; к) многоконусный ороситель; л) центробежный разбрызгиватель.

1. Решетка; 2. Патрубки для жидкости; 3. Патрубки для газа; 4. Вращающаяся перфорированная труба; 5. Подпятник; 6. Конусы; 7, 8. Патрубки; 9. Звёздочка; 10. Направляющий конус для жидкости; 11. Крышка; 12. Вал.

Распределительные устройства можно подразделить на:

Устройства, подающие жидкость отдельными струями (струйчатые ороси­тели); к этой группе относят распределительные плиты, желоба, дырчатые трубы, брызгалки и оросители типа сегнерова колеса.

Устройства, в которых подаваемая жидкость сразу разбивается на капли (разбрызгивающие оросители), либо дробится в результате удара струн о тарелку (тарелчатые оросители) или торец насадки (многоконусные оросители), или, на­конец, капли образуются под действием центробежной силы (вращающиеся цен­тробежные разбрызгиватели).

Основным требованием к распределительным устройствам, кроме равно­мерного распределения жидкости, является ее подача в достаточное количество точек и обеспечение минимального брызгоуноса. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют струйчатые оросители.

Распределительные плиты бывают двух видов: с затопленными отверстия­ми и свободным сливом жидкости. Плита с затопленными отверстиями представ­ляет собой горизонтальную решетку 1, в которой закреплены патрубки 2. Нижние концы патрубков спущены в насадку или доходят до ее торца. Диаметр и число патрубков выбирается так. Что уровень жидкости устанавливается выше их верх­него среза, в результате, они заполнены текущей жидкостью. Газ отводится через патрубки 3, располагаемые либо выше, либо ниже уровня газа. При свободном сливе жидкости патрубки имеют большой диаметр (30 - 100 мм), причем, газ и жидкость проходят через одни и те же патрубки.

Желоба по принципу работы близки к распределительным плитам. В же­лобах с затопленными отверстиями жидкость вытекает через укреплённые в дне трубы. В желобах со свободным сливом жидкость стекает через прорези в боко­вых стенках.

Дырчатые трубы выполняют в виде системы труб, укладываемых на на­садку или подвешиваемых над ней. В нижней части трубы имеют отверстия диа­метром 3 - 6 мм для выхода жидкости.

Брызгалки представляют собой цилиндрический стакан или чашу полуша­ровой формы, которые размешают в центре колонны на высоте 0,7 - 1 м (и более) над насадкой. Жидкость вытекает через отверстия диаметром 3 - 15 мм и может оросить колонну диаметром до 9 м. Брызгалок может быть установлено несколь­ко, но все они подвержены засорению отверстий.

Ороситель типа сегнерова колеса состоит из вращающейся перфорирован­ной трубы 4 и подпятника 5. Вращение трубы происходит под действием реак­тивной силы, возникающей при истечении жидкости через отверстия.

Тарелчатые оросители выполняются в виде тарелки, на которую падает струя жидкости, вытекающая из подводящей трубы. При ударе о тарелку струя дробится и отраженные брызги разлетаются во все стороны. В колоннах обычно устанавливают несколько разбрызгивателей так, чтобы орошаемые площадки пе­рекрывали друг друга.

Многоконусные оросители состоят из ряда расположенных друг над дру­гом конусов 6, насаженных на патрубки 7. Жидкость поступает через патрубок 8 и проходит частично через кольцевую щель между данным патрубком и патрубком верхнего конуса; эта часть жидкости разбрызгивается с поверхности верхнего ко­нуса. Остальная часть жидкости проходит по патрубку верхнего конуса и снова делится на две части: одна часть проходит через кольцевую щель между патруб­ками верхнего и второго (считая сверху) конуса и разбрызгивается с поверхности второго конуса, а часть проходит в следующий патрубок и т.д. Конусы имеют всё уменьшающийся диаметр и все возрастающие углы а. Вследствии этого, радиус орошения убывает от верхнего конуса к нижнему.

Вращающийся центробежный разбрызгиватель представляет собой вра­щающееся на вертикальном валу колесо, с которого жидкость разбрызгивается под действием центробежной силы. Колесо имеет форму звёздочки 9 с крыльями разной длины. Благодаря этому, жидкость, попадающая на колесо, разбрызгивает­ся на разные расстояния, орошая весь торец насадки.