книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

Таким образом, общая высота единицы переноса определяется че­ рез частные высоты единиц переноса фаз, участвующих в массообмене. При этом учитываются также условия равновесия системы и расходы массоносителей. Величины h x и h2 определяются экспериментально на базе теории подобия (подобно тому, как определялись коэффици­ енты массоотдачи).

Число единиц переноса и высота единицы переноса были опреде­ лены по характеристикам фазы G. Аналогично они определяются и для фазы L.

Расчет ступенчатых массообменных аппаратов

Допустим, что на каждой ступени контакта развивается поверх­ ность F0, а кинетика процесса характеризуется коэффициентом массо­ передачи Ко, отнесенном к фазе G. Если концентрация вещества в этой фазе на данной ступени контакта изменяется от у' до у ", а дви­ жущая сила равна ДС0, то справедливо равенство М — G (у'—у") =

— K qFqACq. Отсюда общее число единиц переноса, соответствующее одной ступени контакта, равно

257

фазы G и фазы L.

В случае, если величина ф не остается постоянной по высоте аппа­ рата, принимают среднеарифметическое значение ф.

Прежде чем перейти к расчету числа ступеней контакта, введем понятие эффективности ступени контакта, или коэффициента полез­ ного действия ступени. Допустим, что фаза L на данной ступени кон­ такта полностью перемешана, т. е. имеет во всех точках объема по­ стоянную концентрацию х, которой соответствует равновесная кон­ центрация ур в фазе G. При контакте с фазой L концентрация вещества

вфазе G снижается от у' до у ". Теоретически она могла бы уменьшиться и до ур. Отношение действительного изменения концентрации вещества

вданной фазе к теоретически возможному называется эффективностью или к. п. д. ступени контакта. В нашем случае эффективность равна

К- п. д. ступени показывает, насколько интенсивно идет процесс, про­ водимый на контактном устройстве данной конструкции. Практиче­ ски величина Е 0 = 0,2-г-0,8.

Свяжем эффективность ступени с ее числом единиц переноса. Дви­ жущая сила в нашем случае равна

На рис. 12-5, в дополнение к равновесной кривой ОА и рабочей линии ВС, строим так называемую кинетическую кривую DE. Эта линия располагается между линиями ВС и ОА. Расстояние по верти­ кали между рабочей линией ВС и кинетической кривой DE равно рас­

258

вующей концентрациям фаз у х и х г внизу аппарата, вписываем между линиями ВС и DE ступеньки, как это показано на рис. 12-5. Число ступенек равно общему числу ступеней межфазного контакта.

Расчет других элементов массообменных аппаратов дан ниже при рассмотрении конкретных процессов.

Пример 1. Определить коэффициент молекулярной, диффузии сероводорода в воздухе при давлении 1 сипа и t = 27е"С.

Р е ш е и и е. По справочнику химика (т. V, М.—Л., 1968, стр. 658) моле­ кулярный объем сероводорода равен 32,9 см3/моль, воздуха — 29,9 см3/моль. Молекулярные массы: MHS = 34 кг/кмоль и ДІвоздуха = 29 кг/кмоль. По фор­

муле (12-3) коэффициент молекулярной диффузии

По формуле (12-6) коэффициент диффузии S02 в воде равен

0 = 0,119-10- •ю(273 + 50) V 64 = 5,72- ІО-9 м2/сек.

0,549-44,8°’6

Глава 13. АБСОРБЦИЯ

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров жид­ костью. Обратный процесс — выделение газа из раствора называется десорбцией. Аппараты, предназначенные для проведения этих процес­ сов, называются абсорберами и десорберами.

259

В целлюлозно-бумажном производстве процесс абсорбции приме­ няется при получении варочных растворов S 0 2 для сульфитных ва­ рок целлюлозы и при санитарной очистке газовых выбросов от серо­ водорода, метилмеркаптана, сернистого ангидрида и других серусодержащих компонентов.

ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ ПРИ АБСОРБЦИИ

Для низких концентраций растворов равновесие между фазами при постоянных общем давлении и температуре описывается законом Генри, по которому равновесное парциальное давление рП данного ком­ понента над раствором пропорционально содержанию компонента в растворе [с, кмоль/кмоль ]:

При практических расчетах удобнее пользоваться не парциальными давлениями, а равновесными концентрациями. Тогда закон Генри выразится уравнением

Для целлюлозно-бумажного производства наибольший интерес представляет процесс поглощения сернистого ангидрида жидкостями, сопровождающийся химическими реакциями S 0 2 с абсорбентом. Та­ кой процесс называется хемосорбцией.

Растворимость S 0 2 в воде пропорциональна содержанию компо­ нента SO2 в газовой смеси в молекулярных (объемных) долях а, об­ щему давлению смеси р, мм рт. ст., и обратно пропорциональна тем­ пературе жидкости t, °С.

По закону действующих масс растворимость S 0 2 в водных раство­ рах бисульфитов, вследствие возрастания концентрации ионов HSO3", снижается. Для раствора бисульфита кальция уменьшение раствори­ мости S 0 2 пропорционально величине Д 3с, где R = 0,89 — константа, а с — содержание связанного S 0 2 в кислоте (в виде CaS03) в массовых

процентах.

Содержание растворенного сернистого ангидрида в воде и растворе бисульфита кальция в условиях равновесия может быть определено

260

Максимальное общее содержание растворенного и химически свя­ занного S 0 2 в кислоте равно (в массовых %):

ниями (магниевым, аммониевым и натриевым) рассчитывается также по формулам (13-3) и (13-4). В этом случае следует предварительно пересчитать процентное содержание этих оснований в кислоте на эк­ вивалентное содержание кальциевого основания. Пересчет может

Равновесное содержание S 0 2 над водными и бисульфитными раство­ рами рассчитывается также по формуле (13-3) или (13-4). В частности,

где b — массовая доля S 0 2, соответствующая его объемной доле а и определяемая по формуле (1-5).

Более подробные сведения по растворимости и равновесию S02 приведены в «Справочнике бумажника», т. I, М., 1964, стр. 207—214

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АБСОРБЦИИ

При проведении процессов абсорбции и хемсорбции осложняющим обстоятельством является повышение температуры жидкости, выз­ ванное выделением тепла при растворении газов, тепловым эффектом химических реакций поглощаемых компонентов с составными элемен­ тами абсорбента и охлаждением газа. Повышение температуры жидко­ сти приводит к увеличению равновесных концентраций и снижению движущей силы процесса. Для сохранения высокой движущей силы абсорбцию целесообразно проводить при искусственном отводе тепла, чтобы температура жидкости оставалась постоянной.

При работе абсорберов без отвода тепла требуется оценить возмож­ ную температуру жидкости, а при теплоотводе — рассчитать количе­ ство отбираемого тепла. В обоих случаях вопрос решается составле­ нием уравнения теплового баланса абсорбции.

261

Количество поглощаемого вещества М — L (х2—ху), а тепловой эффект Q = Mr = L (х2—х х) г, где .ѵу и х 2 — рабочие концентрации поглощаемого вещества в жидкости на входе и выходе аппарата; г — тепловой эффект растворения и химических реакций, отнесенный к 1 кг поглощаемого компонента, равный сумме теплот растворения гр

и химических реакций гх. Теплота растворения показывает, какое количество тепла выделяется при растворении 1 кг компонента в раст­ воре данной концентрации. Теплотой химических реакций называется количество тепла, отнесенное к 1 кг поглощаемого компонента, которое выделяется при химических реакциях этого компонента с составными частями абсорбента.

В каждом частном случае хемосорбции теплота химических реак­ ций рассчитывается по справочным данным. Тепловые эффекты ре­ акций S 0 2 с различными поглотительными растворами, применяемыми в сульфитцеллюлозном производстве, приведены в «Справочнике бу­ мажника», т. I, М., 1964, стр. 215—216.

После подстановки в уравнение теплового баланса значений Q и М и решения его относительно температуры жидкости в конце про­ цесса получим

В большинстве случаев при абсорбции теплосодержание газа не изменяется. Тогда

Зависимость текущей температуры жидкости t от текущего значе- ■ния концентраций компонента в жидкости х описывается уравнением

Это уравнение используют для оценки коэффициента Генри и по­ строения линий равновесия по формулам (13-2) и (13-5). Если г > Х Л Ю составляющей cKtK в уравнениях (13-7) и (13-8) можно пренебречь.

В случае, если абсорбция проводится с искусственным отводом тепла, его количество определяется также по уравнению теплового баланса. *

262

Наибольшее распространение в промышленности получили наса­ дочные, барботажные и распылительные абсорберы. К последним относятся аппараты Вентури, описанные в главе §. Устройство наса­ дочных аппаратов кратко освещено в главе 9, где эти аппараты рас­ сматривались как теплообменники смешения. Здесь же изложены не­ которые дополнительные сведения о насадочных аппаратах, как аб­ сорберах, и более подробно рассмотрены барботажные аппараты.

АБСОРБЦИЯ В НАСАДОЧНЫХ АБСОРБЕРАХ

Схема работы насадочного аппарата показана на рис. 9-13, где он был представлен как теплообменник второй ступени охлаждения. При работе насадочного аппарата в качестве абсорбера потоки газа и жидкости аналогичны потокам в теплообменном аппарате: газ дви­ жется снизу вверх, а жидкость — самотеком сверху вниз. Абсорбция обычно проходит менее интенсивно, чем теплопередача, поэтому ра­ бочая высота насадки в абсорберах довольно большая. Необходимым условием нормальной работы аппарата является равномерное распре­ деление жидкости и газа по сечению насадки. Для распределения по­ тока жидкости применяют желоба, дырчатые трубы и специальные спрыски. Движущийся навстречу жидкости газ постепенно сосредото­ чивается в центре и оттесняет жидкость к стенкам аппарата. Плот­ ность потоков фаз по сечению аппарата становится неравномерной: чем больше высота насадки и путь газа и жидкости, тем больше этот эффект. Поэтому через 2—3 м по высоте насадку разъединяют для установки перераспределителей потоков, с помощью которых газ от­ водится к стенкам аппарата, а жидкость — к центру.

Режимы работы насадочных абсорберов

При работе насадочных аппаратов можно выделить несколько ха­ рактерных гидродинамических режимов, зависящих от скорости газа и плотности орошения. Под плотностью орошения понимают расход жидкости, отнесенный к 1 м2 сечения аппарата.

При небольших плотности орошения и скорости газа жидкость стекает по насадке в виде отдельных струек и пленок. Часть насадки может остаться несмоченной. Взаимодействие фаз осуществляется на поверхности отдельных смоченных элементов насадки. Такой ре­ жим работы называется п л е н о ч н ы м .

При повышении плотности орошения скорость стекания жидкости по насадке увеличивается. В результате возрастают сопротивления проходу газа и его скорость может уменьшится. Скорость, соответст­ вующая началу роста сопротивлений, называется точкой торможения газа. Если начать увеличивать скорость газа, сопротивления будут также возрастать. При этом из-за тормозящего действия газа скорость движения жидкости снижается и жидкость будет накапливаться в сво­ бодном объеме насадки. Скорость газа, соответствующая началу тор­ можения жидкости, называется точкой подвивания. Режим работы аппарата между точками торможения и подвисания называется п р о -

263

м е ж у т о ч н ы м. В этом режиме жидкость покрывает всю насадку в виде стекающей тонкой пленки и отдельных струй. Взаимодействие между фазами происходит на их поверхности, которая примерно равна поверхности насадки.

При повышении скорости газа сверх точки подвисания начинается интенсивная турбулизация газа и самой пленки жидкости, которая в значительно большем количестве, чем в предыдущем режиме, удер­ живается насадкой. Все это приводит к существенному увеличению интенсивности массопередачи.

Дальнейшее накопление жидкости в объеме насадки приводит к тому, что жидкость отрывается от поверхности насадки и эффективно перемешивается с газом. В этом случае нельзя установить, какая фаза является сплошной и какая — дисперсной. Происходит непрерывное изменение состояния системы: дисперсной и сплошной фазами в дан­ ном объеме насадки становятся то газ, то жидкость, т. е. наблюдается непрерывная и н в е р с и я ф а з . Скорость газа, соответствующая инверсии фаз, называется точкой инверсии. Режим работы аппарата между точками подвисания и инверсии называется т у р б у л е н т -

н ы м. Режим работы, соответствующий точке инверсии и находя­ щийся выше точки инверсии, называется режимом эмульгирования.

Такое название режим получил потому, что жидкость дробится газо­ вым потоком на отдельные мелкие частицы (капли), т. е. происходит как бы эмульгирование жидкости в газе. Режим эмульгирования ка­ чественно отличается от предыдущих режимов наличием свободной, развитой турбулентности потоков газа и жидкости, что приводит к резкому увеличению интенсивности массопередачи. При дальнейшем увеличении плотности орошения жидкость может подняться выше на­ садки и произойдет так называемое з а х л е б ы в а н и е насадки.

Скорость в точке инверсии является исходной величиной при ко­ личественной оценке других режимов работы насадочного аппарата. Она зависит от размеров элементов насадки и свойств газа и жидкости и может быть определена по уравнению

уравнении (13-9) А = 0,022.

Критические скорости ѵ0, отнесенные к полному сечению аппарата, могут быть определены в зависимости от скорости в точке инверсии: точка торможения равна 0,45 иинв, точка подвисания — 0,85 ѵИнв.

264

Если скорость газа в аппарате равна ѵ0 и определена скорость в точке инверсии, то могут быть установлены гидродинамические режимы:

Гидравлические сопротивления орошаемых насадок

Вопрос о гидравлических сопротивлениях сухих насадок рассмот­ рен в главе 2. Гидравлические сопротивления орошаемых насадок можно определить по формуле

Размерность Ар определяется размерностью сопротивления сухой насадки Арс. Постоянные Сх и С2 приближенно определяются по фор­ мулам;

а = 3Ш - ° ’853'

При работе аппарата в режиме эмульгирования гидравлические сопротивления равны (в мм -вод. ст.)

где Арит — сопротивления в точке инверсии, мм вод. ст., определяе­ мые по формуле (13-10) или (13-11);

Н — высота насадки, м.

265

Массопередача в насадочных абсорберах

В справочной литературе имеется ряд уравнений, по которым можно рассчитать процесс массопередачи при абсорбции в насадочных аппаратах.

Массоотдача в газовой фазе может быть рассчитана по уравнению

жидкости и газа, кг/сек-м2. Величины критериев подобия здесь равны:

Обозначения здесь следующие: D r — коэффициент молекулярной диффузии распределяемого компонента в газовой смеси; рг и р.,. — ее плотность и вязкость; е — свободный объем насадки; d — характер­ ный линейный размер насадки. Величина его определяется по фор­ муле

где dK— диаметр колец; 6 — их толщина.

Все величины подставляются в единицах СИ. Размерность коэффи­

циента массоотдачи [ßr ] =

секм2- (кг!кг)

Высота единицы переноса (в м) для газовой фазы может быть оп­

где / — удельная поверхность насадки, мг/м3. Остальные обозначения те же,что и в формуле (13-16). Уравнения (13-16) и (13П8) равнозначны.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе может быть определен по уравнению

Прандтля; £>ж — коэффициент молекулярной диффузии данного ком­ понента в жидкости. Все размерности в единицах СИ. Размерность

коэффициента массоотдачи ф ж] =

сек-м2- (кг/кг)

266