книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

сти раздела фаз аналогично тому, как Nu характеризует про­ цесс теплоотдачи от стенки к среде.

2. Диффузионный критерий Прандтля

D

■где v — кинематическая вязкость, м2/с; D — коэффициент диффузии, м2/с.

Этот критерий является аналогом теплового критерия

Прандтля Рг = — (см. Введение).

а

Критерий Рг характеризует физические свойства среды, уча­ ствующей в процессе массопередачи.

Для определения коэффициентов массоотдачи используются критериальные уравнения, имеющие следующий общий вид:

Критерий Рейнольдса Re рассмотрен выше; он характеризу­ ет гидродинамические условия протекания процесса.

5. ПОНЯТИЕ О ТЕРМОДИФФУЗИИ

Движущей силой процесса переноса вещества является раз­ ность концентраций передаваемого вещества (градиент кон­ центраций) в фазах. Такая диффузия называется концентраци­

онной.

Экспериментами установлено, что масса может перемещать­

направлении. Если направления потоков концентрационной диф­ фузии и термодиффузии совпадают; то скорость диффузии равна сумме скоростей переноса массы, создаваемых градиентом кон­ центраций и градиентом температур. Если направления падения градиентов различны, то термодиффузия является помехой массопередаче. Термодиффузия играет значительную роль в не­ которых процессах пищевых производств, например, в сушке пористых коллоидных материалов.

■220

Г л а в а XV. АБСОРБЦИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов газовой или паровой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Абсорбция широко при­ меняется в пищевых производствах. Например, в спиртовом производстве спиртовые пары поглощаются водой из газов, вы­

ряющегося газа или компонента в газовой или паровой смеси. Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением характеризуется законом Генри, согласно которому р а с т в о р и м о с т ь г а з а в ж и д к о с т и п р я м о п р о п о р ­ ц и о н а л ь н а п а р ц и а л ь н о м у д а в л е н и ю г а з а н а д

н е й, т. е.

Как известно, с повышением давления и понижением темпе­ ратуры растворимость газа в жидкости повышается.^

Приравнивая значения р в уравнениях (278) и (278а), по­ лучим

откуда

(279)

221

Уравнение (279) является уравнением фазового равновесия. Для идеальных растворов, для которых закон Генри точен, ве­ личина Н является постоянной и линия равновесия является прямой; для концентрированных растворов зависимость (279) представляют кривой, называемой кривой равновесия. Кривую равновесия для данной системы обычно строят на основе вели­ чин, полученных экспериментально.

3.КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ

Вабсорбционном аппарате контактируют жидкая и газооб­ разная фазы, обменивающиеся компонентами. В настоящее

время предложено много различных конструкций абсорбцион­ ных аппаратов. Все они могут быть разделены на три основные группы:

1) аппараты, в которых поверхность контакта образуется в процессе движения потоков жидкости и газа;

2) аппараты, в которых газ и жидкость соприкасаются на поверхности, создаваемой телами той или другой формы (с фик­ сированной поверхностью);

3) аппараты, в которых контакт между фазами создается при помощи механического воздействия на фазы.

Рассмотрим некоторые из абсорберов, получивших наиболь­ шее распространение.

а) Аппараты с поверхностью контакта, образуемой

впроцессе движения потоков

Ба р б о т а ж н ы й а б с о р б е р . Чтобы увеличить контакт­

ную поверхность, газ и жидкость приводятся в этих аппаратах

222

Рис. 114. Схема работы многоколпачкового барботажного абсорбера.

бу) 3 и уходит, переливаясь через сливные перегородки 4, по трубе 5. Контакт газовой и жидкой фаз происходит на по­ верхности струи и пузырей па­ ра, а также на поверхности пены и брызг. Развиваемая -между тарелками большая по­ верхность контакта фаз обес­ печивает интенсивный обмен. Поглощаемый компонент газо­ вой смеси переходит в жидкую фазу. Такие барботажные аб­

имеет отверстия, через кото­ рые проходит газ (рис. 115). Жидкость удерживается на

Рис. 115. Абсорбер с ситчатыми барботажными тарелками:

/•“ Тарелки с отверстиями, 2 — сливные трубы, 3 — приемный стакан для слива жидкости.

223

тарелках 1 давлением газа и сливается с тарелки на тарелку по сливным трубам 2. Ситчатые тарелки проще по устройству, чем колпачковые.

А б с о р б е р с п р о в а л ь н ы м и т а р е л к а м и . Еще бо­ лее простое устройство имеют абсорберы с провальными тарел­ ками. В этих абсорберах тарелки не имеют сливных труб и жид­ кость проваливается через отверстия, в которые поступает газ. Отверстия провальных тарелок круглые либо щелевидные. Диа­ метр отверстий и ширина щелей 3—-4 мм. На рис. 116 показана провальная тарелка с щелевидными отверстиями.

б) Аппараты с фиксированной контактной поверхностью

Поверхность контакта в этих аппаратах (рис. 117) создается при помощи насадки — твердых тел различной формы с разви­ той поверхностью. Самой распространенной формой насадки

Рис. 118. Насадки абсорбционных аппаратов:

а — кольца Рашига, б — кольца с перегородками, в — спи­ ральные кольца, г — шары, д — пропеллеры, е — седлообраз­ ные элементы, ж — хордовая или реечная насадка.

224

являются тонкостенные кольца. Высота колец равна их диамет­ ру, размер которого принимается от 15 до 150 мм. Кольца изго­ товляют из металла или из керамики. Их насыпают в абсорбер на поддерживающую решетку с крупными отверстиями'навалом

беспорядочно или укладывают их рядами так, чтобы оси их бы­ ли вертикальными и в последовательных рядах сдвинуты друг

4.ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ

а) Материальный баланс абсорбции

На рис. 120 показана схема движения потоков, жидкости и газа в абсорбционном аппарате.

Принимаем следующие обозначения: G— количество газа-носителя, кг/с;

L — количество поглощающей жидкости, кг/с;

ун — содержание компонента, поглощаемого из газа, в газе-но­ сителе, поступающем в аппарат;

Ук— содержание компонента, поглощаемого из газа, в газе, уходящем из аппарата;

хи — содержание поглощаемого компонента в жидкой фазе на входе в аппарат;

хк — то же, на выходе из аппарата.

вабсорбционном аппарате.

Впроцессе обмена количество носителя остается неизмен­ ным. Пренебрегая возможными потерями поглощаемого компо­ нента и носителя, на основании закона сохранения вещества можно составить уравнение материального баланса для погло­ щаемого компонента:

Каждая точка на этой линии показывает зависимость между со­ держанием поглощаемого компонента в жидкой и газовой фа­ зах в том или другом сечении аппарата. Эта линия называется рабочей линией процесса абсорбции. Для абсорбции линия рав­ новесия ОА пройдет ниже рабочей линии. Расстояние по верти­

226

кали между рабочей линией и линией равновесия определяет движущую силу процесса абсорбции и показывает, как она из­ меняется по высоте колонны.

Если бы рабочая линия прошла ниже линии равновесия, то при этом происходила бы десорбция, т. е. выделение рассмат­ риваемого компонента из жидкости в газовую фазу.

б) Число ступеней концентрации

Построение, выполненное на рис. 121, дает возможность ввести понятие о ступенях концентрации. Для этого рассмотрим рис. 122. Точка 1 на графике соответствует содержанию погло­

Продолжая построение на рис. 122, приходим в точку 5, кото­ рая соответствует верхней точке аппарата. Таким образом, для массообмена в рассматриваемом случае потребуется две ступе­ ни концентрации. Эффективность работы аппарата оценивается числом ступеней концентрации. В рассматриваемом случае для того, чтобы уменьшить концентрацию компонента в газовой фа­ зе от г/н до г/к, потребуется две ступени.

Для построения такого абсорбера нужно иметь некоторые экспериментальные данные. Для тарельчатых аппаратов необ­ ходимо знать, сколько тарелок соответствует одной ступени кон­ центрации, для насадочных аппаратов требуется знать, какая высота слоя насадки соответствует одной ступени концент­ рации.

5. РАСЧЕТ АБСОРБЕРОВ С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ

а) Гидродинамика барботажного процесса

При пропускании газа через слой жидкости на тарелке в за­ висимости от скорости газа могут наблюдаться различные ре­ жимы работы тарелки. При последовательном увеличении ско­ рости газа имеют 'место следующие режимы: пузырьковый (неравномерный), струйный и пенный (равномерные) и инжекционный.

Пузырьковый режим наблюдается при малых скоростях га­ за. В этом режиме газ прорывается из-под краев колпачков от­ дельными пузырями. Такой режим имеет место при скорости газа в свободном сечении колонны приблизительно до 0,5 м/с. При дальнейшем увеличении скорости газа возникают струй­ ный, а затем пенный режимы, при которых из-под краев колпа­ ка в жидкость вырываются струи, разбивающиеся при выходе на отдельные пузыри.

Пространство между колпачковыми тарелками абсорбера заполняется пеной и брызгами, образующимися при взаимодей­ ствии газа (пара) и жидкости. При этих режимах работа тарелки равномерна и устойчива. Поверхность контакта между фазами велика. При увеличении скорости газа приблизительно до 1,0 м/с в свободном сечении возникает инжекционный режим, при котором струи газа прорываются через жидкость на тарел­ ке, образуя много брызг, уносимых на вышележащую тарелку. Такой режим нежелателен. Таким образом, рабочими режима­ ми колпачкового тарельчатого абсорбера являются струйный и пенный режимы. Минимальная скорость (в м/с), при которой устанавливается струйный режим, может быть ориентировочно определена по уравнению

где g — ускорение силы тяжести, м/с2;

| — коэффициент сопротивления, равный 5; Рж и Рг — плотность жидкости и газа, кг/м3;

I — высота прорези в колпачке, м.

б) Гидродинамическое сопротивление колпачковых тарелок

При прохождении газа через тарелку он теряет часть своей

энергии на преодоление некоторого сопротивления Ар (в Па). Это-сопротивление складывается из трех величин: сопротивле­ ния сухой тарелки Арь сопротивления слоя жидкости на тарел­ ке Дрг, сопротивления, которое создается силами поверхностно­ го натяжения, Арз:

228

Сопротивление сухой тарелки определяют по известному уравнению гидравлики:

где I— высота прорези, м (рис. 123);

а— расстояние от верхнего края про­ рези до края сливной трубы, м

(см. рис. 123);

ДА — высота уровня жидкости над кра­ ем сливной трубы, м.

где Уж— расход жидкости, м3/с;

f — периметр сливной трубы или перегородки, м;

К — отношение плотности пены к плотности светлой жидкости, К =0,5.

Сопротивление Дрз (в Па), которое создается силами поверхностного натяжения,

(285)

где о — поверхностное натяжение, Н/м; d=co/x— гидравлический радиус прорези, м;

w — площадь прорези, м2, и %— ее периметр, м.

В колпачковых тарелках величина Дрз незначительна и мо­ жет не учитываться.

в) Определение размеров барботажного абсорбера

Диаметр барботажного абсорбера определяют по известно­ му урав-нению гидравлики:

229