13.4. Принципиальные схемы абсорбции

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

Прямоточная схемавзаимодействия 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 схемапоказана 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 фазыпредусматривает 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 диаграммепредставляет собой прямую с координатами крайних точекА 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 точкии. Концентрациянаходится 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 отдо.

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 диаграммеу—х(рис. 13.5,б) отдельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных одноступенчатьих аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию составляют отрезкии. 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 координатахy-x (б)