Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

на транспорт газа через абсорбер;

Т

затраты на транспорт поглотителя;

Т

затраты связанные с регенерацией поглотителя;

Скорость абсорбции.

Интенсивность и скорость процесса может быть определена из уравнения массопередачи.

⁄⁄

⁄⁄

Для хорошо растворимых газов сопротивление в газовой фазе значительно выше, чем в жидкой. И при абсорбции хорошо растворимых газов для организации высокой интенсивности процесса важно, чтобы газовая фаза была высокотурбулентной, чтобы минимальное сопротивление наблюдалось в пограничном слое жидкой фазы. Процесс должен проводиться с активным перемешиванием этой фазы либо в тонких ее слоях. При абсорбции труднорастворимых газов необходимо интенсивно перемешивать жидкую фазу, уменьшая толщину пограничного слоя в жидкой фазе. Свою особенность имеет хемосорбция, т.е. абсорбция протекающая с химическим взаимодействием. Хемосорбция может протекать в кинетической и диффузионной областях. Если хемосорбция протекает в кинетической области, то физическое растворение протекает быстрее химических взаимодействий, т.е. процесс лимитируется химической реакцией. В таком случае эту макрочастицу жидкости важно увести от поверхности раздела фаз за счет перемешивания жидкости, т.о. она освобождает место частице, которая в химическом взаимодействии не участвует. Если процесс протекает в диффузионной области, то важно снизить сопротивление диффузионного слоя. Химическая реакция быстро протекает, процесс проводится в тонких слоях при тонком распределении жидкости. Увеличение поверхности взаимодействия увеличивает движущие силы. Движущие силы можно увеличит за счет режимных факторов (увеличения давления, уменьшения температуры, проведения процесса в противоточных аппаратах). Для противоточных аппаратов характерна борьба с уносом жидкости (обратное перемешивание).

Тепловой баланс абсорбции.

Тепловой эффект абсорбции играет существенную роль и оказывает значительное влияние на ход процесса при абсорбции хорошо растворимых газов при значительной концентрации их в смеси. При абсорбции малорастворимых газов при небольших концентрациях вследствие теплового выделения из-за больших масс газа и жидкости температура фаз в зоне взаимодействия повышается очень незначительно. При абсорбции легкорастворимых газов при значительном их содержании в исходной газовой смеси удельное выделение тепла значительное, что приводит к значительному изменению температуры по длине аппарата и к значительному сдвигу равновесия. При проведении теплового расчета абсорбера считают, что все тепло, которое выделяется в результате процесса, аккумулируется той фазой, в которой оно выделяется.

(

− расход поглощенного абсорбата;

В то же время ( , тогда

(

Выполняя таким образом расчет, задаваясь концентрациями поглотителя в пределах от до , получают кривую изменения температур в пределах от входа абсорбента в аппарат до его выхода. Для разных значений температур, соответствующим этим концентрациям, рассчитывают равновесные концентрации в газовой фазе y* и получают кривую равновесия, которая учитывает это изменение температур.

Неизотермичность для легкорастворимых газов очень влияет на равновесие процесса. Если вести расчет без учета неизотермичности, то получаем неверное значение.

X-Y-диаграмма.

Схемы организации процесса абсорбции.

1.Противоточная схема.

Наиболее часто применяется, т.к. при противоточном взаимодействии фаз может быстро достигаться глубокое разделение, т.к. при противоточном взаимодействии теоретически может быть обеспечено любое число ступеней взаимодействия фаз.

2.Прямоточная схема.

В таких аппарата достигается максимальное изменение концентрации на одной теоретической тарелке.

3.Абсорбция с частичной рециркуляцией абсорбента.

При возврате части абсорбента на рециркуляцию увеличивается плотность орошения аппарата, за счет чего можно достичь улучшения условий массообмена.

Схема.

Применяется для абсорбции легкорастворимых газов:

для организации отвода тепла с внешнего теплообменника;

для организации нормального орошения аппарата.

4.Схемы с рециркуляцией газового потока.

Классификация абсорберов.

По организации поверхности взаимодействия фаз.

1.Поверхность может быть представлена как свободная поверхность жидкости – поверхностные абсорберы. Редко применяются. Представляют собой емкость, через которую течет жидкость, а над поверхностью поток газа. Поверхность мала, поэтому применяются для хорошо растворимых газов.

2.Аппараты барботажного типа.

Поверхность взаимодействия – поверхность пузырей газа. Простейшие аппараты – барботажные аппараты емкостного типа. Представляют собой емкость с жидкостью и внутри барботер. Используются при малых расходах газа в полупериодическом режиме. Также применяются аппараты колонные с барботажными тарелками.

По типу исполнения корпуса:

a.колонные аппараты имеют корпус в виде полого вертикального

цилиндра;

b.емкостные.

3.Распылительные аппараты.

Поверхностью взаимодействия является поверхность капель жидкости, распыленных в потоке газа. Используются в основном аппараты колонного типа.

4.Пленочные аппараты.

Аппарат, в котором жидкость движется в виде тонкой пленки в зоне взаимодействия по каким-то твердым телам. Бывают насадочные и трубчатые.

5.Эмульгационные аппараты.

Работают в режиме затопленной насадки. Наиболее распространены аппараты противоточного типа.

По режиму работы бывают аппараты, работающие под избыточным давлением.

Наиболее распространенными являются колонные, насадочные и тарельчатые.

Насадочные абсорберы

Устройство насадочного абсорбера.

1.Корпус аппарата;

2.Опорно-распределительная решетка под насадку;

3.Слой насадки;

4.Распределительное устройство;

5.Перераспределительное устройство.

A.Кубовая часть;

B.Сепарационная часть.

Насадка – твердые тела различной формы, конфигурации, из различных материалов, по которым растекается жидкость, образуя пленку. В зазорах между этими телами движется газ и происходит взаимодействие. Насадка может быть упорядочена, т.е. установлена в строго определенном порядке, и неупорядочена. Преимущественно используют неупорядоченную загрузку.

Виды насадок

Широко распространены кольцевые насадки. Представляют собой пустотелые цилиндры – кольца Рашига. Изготавливаются из керамики, стали, полипропилена.

Кольца Палля.

Керамические кольца отличаются от колец Рашига наличием перегородок и окошечек внутри.

Седловые насадки: седла Берля, седла «Инталлокс».

Сетчатые насадки бывают различных форм и конфигураций. Сетки гофрируют перед использованием.

Листовые бывают: плоские, гофрированные, ребренные.

Металл для насадок должен быть смачиваемым, химически стойким, механически прочным.

Для насадок характерно:

ε, м3/м3 –большой относительный свободный объем;

ζ, м2/м3 - удельная поверхность должна быть максимальной;

ρН – насыпная плотность, кг/м3;

dЭ – эквивалентное значение диаметра.

Упорядоченные насадки применяются редко, т.к. трудно равномерно распределить жидкость. Обладают меньшим сопротивлением при равных прочих условиях. Меньше эффективность взаимодействия. В основном используются неупорядоченные насадки. Седловые имеют более высокую эффективность, меньшее сопротивление, но являются дорогостоящими. Сетчатые не пригодны для работы с загрязненными средами.

Перераспределение будет происходить к стенкам аппарата. Должно соблюдаться условие:

{

Для аппаратов с неупорядоченной насадкой в отечественной практике рекомендуется использовать ТНС-2 и ТНС-3.

Устройство тарелок ТНС-3.

1.Основа тарелки

2.Крепление

3.Патрубок

4.Дренажные отверстия

5.Стакан

6.Узкие щелевые каналы

7.Зубцы

Конструкция патрубка.

Жидкость подается в центральный стакан и поступает на полотно тарелки. За счет того, что прорези для истечения жидкости узкие вертикальные, уровень держится достаточно высокий для обеспечения равномерного поступления во все патрубки. Жидкость стекает по внутренней стенки патрубка на зубцы и далее движется в виде множества струй. Это обеспечивает большое количество точек орошения. Поток газа частично движется огибая тарелки, частично через патрубки.

ТНС-2

1.Сборный конус

2.Распределительная тарелка

Поток газа движется через зазоры между тарелками и конусом.

Гидродинамика работы насадочных аппаратов.

Гидродинамический режим зависит от расхода газовой и жидкой фазы, приходящейся на единицу поперечного сечения. При умеренной скорости потока газа силы трения между газовой и жидкой фазой не велики. Восходящий поток газа не препятствует, в общем, движению жидкости по насадке вниз. Хотя с возрастанием скорости газа эти силы трения возрастают, и количество жидкости в аппарате увеличивается за счет торможения потока. В зависимости от расхода жидкости может наблюдаться два режима. Режим струйный для малых расходов жидкости. Жидкости не хватает, чтобы образовать пленку на всей поверхности насадки. В этом случае поверхность насадки для образования поверхности массопередачи используется неэффективно. Недостатком является низкая эффективность работы при малых плотностях орошения. Плотность орошения – отношение объемного расхода жидкости к поперечному сечению аппарата.

qmin будет обеспечивать полное смачивание насадки. Насколько насадка смочена жидкостью оценивает коэффициент смоченности – ψ.

q> qmin

ψ=0,95

Неудовлетворительная работа при малых расходах жидкости. Для абсорбции легкорастворимых газов нежелательно применять. Вывод: применять насадочные аппараты для средне и труднорастворимых газов, применять для агрессивных сред.

При увеличении скорости газа возрастает межфазное трение между восходящим потоком газа и жидкостью. При какой-то скорости газа – скорости захлебывания эти силы трения уравновешиваются жидкости в насадке. Сначала жидкость подвисает, а потом либо выбрасывается, либо происходит лавинообразный слив. Скорость должна быть меньше скорости захлебывания. С

ростом скорости возрастает эффективность работы аппарата. Рабочую скорость следует держать близкой к скорости захлебывания. Для абсорбции рекомендуется, чтобы:

.

Скорость захлебывания определяется по эмпирическим уравнениям. Величина скорости захлебывания увеличивается при увеличении свободного объема насадки, увеличении эквивалентного диаметра насадочных тел, увеличения поперечного сечения проходных каналов (что ведет к уменьшению эффективности массопередачи), при увеличении расхода жидкости, при уменьшении плотности газа. В момент подвисания жидкости эффективность насадочного аппарата резко возрастает, возникает эмульгационный режим работы – режим затопленной насадки. При этом наблюдается барботаж газа в жидкости, заполняющей насадку. При этом резко возрастает гидравлическое сопротивление.

Гидравлическое сопротивление насадочных аппаратов. На первой стадии проводят расчет сухого аппарата.

эквивалентный коэффициент трения,; − высота слоя насадки;

эквивалентный диаметр насадочных тел; плотность газовой фазы; фиктивная скорость;

относительный свободный объем насадки.

⁄

⁄для насадочных аппаратов с орошением.

сух

– корректировочный коэффициент Используют формулу Лева:

b зависит от типа и размера насадки.

По сравнению с другими аппаратами противоточные, имеющие внутренние контактные устройства, при прочих равных условиях гидравлическое сопротивление наименьшее. У аппарата с упорядоченной насадкой сопротивление

может быть ниже, чем у аппаратов с насадкой в навал, но они требуют очень четкого распределения жидкости, а значит сложных устройств для распределения.

Тарельчатые колонные абсорберы

Конструкция.

1.Полый цилиндр (корпус)

2.Тарелки

Массообменные тарелки в общем случае представляют собой горизонтальные перегородки с устройствами для прохождения через перегородку газа и жидкости и для организации их взаимодействия.

На тарелках непосредственно наблюдается противоток и перекрестный ток и в зоне взаимодействия прямоток.

Тарелки делят на 2 класса по характеру слива жидкости: без переливных устройств (провальные), с переливными устройствами.

Провальные тарелки представляют собой перфорированный лист с отверстиями довольно крупного размера.

1.Полотно тарелки

2.Отверстия (дырчатые с диаметром 8-20 мм, решетчатые с диаметром 4-15 мм и длиной 40-80 мм)

Сверху поступает жидкость, а снизу газ. При накоплении жидкости давление газо-жидкостного столба становится больше сопротивления и через отверстия движется попеременно газ и жидкость. При увеличении расхода газа требуется создавать более высокий столб газо-жидкостной смеси и при скорости произойдет захлеб тарелки. Они работают при сравнительно небольшой скорости газа. Над тарелкой образуется пенный слой, где протекает основной массообмен. В меньшей доли массообмен протекает между.

Достоинства: чрезвычайная простота, низкая материалоемкость, нечувствительность к загрязнениям, сравнительно невысокое сопротивление. Недостатки: малая производительность, низкая скорость газа, следовательно, эффективность массобмена низкая.

Тарелки с переливными устройствами имеют специальные каналы для перетекания жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. Используются 2 типа:

a)трубчатые в аппаратах с малым сечением;

1.тарелка

2.переливная труба

3.поры сливного кармана

Жидкость попадает в сливной карман, затем попадает на тарелку и в сливную трубу другой тарелки.

b)сегментные в аппаратах с диаметром до 1000 мм.

1.Основание тарелки

2.Пластина переливного устройства

3.Гидрозатвор

Обладает большей пропускной способностью. При необходимости большого количества жидкости используются тарелки с несколькими переливными

устройствами. Переливные устройства забирают частично сечение для прохода газа, обеспечивают более устойчивую работу.

Тарелки с переливными устройствами:

барботажные (пенные)

Наиболее распространены ситчатая, колпачковая, клапанная тарелка. Ситчатая – основание тарелки перфорированное, выполненное с круглыми

отверстиями диаметром 3-12 мм. Высота пенного слоя может регулироваться высотой переливного порога. Для работы может быть характерно несколько режимов.

1. Провальный режим при малой скорости газов (не рабочий режим). При увеличении скорости провал прекратится, но в зависимости от

относительного свободного сечения отверстий могут наблюдаться другие режимы работы.

2.Пузырьковый

Истечение газа в виде пузырьков или их цепочек. При высокой скорости из отверстий выходят струйки, которые разбиваются на пузырьки.

Наиболее эффективный режим, т.к. скорость выше, выше коэффициент массоотдачи, удельная поверхность пены больше.

3. Энергия выходящих струй настолько велика, что струи не разрушаются при проходе через газо-жидкостной слой. Тогда наблюдается режим уноса, следовательно, эффективность падает из-за резкого сокращения поверхности взаимодействия фаз.

Диапазон устойчивой работы тарелок.

Колпачковые тарелки.

1.Основание тарелки

2.Патрубки

3.Колпачок

4.Прорези

Прорези для диспергации потока жидкости в газе, для обеспечения эффективного массообмена.

Достоинства: не возможен провальный режим, шире рабочий диапазон, малочувствительна к загрязнениям. Недостатки: сложнее, дороже, более материалоемкая, сопротивление выше.

Колпачки располагаются в шахматном порядке. Бывают S-образные, туннельные.

Клапанные тарелки.

Полотно клапанной тарелки представляет собой плоский лист с отверстиями под клапаны. Отверстия под клапаны немного меньше самого клапана.

1.Полотно тарелки

2.Клапан

3.Длинная лапка

4.Короткая лапка

сух

( с

h0 – высота светлого слоя жидкости

поверхностное натяжение жидкости Пленочные трубчатые абсорберы.

1-корпус; 2-трубы; 3-трубные решетки; 4-крышки и штуцера.

Конструкция мало чем отличается от вертикальных кожухотрубчатых теплообменников. Трубное пространство этих аппаратов используется для проведения абсорбции. Абсорбент и разделяемый газ поступает в трубное пространство. Причем по внутренней поверхности труб жидкость движется пленкой. Удельная поверхность массообмена не очень высокая, поэтому применяется для хорошо растворимых газов. В межтрубное пространство подается хладагент, с помощью которого отводится тепловая энергия, выделяемая в процессе абсорбции. Происходит большое выделение тепла, если газы содержатся в большом количестве. Применяются для абсорбции легкорастворимых газов из смесей с высоким их содержанием, когда абсорбция сопровождается большим выделением тепла. Достоинства: малое гидравлическое сопротивление, хороший отвод тепла. Недостатки: трудность четкого распределения жидкости по трубам.

Распыливающие абсорберы применяются для абсорбции легкорастворимых газов. Достоинства: простота, надежность, малое сопротивление. Недостатки: невысокая производительность и эффективность.

Порядок расчета абсорбера:

1)задание (природа разделяемых газов, состав, температура, давление, степень очистки);

2)выбор абсорбента;

3)выбор режима работы, если не задан;

4)установление условий равновесия;

5)произвести расчет материального баланса;

6)получить уравнения рабочих линий и построить х-у диаграмму;