ПиА газоочистки

термическом режиме, что еще более упрощает проектирование. Основные затруднения обычно связаны с тем, что требуется обрабатывать очень большие количества газа.

Поскольку конечная концентрация загрязнителя в газовой фазе всегда выше равновесной с растворенным в жидкой фазе, абсорберы проектируют для противоточной схемы движения поглотителя и обрабатываемых газов. При этом степень извлечения загрязнителя значительно зависит от факторов, влияющих на величину парциального давления загрязнителя над жидкостью: температуры поглотителя, начального содержания в нем загрязнителя и его растворимости.

Газовые и жидкие потоки в абсорберах слабоконцентрированы, что позволяет ввести ряд упрощений: оперируют моделью идеального раствора, подчиняющегося законам Генри и Рауля; пренебрегают неизотермичностью процесса, теплотами фазовых переходов растворения и химических реакций, рядом других факторов.

Большинство расчетных зависимостей относится к концентрационным диапазонам, характерным для химической технологии. Они не распространяются на область значений концентраций, в которой работают системы защиты атмосферы, а лишь соприкасаются с ней: выходные (сбросные) концентрации технологических устройств, в том числе и абсорберов, являются начальными, т.е. входными для очистных аппаратов.

Расчеты абсорбционных аппаратов упрощают не только по причине низкой концентрации поглощаемых веществ. Множество упрощений вводится на том основании, что они уменьшают объем расчетов без заметного снижения точности результата. В соответствии с этим поглотитель обычно рассматривают как индивидуальное вещество, а многокомпонентные газовые смеси - как бинарные, состоящие из одного улавливаемого и одного инертного компонента.

Технологический расчет абсорбционной установки выполняют в несколько этапов.

На первом этапе производят материальные и энергетические расчеты и устанавливают условия равновесия, строят линию равновесия и рабочую линию, находят число теоретических ступеней изменения концентрации, определяют необходимость циркуляции раствора, расход энергии на циркуляцию, устанавливают необходимую степень регенерации раствора, расход энергии на регенерацию и потери раствора при регенерации.

На втором этапе выбирают конструкции аппаратов, рассчитывают массо- и теплопередачу, гидродинамику и габариты аппаратов.

На третьем этапе уточняют технологические параметры и осуществляют оптимизацию процесса.

42

При проектировании абсорбера необходимо определить: диаметр аппарата и его высоту, размеры внутренних частей (размеры и тип насадки, конструкцию тарелок, число тарелок, устройства для ввода и распределения жидкости), оптимальную скорость жидкости в абсорбере.

3.3.1. Равновесие, движущая сила и кинетика абсорбции

Поскольку абсорбция является типичным процессом взаимного обмена массой вещества между соприкасающимися фазами, то для ее описания используются закономерности массообменных процессов.

Общим для процессов является то, что в них участвуют две фазы (в некоторых случаях их может быть больше), причем компонент (компоненты) переходит из одной фазы в другую через границу раздела фаз. Обычно

вмассообменных процессах различают три стадии: 1) перемещение компонента из ядра отдающей фазы к границе раздела; 2) переход компонента через границу раздела фаз; 3) перемещение компонента от границы раздела фаз в объем ядра принимающей фазы.

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую через границу раздела фаз носит название массопередачи, а процесс переноса вещества из объема фазы к границе раз дела или в противоположном направлении –

массоотдача.

Массопередачей называют переход вещества из одной фазы в другую

внаправлении достижения равновесия.

При взаимодействии двух фаз, согласно второму закону термодинамики, их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, характеризующегося равенством температур и давлений фаз, а также химических потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах. Движущей силой процесса переноса любого компонента из одной фазы в другую является разность химических потенциалов этого компонента во взаимодействующих фазах. Перемещение компонента происходит в направлении уменьшения его химического потенциала. Поскольку химические потенциалы компонентов неидеальных смесей являются сложными функциями состава, при анализе процессов массопередачи обычно рассматривают изменение не химических потенциалов, а концентраций компонентов. Это объясняется тем, что концентрации компонентов поддаются непосредственному определению и чаще всего рассматриваются как параметры состояния двух- и многокомпонентных систем.

В массообмене участвуют в большинстве случаев три вещества: распределяющее вещество (G), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (L), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (М), которое переходит из одной фазы в другую.

43

Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L, и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.

В качестве движущей силы процесса массопереноса компонента i из объема фазы к границе раздела или в обратном направлении принимается разность концентраций этого компонента на границе раздела фаз и в объеме рассматриваемой фазы. Так при десорбции, если концентрация компонента i в отдающей фазе равна xi, а в принимающей yi и на границе раздела фаз концентрации соответственно равны xi* и уi*, то движущая сила процесса переноса в отдающей фазе будет равна xi - xi*, а в принимающей уi* - y. Согласно правилу линейности, поток вещества можно представить так:

где βx и βy - коэффициенты массоотдачи, характеризующие кинетику пе-

реноса соответственно в отдающей и принимающей фазах.

Как следует из этого уравнения, поток любого компонента в отдающей и принимающей фазах одинаков. Коэффициенты массоотдачи определяют перенос рассматриваемого вещества в одной из фаз через единицу поверхности поперечного сечения при движущей силе, равной единице.

Сложность анализа процессов массопередачи, протекающих в колонных аппаратах, состоит в том, что в большинстве случаев точно не известны ни величина поверхности контакта фаз, ни значения xi* и уi*. Поэтому в качестве движущей силы процесса массопередачи принимают разность между концентрацией распределяемого компонента i в отдающей фазе xi, и его концентрацией xi*, соответствующей состоянию равновесия в принимающей фазе, в которой концентрация компонента i равна уi. Аналогично можно определить движущую силу процесса массопередачи через разность концентраций, отнесенную к принимающей фазе: уi* - yi, где уi* - концентрация компонента i в принимающей фазе при достижении состояния равновесия ее с отдающей фазой состава xi. В соответствии с этим количество вещества Mi, переходящее из одной фазы в другую через поверхность контакта фаз F, за время τ составит

где Kox и Koy - общие коэффициенты массопередачи, рассчитанные по разности концентраций распределяемого компонента соответственно для отдающей и принимающей фаз.

44

Коэффициенты массоотдачи характеризуют кинетику процесса переноса вещества в отдельной фазе и зависят от ее физических свойств и гидродинамического состояния.

Коэффициенты массопередачи характеризуют кинетику процесса распределения компонента из отдающей фазы в принимающую, т. е. во всей системе в целом. Величины, обратные коэффициентам массоотдачи, имеют смысл сопротивлений массопереносу в соответствующих фазах и называются фазовыми сопротивлениями массоотдачи. Относительный вклад фазовых сопротивлений в общее сопротивление зависит от условий фазового равновесия.

Если допустить, что при абсорбции на границе раздела фазы находят-

Если m > 1 (т. е. при равновесии уi > xi), то основное сопротивление сосредоточено в фазе, состав которой обозначен буквой х, если же m < 1, то преобладает сопротивление фазы, состав которой обозначен буквой у. Когда фазовые сопротивления массоотдачи значительно различаются, коэффициент массопередачи примерно равен меньшему коэффициенту массоотдачи, т. е. общее сопротивление переносу вещества лимитируется той фазой, в которой коэффициент массоотдачи меньше.

Если коэффициент распределения m = const, то в координатах х - у графическое изображение уравнения равновесного распределения уi* = mxi - это прямая линия, проходящая через начало координат, с тангенсом угла наклона равным m, если же m ≠ const, то равновесное распределение представляет собой кривую линию (рис. 3.18).

Таким образом, при криволинейном равновесии коэффициенты равновесного распределения, а следовательно, и коэффициенты массопередачи изменяются по высоте колонны. В этом случае при расчете колонну обычно разделяют по высоте на участки, в пределах каждого из которых принимают, что m - величина постоянная и для всего аппарата используют среднее значение коэффициента массопередачи.

45

распределяемого компонента, выраженное в виде относительных весовых составов, в фазе G обозначим через Y, а в фазе L - через X.

Рис.3.19. Схема противоточного массообменного аппарата

При противотоке уравнения материального баланса для любого сече-

После интегрирования этих уравнений для любого сечения колонны получим:

Gн yн − Lк xк = Gк yк − Lн xн = Gy − Lx .

Эта зависимость является уравнением рабочей линии процесса массопередачи в противоточной колонне.

Как видно из уравнения (3.9), при L/G = const рабочая линия в координатах х - у - прямая с тангенсом угла наклона к оси абсцисс, равным L/G.

На рис. 3.20 в координатах у – х показана рабочая линия АВ, а также линия равновесия ОС выражающая зависимость между равновесными концентрациями фаз. При абсорбции концентрация в газе выше равновесной и рабочая линия располагается выше линии равновесия.

47

Однако обычно заданы только начальные составы газа и жидкости (у1, х2) и степень извлечения. Заданным условиям соответствует определенное значение у2 , которое можно найти по формуле (3.9) и таким образом построить точку В. В зависимости от удельного расхода поглотителя рабочая линия будет поворачиваться около точки В, причем точка А будет перемещаться по горизонтали, соответствующей ординате у1. Положение А*В, когда точка А* лежит на линии равновесия или когда рабочая линия касается линии равновесия, соответствует минимальному расходу поглотителя.

При минимальном расходе поглотителя движущая сила в точке касания рабочей линии и линии равновесия равна нулю, при этом требуется абсорбер бесконечно большой высоты. С увеличением удельного расхода поглотителя уменьшается требуемая высота абсорбера, но возрастают расходы на десорбцию, на перекачивание поглотителя и т.д. Оптимальный удельный расход поглотителя можно найти технико-экономическим расчетом.

3.3.3. Расчет процессов массопередачи в абсорберах

Перенос вещества из одной фазы в другую обусловлен тем, что составы х и у в произвольном сечении колонны отличаются от равновесных.

Если перенос вещества происходит из фазы, состав которой обозначен у, в фазу, состав которой обозначен х, то количество компонента, переносимого на бесконечно малом элементе высоты колонны dH, будет равняться

Если допустить, что KoyaS/G и KoxaS/L не изменяются по высоте колонны, то

49

где m - константа фазового равновесия.

Тогда изменение движущей силы процесса массопередачи по высоте dH будет

Отсюда следует, что движущая сила процессов массопередачи зависит от расхода материальных потоков G и L. Количество распределяемого компонента, переносимого по всей высоте колонны при противотоке фаз и при условии m = const, составляет

где ун* и yк* - соответственно содержания компонента в состоянии равновесия со смесями состава xн и хк.

Отсюда

чи компонента i соответственно на входе в аппарат и на выходе из него. Подставив значение dG из уравнения (3.15) в (3.14), получим:

цесса массопередачи, отнесенная к фазе, состав которой обозначен х.

В этих выражениях движущая сила процесса массопередачи выражена через среднюю разность концентраций, а кинетика процесса определяется значениями коэффициентов массопередачи. Размеры аппарата по этим выражениям рассчитывают, исходя из количества переносимого вещества.

50