Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

(53а)

В частном случае, когда линия равновесия является прямой (у* = mx;), средняя движущая сила определяется подобно тому, как она рассчитывается для теплообменных аппаратов, т. е. как средняя логарифмическая или средняя арифметическая величина из движущих сил массопередачи у концов аппарата.

Таким образом, средняя движущая сила массопередачи выражается уравнением:

(54)

В уравнении (54) величина yб обозначает, выраженную в общем виде движущую силу процесса массопередачи на том конце аппарата, где она больше, а величина yм— на другом конце аппарата, где она меньше.

Аналогично в концентрациях другой фазы (фазы Фх) имеем:

(54а)

В окончательном виде выражения (54) и (54а) аналогичны выражению средней движущей силы в уравнении для процессов теплопередачи.

Прис достаточной для технических расчетов точностью средняя движущая сила может быть рассчитана как среднеарифметическая:

(55)Соответственно найдем: (55а)

Уравнение (54) получают путем соответствующего преобразования уравнения (53). Для любого сечения аппарата (см. рис. 8), согласно материальному балансу, имеем

Отсюда зависимость между текущими концентрациями распределяемого вещества равна

Принимая во внимание уравнение линии равновесия у* = тх и полученное выражение х, преобразуем знаменатель уравнения (53) и проинтегрируем это уравнение:

71

Полученное выражение подставляем в уравнение (53) после несложных преобразований, учитывая, что по материальному балансу для всего аппарата G(ytt—ук)=L(xk—xн) находим выражение средней движущей силы:

Средняя движущая сила и число единиц переноса. Интеграл в знаменателе уравнения (53) или (53а) называется ч и с л о м е д и н и ц п е р е н о с а и обозначается через поу либо nох, если это число отнесено к концентрациям фазы Фу или Фх соответственно:

(56) (56а)

Из уравнений (56) и (56а) видно, что между числом единиц переноса и средней движущей силой существует определенная зависимость:

(57) (57а)

Таким образом, число единиц переноса обратно пропорционально средней движущей силе процесса массопередачи.

Согласно выражениям (57) и (57а), число единиц переноса характеризует

изменение рабочей концентрации фазы, приходящееся на единицу движущей силы. Вместе с тем из указанных выражений можно заключить, что одну единицу переноса можно рассматривать как участок аппарата, для которого

изменение концентрации одной из фаз равно средней движущей силе на этом участке.

Как будет показано ниже, число единиц переноса широко используют для расчета рабочей высоты массообменных аппаратов, особенно в тех случаях, когда поверхность контакта фаз трудно определить.

72

Выражения (56) и (56а), строго говоря, применимы для процессов эквимолекулярного двустороннего переноса, например процессов ректификации, а также для процессов абсорбции, экстракции и других процессов массопередачи, в том случае, когда рабочую линию можно считать практически прямой. Если рабочая линия является кривой, то выражения средней движущей силы и числа единиц переноса усложняются.

Общее число единиц переноса поу и пох можно выразить в функции от числа единиц переноса в фазах, между которыми происходит массопередача. Для этого вместо уравнений массопередачи следует воспользоваться уравнениями массоотдачи, заменив Ку и Кх коэффициентами массоотдачи βy и βх, а равновесные концентрации у* и х* — концентрациями на поверхности раздела фаз угр и xгр.

Если, например, уравнение массопередачи представить в виде

(А)

то уравнение массоотдачи запишется следующим образом: (Б) где G — расход фазы φу; у — концентрация этой фазы.

После интегрирования уравнения (Б) по всей поверхности массопере-носа получим число единиц переноса в фазе φу

(57б)

Разделяя переменные и интегрируя уравнение (А), можно с учетом выражения (56) найти зависимость между числом единиц переноса поу и коэффициентом массопередачи Ку:

Отсюда, используя правило аддитивности фазовых сопротивлений [уравнение (47)], получим

Теперь вместо (βx и βy подставим их значения из уравнений (57б) и ( 57в), т. е. установим связь между nox, пу и пх:

Величина L/mG называется ф а к т о р о м п р о ц е с с а массоп е р е д а ч и (например, а б с о р б ц и о н н ы м или экстракц и о н н ы м фактором). Обозначая ее для краткости записи через А, окончательно получим

(58)

Аналогично по фазе Фх можно вывести зависимость

(58а)

73

Определение числа единиц переноса. Числа единиц переноса выражаются интегралами [см. выражения (56) и (56а)], которые не могут быть решены аналитически, так как вид функции у* = f(x) или х* = f(у) в каждом конкретном случае различен. В связи с этим число единиц переноса пох и поу определяют методом графического интегрирования (рис. 9).

Задаваясь рядом значений у, промежуточных между величинами ун и yK, строят кривую зависимости 1/(у — у*) от у. Измеряют площадь, ограниченную кривой, крайними ординатами, соответствующими ук и ун и осью абсцисс (площадь f, заштрихованная на рисунке). После этого находят величину искомого интеграла с учетом масштабов М1 и М2, выражающих число единиц в 1 мм на оси ординат и оси абсцисс графика:

Рис. 9. Определение числа единиц переноса методом интегрирования.

(59)

Аналогично, пользуясь графиком зависимости 1/(x* — х) от х, определяют величину nох.Число единиц переноса может быть найдено более простым графическим методом, если равновесная линия на всех участках, соответствующих одной единице переноса, является прямой или имеет малую кривизну, а рабочая линия — прямая. В этом случае на диаграмме (рис. 10) проводят линию О — О, делящую пополам отрезки ординат между рабочей и равновесной линиями. Каждый такой отрезок представляет собой движущую силу массопередачи в данной точке аппарата, равную у* — у. Затем из точки А(xк ,yн) рабочей линии проводят горизонтальтак, чтоили

. Из точки С проводят вертикальдо пересечения с рабочей линией.

Таким построением получают «ступеньку» ACD, состоящую из двух отрезков, выражающих изменение рабочих концентраций фаз: горизонтальный отрезок(фазы Фх) и вертикальный отрезок(фазы Фу). Вертикаль,

74

проведенная пунктиром через точку В, изображает среднюю движущую силу на участке аппарата, в котором изменение рабочих концентраций фаз характеризуется отрезкамии

Из подобия треугольников ACD и ABE следует, что,но по построениюи, откуда

Таким образом, изменение рабочей концентрации (отрезок ) на данном участке аппарата равно средней движущей сила на том же участке (отрезку КЕ) и, следовательно, «ступенька» изображает одну единицу переноса.

Строя аналогично «ступеньки» до пересечения с ординатой, отвечающей xн, находят число единиц переноса.

Последняя «ступенька» может быть неполной и, значит, число единиц переноса

— не целым. В этом случае величину доли полной «ступеньки», которую составляет последняя «ступенька», определяют по отношению отрезков MN и МР. Если рабочая линия расположена выше линии равновесия, то построение «ступенек» начинают с противоположного (нижнего) конца рабочей линии.

4 Абсорбция.

4.1 Основные понятия.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов паров из газовых или парогазовых смесей жидсими поглотителями ( абсорбентами ).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует химическое соединение с абсорбентом, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощённого газа из растворадесорбция.

В промышлености процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов изгазовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Устройство аюсорбционных аппаратов.

Аппараты, в которых осуществяются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

-поверхностные и плёночные;

-насадочные;

-барботажные(тарельчатые);

75

- распыливающие.

Аппараты большинства конструкций весьма широко применяюися и для проведения других массообменных процессов.

4.2 Устройство и принцип работы аппаратов для проведения абсорбции и десорбции

Абсорбция и десорбция относятся к массообменным процессам в системах газ (пар) - жидкость. Аппараты для проведения данных процессов, называемые соответственно, абсорберами и десорберами, должны обеспечивать большие значения коэффициента массопередачи, удельной поверхности контакта фаз и средней движущей силы. В дальнейшем для краткости будем говорить лишь об абсорберах, подразумевая, что десорберы имеют идентичное устройство и принцип работы. По конструкции и способу образования поверхности контакта газовой и жидкой фаз, абсорберы можно подразделить на четыре основные группы: пленочные, насадочные, тарельчатые и распыливающие.

Пленочные аппараты. В данных аппаратах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкой пленки, стекающей, как правило, по вертикальной твердой стенке и контактирующей с газовым потоком. Различают следующие аппараты этого вида: 1. трубчатые; 2. с плоско параллельной насадкой; 3. с восходящим движением пленки.

Трубчатые абсорберы аналогичны по конструкции с вертикальными кожухотрубчатыми теплообменниками (рис.1). Жидкий абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по ней и в виде пленки стекает по трубам вниз. Навстречу ему движется по трубам газовый поток со скоростью 3 - 6 м/с. Распределяемые компоненты переходят из газовой фазы в жидкую. Если при растворении абсорбтива выделяется значительное количество тепла, то в межтрубное пространство может направляться охлаждающий агент.

Аппараты с плоскопараллельной насадкой представляют собой вертикальную колонну 1, внутри которой расположены вертикально и параллельно друг к другу плоские прямоугольные листы насадки 2, изготовленные из металла, пластмассы или натянутой ткани (рис.2). Жидкий абсорбент поступает на распределительное устройство 3, обеспечивающее равномерное смачивание всех элементов листовой насадки с обеих сторон. Газ движется противотоком, контактируя с жидкой пленкой.

76

насадки; 3 – распределительное устройство.

Аппараты с восходящим движением пленки схожи с трубчатыми абсорберами, однако работают в режиме восходящего прямотока. Жидкий абсорбент поступает в нижнюю часть аппарата (рис. 3) на распределительную решетку 1, в которой закреплены распределительные патрубки 2. Газ подводится в днище аппарата 3 и через распределительные патрубки 2, расположенные соосно с трубами 4 поднимается вверх. Между патрубками и трубами имеются щели 5 для подачи абсорбента. Газ, двигаясь с достаточно высокой скоростью (более 10 м/с), увлекает жидкий абсорбент по трубам в виде пленки. Переливаясь через верхние края труб, жидкость отводится с верхней трубной решетки 6. Преимуществами данного вида аппаратов по сравнению с противоточными трубчатыми являются большие производительность и коэффициенты массопередачи, а недостатками большое гидравлическое сопротивление, сложность конструкции, меньшие коэффициенты извлечения обусловленные прямотоком.

77

Рис. 3 Пленочный абсорбер с восходящим движением жидкости: 1 - распределительная решетка; 2 – распределительные патрубки; 3 - днище; 4 - трубы; 5 - щели для подачи абсорбента; 6 - верхняя трубная ре-шетка; 7 - брызгоотбойники.

Насадочные аппараты

Насадочные колонные аппараты широко применяются в нефтехимической, химической и др. отраслях промышленности при разделении как бинарных, так и многокомпонентных смесей.

Достоинством насадочных колонн является низкое гидравлическое сопротивление, высокая эффективность и широкий интервал устойчивой работы. При проектировании насадочных колонн существует проблема выбора методов расчета гидравлических и массообменных характеристик, а так же определения эффективности проводимых процессов. Разделение смесей в колонне при проведении процессов происходит в результате теплообмена и массообмена между потоками газа (пара) и жидкости в слое насадки. В научной литературе имеется большое количество публикаций, посвященных исследованию гидродинамики, массообмена и теплообмена в насадочных колоннах.

Насадочные аппараты представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, заполненные твердой насадкой, предназначенной для увеличения поверхности контакта газовой и жидкой фаз. Как правило, насадочные аппараты работают при противоточном движении фаз, при этом жидкая фаза подается в верхнюю часть колонны, а газовая - в нижнюю.

В зависимости от режима работы насадочного аппарата основной поверхностью контакта газовой и жидкой фаз могут являться внешняя поверхность жидкой пленки, стекающей по элементам насадки (режимы пленочный и подвисания) либо поверхности пузырьков газа и капель жидкости (режим эмульгирования).

Насадка укладывается в колонну на опорные решетки, имеющие отверстия для прохода жидкости и газа, служащие одновременно для равномерного распределения последнего. Первоначальное распределение жидкости по

78

насадке осуществляется с помощью распределительного устройства, в качестве которого могут использоваться распределительные тарелки, форсунки, центробежные оросители и т.д. Однако по мере стекания жидкости по насадке равномерность ее распределения нарушается в силу так называемогопристеночного эффекта . Он обусловлен неоднородностью заполнения элементами насадки поперечного сечения аппарата, а именно невозможностью плотной укладки элементов насадки в близи обечайки (цилиндрических стенок колонны) в силу геометрических причин. Это приводит к большему свободному объему вблизи стенок колонны, что уменьшает гидравлическое сопротивление потоку жидкости и вызывает преимущественное стекание жидкости от центра к периферии. Для предотвращения данного явления насадку укладывают секциями. При этом между секциями располагают перераспределительные устройства, восстанавливающие равномерность орошения насадки. Над распределительным устройством, как правило, устанавливают брызгоуловители для предотвращения уноса капель жидкости газовым потоком.

Насадка должна удовлетворять следующим основным требованиям: обладать максимальными удельной поверхностью ан и долей свободного объема н высокой прочностью и химической стойкостью, низкими стоимостью и гидравлическим сопротивлением, способностью хорошо смачиваться жидкостью и равномерно распределять ее по сечению аппарата. Кроме основных характеристик как удельная поверхность ан и свободный объем н , характеристиками насадки, приводимыми в справочной литературе, являются: материал, размер элемента, насыпная плотность (масса 1м3 насадки), эквивалентный диаметр dэ .

Универсальной насадки, удовлетворяющей всем этим требованиям, не существует. Ряд требований является взаимоисключающим. Так, увеличение удельной поверхности насадки приводит, как правило, к уменьшению доли ее свободного объема и увеличению гидравлического сопротивления. Этим объясняется множество конструкций элементов насадок, которые всегда являются компромиссом между экономической и технологической эффективностью насадки. Насадки могут изготавливаться из различных материалов (металла, пластмассы, керамики и т.д.), иметь различные размеры. Наиболее широкое распространение в промышленности долгое время имели кольца Рашига (тонкостенные полые цилиндры, с диаметром равным высоте), при этом кольца малых размеров (до 50 мм) засыпают в колонну навалом, а большие кольца укладываются, как правило, регулярно правильными рядами, смещенными друг относительно друга. Преимуществом регулярной насадки является меньшее гидравлическое сопротивление, однако она более чувствительна к равномерности орошения. Основным достоинством колец Рашига является простота изготовления и дешевизна, а недостатком - малая удельная поверхность. Для устранения данного недостатка начали разрабатывать и применять насадки других типов: перфорированные кольца (Палля), кольца с внутренними перегородками, а также седла различной конструкции (Берля, "Инталлокс"). Увеличение размеров элементов насадки

79

приводит к увеличению свободного объема, снижению гидравлического сопротивления, но и уменьшает удельную поверхность насадки. Регулярная насадка может изготовляться из пакетов плоских вертикальных параллельных пластин. Пакеты, расположенные друг над другом, повернуты под определенным углом. Для увеличения удельной поверхности пластины могут производиться рифлеными и гофрированными.

Существует деление насадок по виду укладки на регулярные и не регулярные (неупорядоченные или внавал) насадки. Различные специфические условия, обуславливающие возможность применения регулярных или нерегулярных насадок. Так, например, при переоборудовании тарельчатых колонн в насадочные, для установки регулярной насадки приварные элементы тарелок и фланцы должны быть срезаны на расстоянии нескольких миллиметров от стенки корпуса, в то время как неупорядоченная насадка может быть просто высыпана в колонну.

4.3 Современные нерегулярные насадки

За последнее время разработано достаточно много новых конструкций нерегулярных насадок, имеющих значительно лучшие характеристики, чем у тех же колец Палля. Эти насадки (каскадные мини-кольца Glitsh, супер-кольца Рашига, Ralu-Flow и другие) обеспечивают производительность и эффективность разделения сопоставимые с характеристиками современных регулярных насадок. Кроме того, нерегулярные насадки как правило дешевле регулярных, что необходимо учитывать при оценке общих капитальных затрат при проектировании колонны. Поэтому, зачастую использование нерегулярных насадок, оказывается более выгодным, особенно при малотоннажных производствах.

Целую группу неупорядоченных насадок образуют седловидные насадки, получившие название благодаря своей специфической форме. К преимуществам седлообразных насадок можно отнести их высокую способность к перераспределению жидкой фазы, более равномерная укладка по сравнению с кольцевыми насадками. Кроме того, наклоны участков поверхности седловидных насадок, независимо от их расположения, не имеют преимущественной ориентации, что создает благоприятные условия, как для равномерного растекания жидкости, так и для обтекания газовым потоком. Седловидные насадки имеют большую удельную поверхность при меньшем гидравлическом сопротивлении по сравнению с сопоставимыми по размеру кольцевыми насадками. Седловидные насадки имеют большую удельную поверхность при меньшем гидравлическом сопротивлении по сравнению с сопоставимыми по размеру кольцевыми насадками.

Еще одну группу образуют «плоские» насадки, отличительной чертой которых является малое отношение высоты элемента насадки к его ширине. Такая геометрия насадочных элементов оказывает влияние на свойства засыпки насадки в аппарат. Кольцевые или шарообразные насадки в слое располагаются достаточно беспорядочно, без какой-либо преимущественной ориентации, в то время как «плоские» насадки укладываются преимущественно на основание, то

80