Вопрос №1: Сравнить полый распыливающий и барботажный абсорберы.
В нижней части абсорбера расположена пористая перегородка или плита с отверстиями 1 под которую подводится газ. Над плитой, при прохождении газа через жидкость, образуется барботажный слой (пена). Жидкость может отводить ся сверху или снизу. Аппарат работает при невысоких скоростях газа (до 0,3 - 0,4 м/с). В абсорбере возникает циркуляция жидкости в вертикальном направлении в центральной части образуются восходящие потоки из пузырьков и увлечённой жидкости, которая у стенок стекает вниз. Это уменьшает движущую силу абсорб ции. Поэтому, место отвода жидкости не принципиально. Устранить этот недос таток можно двумя способами: 1. Аппарат разбивают на ряд ступеней с неболь шой высотой барботажного слоя в каждой из них; 2. Применяют специальные устройства, способствующие уменьшению продольного перемешивания - так на зываемую барботажную насадку
Вопрос №2. Распылительные абсорберы. Описать принцип действия, достоинства, недостатки.
В распылительных абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы:
1)Полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками;
2)Скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока;
3)Механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыливается деталями.
Полые распылительные абсорберы.
Принцип действия: представляют собой полые колонны. В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные вверху чести колонны 1 форсунки 2 с направлением факела распыла обычно сверху вниз.
Скоростные прямоточные распыливающие абсорберы.
Принцип действия: скоростные прямоточные распыливающие абсорберы отличаются тем, что в случае прямотока процесс можно проводить при высоких скоростях газа (до 20-30м/с и выше), причем вся жидкость уносится с газом и отделяется от него в сепарационном пространстве 4. К этому типу аппаратов относится абсорбер Вентури. Основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1, течет в виде пленки и в горловине 2 распыляется газовым потоком. Затем жидкость газовым потоком выносится в диффузор 3,в котором скорость газа снижается и его кинетическая энергия переходит в энергию давления с минимальными потерями. Отделение капель от газа происходит в сепараторе 4
.
Недостатки: эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по всей высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. В результате объемный коэффициент массопередачи и число единиц переноса в этих аппаратах невелики. Значительный расход энергии на распыление, трудность работы с загрязненными жидкостями, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.
Достоинства: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта.
Механические распыливающие абсорберы.
В этих абсорберах разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств на рисунке ниже представлен такой абсорбер, в котором разбрызгивание жидкости осуществляется с помощью лопастей или дисков закрепленных на горизонтальных валах 1. Разбрызгивающие элементы 2 расположены так, что газ движется перпендикулярно или параллельно осям их валов.
Достоинтсва: высокая эффективность, маленькие габариты, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненной жидкостью.
Недостатки: сложность конструкции, наличие вращающихся частей, значительный расход энергии.
Вопрос № 3: Привести схему устройства и принцип действия насадочной колонны. Для чего используется насадка? Какие бывают насадки?
Схема :
Принцип действия:
Одна из фаз при движении по насадке растекается по поверхности контактных элементов, благодаря этому увеличивается площадь межфазной поверхности. В насадочных колоннах пленка жидкости стекает по каждому элементу насадки, затем разрушается и вновь образуется на следующем элементе. Таким образом, насадочная колонна работает в пленочном режиме.
Виды насадок:
Кольцевые - представляют собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 10 до 150 мм. Сделаны из керамики или фарфора, в некоторых случаях из углеграфитовых масс. Применяются так же и металлические кольца из стали или других металлов. Перспективно применение колец из пластических масс.
Кольца Рашига – представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Наиболее дешевые и просты в изготовлении, хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самыми распространенным видом насадок. Насадки из колец Рашига изготавливают как упорядоченными (диаметр колец от 50мм и более), так и неупорядоченными (диаметр от 10 до 50мм).
Кольца Палля – предназначены в основном для засыпки внавал, и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига. Они представляют собой кольца с вырезами и внутренними выступами, такие вырезы обеспечивают лучшую смачиваемость засыпанной внавал насадки.
Так же из кольцевых насадок находят применение и другие: кольца Лессинга (кольца с перегородкой), кольца с крестообразной перегородкой и спиральные кольца, имеющие внутри одну, две или три спирали.
Седлообразные – обладают меньшим гидравлическим сопротивлением, чем неупорядоченные кольцевые насадки, а так же за счет смачиваемости обеспечивают бОльшую поверхность контакта фаз. Благодаря хаотичности насадки не возникает предпочтительных путей (каналов) для протекания жидкости, что способствует более равномерному орошению насадки. Седла Берля по форме представляют собой гиперболический параболоид и достаточно сложны в изготовлении. Седла Инталокс представляют собой часть тора. Они проще в изготовлении, чем седла Берля.
Блочные насадки – собирается из блоков большого размера, имеющих внутри каналы. Изготавливаются из керамики, металла или пластмассы. Преимущества – значительное упрощение работ по укладке насадки в адсорбер, которые весьма трудоемки. По своим качествам не уступает другим видам регулярных насадок. Частный случай – рулонные насадки. Они изготовлены из гофрированных листов их скручиванием в рулон. Такой способ прост, дешев и позволяет получить насадку цилиндрической формы под заданный диаметр колонны.
Хордовые и кусковые насадки – являются наиболее простыми в изготовлении. Хордовая насадка представляет собой ряд решеток из пластин, поставленных на ребро. Применяются в градирнях.
В качестве насадок так же применяют кокс и дробленый кварц, засыпаемые в виде кусков размером 25-100 мм и образующие кусковую насадку. Обе эти насадки обладают относительно небольшой удельной поверхностью.
Вопрос № 4: Привести схему устройства и описать принцип действия насадочной колонны. Каковы требования, предъявляемые к насадке колонных аппаратов?
Принцип действия насадочной колонны
Насадочные абсорберы получили– наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость с помощью распределителя 2 равномерно орошает насадочные тела и стекает по их поверхности вниз в виде тонкой пленки. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к её стенкам. Жидкость практически– полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии− , равном четырем пяти её диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки)
устанавливают перераспределители жидкости 5, назначение которых состоит в том, чтобы направлять жидкость от периферии колонны к ее оси.
Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капелек и брызг. Часть поверхности насадки, в основном, в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах, в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.
Требования, предъявляемые к насадке колонных аппаратов
В насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна удовлетворять следующим требованиям:
•обладать по возможности большой поверхностью в единице объема;
•хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;
•оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. обладать большим значением свободного объема или сечения насадки;
•создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна иметь большие значения удельной поверхности и свободного сечения насадки;
•иметь малую плотность;
•равномерно распределять орошающую жидкость;
•быть стойкой к агрессивным средам;
•обладать высокой механической прочностью;
•иметь невысокую стоимость.
Вышеприведенные требования обеспечиваю эффективность работы насадки. Однако насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим.
Вопрос №5: Привести схему устройства и описать принцип действия насадочной колонны. Указать недостатки. См. 5 вопрос.
Вопрос №6: Описать режимы гидродинамические режимы работы насадочных абсорберов. Сопоставить насадочные и тарельчатые аппараты .
Гидродинамические режимы:
Гидродинамические режимы:
Первый режим-пленочный-наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газах .В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленке и,следовательно,на количество задерживаемой в насадке жидкости.
Второй режим-режим подвисания (или торможения).После точки А повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости газовым потоком
.Вследствие этого скорость течения пленки жидкости ,появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно-интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В. Третий режим-режим эмульгирования -возникает при превышении скорости ,соответствующей точке В.В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки до тех пор,пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию.
Четвертый режим (от точки С и выше)-режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газом.
Сравнение :
Основным различием насадочных и тарельчатых аппаратов является то что тарельчатые колонны предпочитаются при выпадении твердого осадка, который нужно периодически удалять из колонны. В этих случаях колонна снабжается люками и гарелки располагаются на таком расстоянии, чтобы было легко производить чистку. Общий вес тарельчатой колонны обычно меньше, чем вес насадочной при одинаковой производительности: из-за ограниченной прочности насадки иногда невозможно обойтись только одной колосниковой решеткой, выдерживающей вес всей насадки в высокой колонне. Тарельчатые колонны более пригодны для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры относительно окружающей среды, так как периодическое расширение и сжатие корпуса колонны при таких условиях может разрушить насадку. Тарельчатые колонны предпочитаются, когда для осуществления процесса требуется большее число единиц переноса или теоретических тарелок, так как в насадочных колоннах течение газа и жидкости может сопровождаться каналообразованием, что ограничивает скорость массопередачи. В тарельчатых колоннах обычно может поддерживаться более высокая скорость жидкости, если длина пути жидкости по тарелке не превышает 1 м.
Насадочные колонны преимущественно используются при работе под вакуумом, так как гидравлическое сопротивление насадочной колонны может быть меньше, чем тарельчатой. Насадочные колонны предпочтительнее для пенящихся жидкостей. Задержка жидкости, как правило, меньше в насадочной колонне. Для коррозионных сред предпочтительны насадочные колонны, обычно более простые и дешевые.
Вопрос №7: Изобразите схему устройства и опишите действие ректификационных и абсорбционных колонн с провальными тарелками.
Ректификационные колонны
Тарельчатые ректификационные колонны по устройству принципиально не отличаются от тарельчатых абсорбционных колонн. Основной отличительной особенностью ректификационных колонн является то, что для проведения ректификации они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (в первую очередь кипятильником и конденсаторомдефлегматором, а также холодильниками дистиллята, кубового остатка и подогревателем исходной смеси).
Колонна состоит из двух частей: верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей). К нижней части колонны относится тарелка питания, на которую подаётся исходная смесь, и все нижерасположенные тарелки. Тарелки, находящиеся выше точки ввода исходной смеси, образуют верхнюю часть колонны.
Жидкость, стекая по тарелкам колонны в итоге попадает в нижнее сепарационное пространство колонны, откуда поступает в кипятильник (испаритель), обогреваемый обычно водяным паром. В кипятильнике происходит испарение жидкости. При расчёте ректификационных колонн испарение обычно принимают полным, однако на практике наблюдается испарение с образованием парожидкостной смеси. Парожидкостная смесь поступает в нижнее сепарационное пространство колонны, где из неё выделяется пар, который под собственным давлением начинает движение через тарелки колонны.
Пар, проходя через тарелки колонны, барботирует через находящийся на тарелках слой жидкости; при этом происходит тепло- и массообмен между жидкостью и паром, принимаемый обычно адиабатическим, в ходе которого пар обогащается низкокипящим компонентом из жидкости, отдавая взамен высококипящий компонент. Достигший верха колонны пар направляется в дефлегматор, обычно охлаждаемый водой. В дефлегматоре происходит конденсация паров, и полученный конденсат делят на два потока: флегму и дистиллят. Называемая флегмой часть конденсата возвращается в колонну, поступая на верхнюю тарелку.
Обычно дефлегматор устанавливают выше верха колонны, для того чтобы флегма стекала в колонну самотёком. Если высота колонны велика, то для удобства её обслуживания и снижения высоты установки дефлегматор
устанавливают ниже и используют насос для подачи флегмы. При ректификации с частичной дефлегмацией паров дефлегматор встроен в верхнюю часть колонны. В этом случае флегма образуется непосредственно в колонне из части паров, а оставшиеся пары отводятся из колонны и превращаются в дистиллят в дополнительном конденсаторе.
Флегма, орошая тарелки колонны, образует необходимую для организации барботажа жидкую фазу. На тарелке питания жидкая фаза пополняется исходной смесью. Таким образом, верхняя часть колонны орошается жидкой фазой, образованной флегмой, а нижняя часть – жидкой фазой, образованной совместно флегмой и исходной смесью.
Кубовый остаток отводится в качестве одного из продуктов ректификации либо из нижнего сепарационного пространства колонны, либо из ответвления трубы, по которой жидкость направляется в куб-кипятильник. Второй продукт ректификации (дистиллят) отводят из ёмкости для промежуточного сбора конденсата.
Абсорбционные колонны
В тарельчатых абсорберах поверхность контакта фаз больше, чем у других абсорберов. Однако для абсорбера большую роль играет его гидравлическое сопротивление, при высоком его значении энергетические затраты на транспортировку газа становятся недопустимо большими. Высокое гидравлическое сопротивление тарельчатых абсорберов ограничивает их применение. Поэтому из всех тарельчатых аппаратов наибольшее распространение в качестве абсорберов получили аппараты с провальными решетчатыми тарелками, гидравлическое сопротивление которых не столь велико. Абсорбер с провальными решетчатыми тарелками – это противоточный аппарат со ступенчатым контактом фаз, где поверхность контакта фаз образуется за счёт барботажа газа через слой жидкости на тарелках.
Достоинства абсорбера с провальными решетчатыми тарелками:
1)большая поверхность контакта фаз на единицу объёма аппарата;
2)возможность работы при небольших расходах жидкости, в отличие от насадочных плёночных абсорберов;
3)возможность отвода теплоты путём установки на тарелках трубчатки, по которой движется охлаждающая
вода.
Недостатки абсорбера с провальными решетчатыми тарелками:
1)высокое гидравлическое сопротивление (ниже, чем у других тарелок, но выше, чем у насадки, работающей в плёночном режиме);
2)невозможность работы при низких расходах газовой фазы из-за того, что при низком расходе газа жидкость не удерживается на тарелке, стекая через отверстия, и барботажный слой не образуется.
Вопрос №8: Привести схему устройства и принцип действия любого известного вам тарельчатого аппарата. В чем отличие аппаратов с переточными устройствами и без них?
См. вопрос №10-12. И переточные устройства, помимо обеспечения перетекания твердого материала с вышележащих тарелок на нижележащие, должны создавать гидравлический затвор, препятствующий проскоку газа. Исследование действия переточных труб в условиях ступенчато-противоточного контактирования показало, что увеличение расстояния между нижним обрезом трубы и органичителем способствует увеличению производительности перетока по твердой фазе, но требует уменьшения допустимой линейной скорости газа в аппарате.
Вопрос №9: Привести схему устройства и принцип действия любого известного вам тарельчатого аппарата с переточными устройствами. См. вопрос 10.
Вопрос №10: Привести схему устройства и описать принцип действия адсорбционной или ректификационной колонны с ситчатыми тарелками