Материальный баланс и расход абсорбента

Сначала рассмотрим противоточную абсорбцию. Материальный баланс запишем в виде:

Рис.2.2 Противоточная абсорбция.

                          (2.7)

Здесь рабочая линия наверху (см. Лекция 7 (1.11 и 1.12))

 – расход инертного газа (кмоль/с);  – расход абсорбента (кмоль/с); - начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; - начальная и конечная концентрация абсорбтива в в поглотителе кмоль/кмоль абсорбента.

    Из уравнения (2.7) обычно определяют :

                               (2.8)

    Уравнение (2.7) можно представить в виде:

                                                       (2.9)  

       где        -удельный расходабсорбента.

    Уравнение (2.9) носит название рабочей линии. Она, рабочая линия, в координатах У-Х прямая с углом наклона, тангенс которого равен . Найдём связь  с размером аппарата. Заданы . Необходимо найти .

Рис.2.3. Определение удельного расхода абсорбера .

Поскольку  известно, точки  лежат на одной прямой линии  и  граничные случаи. При АВ движущая сила максимальна  поскольку  (см. уравнение (2.8)). При , движущая сила минимальна: в точке  она равна нулю. Поэтому  должна быть больше .

                                           (2.10)

Для предварительных расчетов, можно принять . Тогда по (2.9) находим . Итак определены искомые величины для противоточного аппарата.

Уравнения материального баланса для прямотока аналогичны уравнениям материального баланса противотока (2.7) – (2.9). Однако  для прямотока гораздо меньше аналогичного параметра для противотока (рис.2.4).

Итак имеем:

                                                                     (2.11)

Согласно уравнению (2.10) получим:

Удельный расход абсорбента  при противотоке меньше, чем при прямотоке.

Рис.2.4.Прямоточная абсорбция.

Эффективность работы массообменного аппарата может быть охарактеризована степенью извлечения распределяемого компонента из отдающей его фазы.

Коэффициент извлечения  определяется как отношение

 количества компонента перешедшую в другую фазу к максимально возможному:

                                                     (2.13)

Для одинаковых  и  при противотоке  больше, чем при прямотоке. Этим объясняется преимущественное применение противоточного движения фаз в процессе абсорбции.

Тепловой баланс абсорбции.

Рис.2.5. Кривые равновесия при изотермической (OAD) и неизотермической абсорбции (ОАС).

При изотермической абсорбции линия равновесия характеризуется кривой OАD (рис.2.5).

В случае неизотермической абсорбции при растворении газа в жидкости температура её повышается вследствиевыделения теплоты. Тогда линия равновесия характеризуется кривой ОАС.

Для технических расчётов нагреванием газа пренебрегают, считают, что вся теплота идёт на нагрев жидкости.

Если известна Т°К при данном составе, то можно найти по справочникам У* на кривой равновесия, соответствующую составу Х. Для этого нужно составить уравнение теплового баланса для части абсорбера, расположенной выше некоторого сечения с текущими концентрациями Х и У соответственно, т.е. в той части аппарата, где произошло поглощение газа:

                  (2.12)

Здесь - дифференциальная теплота растворения газа, кДж/кмоль; - расход абсорбента, моль/с; с – теплоемкость жидкости, кДж/(кмоль·К); Т – температура данного сечения, К; - начальная температура жидкости, К. Находим Т:

                                   (2.13)

С помощью (2.13), задаваясь значениями Х в пределах  и  находим ряд Т и по справочникам далее находим ряд  и строим по точкам ОАС.

Как видно из рис.2.5 для случая неизотермической абсорбции произошло уменьшение движущей силы процесса. Чтобы этого избежать необходимо предусмотреть отвод тепла из аппарата.

Кинетика абсорбции.

Физическая абсорбция. Применительно к абсорбции уравнение массопередачи, если движущую силу выражают в концентрациях газовой фазы, принимает вид:

                                         (2.14)

Если движущую силу выразить в концентрациях жидкой фазы, то уравнение массопередачи имеет вид:

                                    (2.15)

Коэффициенты массопередачи определяются:

                                                                           (2.16)

                                                                              (2.17)

В хорошо растворимых газах m незначительно, а  велика, т.е. мало сопротивление в жидкой фазе, тогда  и можно принять

                     .

Для плохо растворимых газов можно пренебречь диффузионным сопротивлением в газовой фазе, так как  велики и можно принять

                                           .

Для процесса абсорбции в уравнение массопередачи (2.14) молярные концентрации газовой фазы может быть заменены парциальными давлениями газа, выраженными в долях общего давления:

Конструкции абсорберов.

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны обеспечить развитую поверхность контакта фаз. По способу образования поверхности раздела фаз абсорберов можно разделить на 4 группы:

- плёночные

- насадочные

- тарельчатые

- распыливающие.

Плёночные абсорберы.

  В данных аппаратах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкой пленки, стекающий по вертикальной твердой стенке и контактирующей с газовым потоком. Различают следующей аппараты этого вида: трубчатые, с плоскопараллельной насадкой и с восходящим движением пленки.

Трубчатые абсорберы (рис.2.6) аналогичны на конструкции с вертикальными кожухотрубчатыми теплообменниками. Жидкий абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку и в виде пленки стекает по внутренней поверхности труб вниз, а навстречу ему движется газовый поток по трубам со скоростью 3 – 6 м/с. Если при абсорбции выделяется тепло, то в межтрубное пространство подается охлаждающий агент.

Рис.2.6. Трубчатый пленочный абсорбер: 1 – корпус; 2 – трубка; 3 – перегородки.

Рис.2.7. Пленочный абсорбер с плоскопараллельной (листовой) насадкой: 1 – колонна, 2 – пакеты листовой насадки, 3 – распределительное устройство.

  Аппараты с плоскопараллельной насадкой (рис.2.7) представляет собой вертикальную колонну 1, внутри которой расположены вертикально и параллельно друг к другу плоские прямоугольные листы насадки 2, изготовленные из металла, пластмасс и т.д. Жидкий абсорбент течет сверху вниз, а газ снизу вверх.

  Аппараты с восходящим движением пленки жидкости (рис.2.8) схожи с трубчатыми абсорберами, однако работают в режиме восходящего прямотока, Газ двигаясь большей скоростью (более 10 м/с) увлекает жидкий абсорбент по трубам в виде пленки. Преимущества этих аппаратов по сравнению с противоточными трубчатыми являются большие производительности и коэффициенты массопередачи, а недостатками – большие гидравлические сопротивления, сложность конструкции, меньшие коэффициенты извлечения.

Рис. 2.8. Пленочный абсорбер с восходящем движением жидкости:

1 - распределительная решетка; 2 - распределительные патрубки;

3 - днище; 4 - трубы; 5 - щели для подачи абсорбента; 6 - верхняя трубная решетка; 7 - брызгоотбойники.

Насадочные абсорберы.

  Данные аппараты представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, заполненные твердой насадкой, предназначенной для увеличения поверхности контакта фаз. Отдельными элементами насадки могут служить тела довольной сложной формы. Разработано множество вариантов их конструкций (рис.2.9)

Рис. 2.9. Виды насадок: а) деревянная хордовая; б) кольца Рашига в навал и с упорядоченной укладкой: в) кольцо с вырезанными и внутренними выступами (кольцо Паля); г) керамические седла Берля; д) седла «Инталокс»; е) кольцо с крестообразными перегородками; ж) кольцо с внутренними спиралями; з) пропеллерная насадка.

  Как правило, насадочные аппараты работают при противоточным движении фаз: жидкая фаза подается сверху, а газовая – снизу. По мере стекания жидкости по колонне нарушается равномерность ее распределения, возникает ²пристеночный эффект² - около стенки расхода жидкости больше, чем в центральной части живого сечения аппарата.

   Для предотвращения этого явления насадку укладывают секциями  (Н – высота секции, D – диаметр колонны) (рис.2.10).

Рис. 2.10. Насадочный абсорбер с секционной загрузкой насадки: 1 - насадка;

2 - колонна; 3 - опорная решетка; 4 - распределительное устройство;

5 - перераспределитель жидкости; 6 - гидравлический затвор.

В зависимости от относительной скорости движения газовой и жидкой фаз в насадочном аппарате можно выделить различные режимы его работы.

Пленочный режим реализуется при малых скоростях газа, что позволяет не учитывать его влияние на пленочное гравитационное течение жидкости.

Режим подвисания наблюдается при увеличении скорости газа, приводящей к торможению внешних слоев жидкой пленки, увеличению ее толщины и количеству удерживаемой жидкости.

Режим захлебывания (эмульгирования) достигается дальнейшим увеличением скорости газа. Наступает инверсия фаз - жидкость заполняет весь свободный объем насадки и становится сплошной фазой, а газ пробулькивает сквозь нее в виде отдельных пузырьков.

Режим уноса наблюдается при еще больших скоростях газа, когда жидкость выносится из аппарата.

При различных плотностях орошения будут аналогичные данные, но смещенные по координате .

Рис.2.11. Зависимости гидравлического сопротивления насадочного абсорбера Dp_п от фиктивной скорости газа w₀: АВ - для сухой насадки; A_iB_iC_iD_iE_i - при различных увеличивающихся плотностях орошения; B_i - точки начала подвисания; C_i - точки начала захлебывания (инверсии); D_i - точки начала уноса.

 В справочной литературе имеются соотношения, позволяющие определить границы между режимами.

Выбор насадки.

  Основные требования к насадкам:

- большая удельная поверхность ,

- большая пористость ,

- высокая прочность и химическая стойкость,

- низкая стоимость,

- низкие гидравлические сопротивления,

- хорошая смачиваемость жидкостью.

  Универсальной насадки удовлетворяющей всем этим требованиям не существует.

  Наиболее широкое распространение в промышленности получили кольца Рашига.

  В промышленности применяются регулярные насадки и насадки навалом.

Тарельчатые абсорберы.

   Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные цилиндрические колонны с горизонтальными перфорированными перегородками (тарелками), служащими для увеличения поверхности контакта фаз. Тарельчатые абсорберы обычно противоточные, жидкость подается сверху колонны, газ – снизу.

   По способу перетока жидкости с верхних тарелок на нижние тарельчатые аппараты подразделяются на аппараты со сливными устройствами и без них (провальные). Наиболее распространены аппараты со сливными устройствами и перекрестным движением фаз (рис.2.12). В зависимости от фиктивной скорости движения газа можно выделить три основных режима: пузырьковый, пенный и струйный.

Рис.2.12 Гидравлические режимы работы ситчатых тарельчатых аппаратов при перекрестном движении фаз: а) пузырьковый; б) пенный; в) струйный.

Рассмотрим устройство наиболее широко используемых в промышленности тарелок с перекрестным движением фаз.

   Ситчатые тарелки изображены на рисунках 2.12 и 2.13.Они представляют собой плиту с отверстиями 3 – 8 мм. Они просты, имеют низкие гидравлические сопротивления, высокоэффективны. Основной недостаток ситчатых тарелок – узкий диапазон устойчивой работы. Они чувствительны к загрязнениям.

Рис. 2.13. Геометрические характеристики ситчатой тарелки: D - диаметр колонны;

h_п - высота сливной перегородки;  - периметр слива; F_с - сечение перелива;

F_р - рабочее сечение тарелки;  - длина пути жидкости.

Колпачковые тарелки представляют собой плиту с достаточно крупными отверстиями (более 30 мм), к которым приварены патрубки. Над каждым патрубком установлен колпачок. Колпачки имеют прорези. Газ поступает на тарелку через патрубки, а затем разбивается прорезями колпачка на множество мелких струй, проходя сквозь слой жидкости. Недостатками колпачковых тарелок – значительные гидравлическое сопротивление, металлоемкость.

Рис. 2.14. Устройство колпачковой тарелки: 1 - переливная перегородка;

2 - полотно тарелки; 3 - сливная перегородка; 4 - сливная планка;

5 - колпачок; 6 - патрубок.

    Клапанные тарелки совмещают достоинства колпачковых и ситчатых тарелок. Они выполняются в виде плит с достаточно крупными отверстиями (круглые, квадратные), закрытыми сверху клапанами. В зависимости от расхода газа клапаны  автоматически действием собственного веса регулируют степень открытия отверстия, приподнимаясь над ним. В случае прекращения подачи газа клапаны закрывают отверстия и жидкость через отверстия не протикает.

Рис. 2.15. Устройство тарелки с прямоугольными клапанами: а) клапан закрыт; б) клапан полуоткрыт; в) клапан полностью открыт. 1 - клапан; 2 - ограничительная скоба.

Рис. 2.16. Устройство клапанных тарелок с круглыми клапанами: а) обычная клапанная тарелка; б) балластная тарелка. 1 - клапан; 2 – кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.

 Общим недостатком тарелок со сливными устройствами и перекрестным движением фаз является наличие градиента уровня жидкости - разности уровня жидкости на входе и на выходе с тарелки. Разность уровня жидкости на тарелке нарушает однородности ее работы.

    Для снижения эффекта градиента уровня жидкости используется двухпоточные тарелки (рис.2.17).

Рис. 2.17. Двухпоточные тарелки с центральным (1) и боковым (2) сливом.

   Они представляют собой чередование тарелок с боковым и центральным сливом жидкости. Такая конструкция позволяет в два раза уменьшить как длину пути жидкости, так и ее скорость. Таким образом существенно уменьшается градиент уровня жидкости.

   Рассмотрим тарелки без сливных устройств. Они называются провальными, так как жидкость проваливается с верхней тарелки на нижнюю через отверстия для прохода газа. Эти аппараты противоточные. В рабочем режиме на тарелке образуется слой жидкости. При этом возможные те же режиме взаимодействия, что и для тарелок со сливными устройствами – пузырьковой, пенный, струйный. Применяются дырчатые, решеточные и волнистые тарелки (рис.2.18).

Рис. 2.19. Устройство провальных тарелок: а) дырчатая; б) решетчатая;

1 - тарелка; 2 - круглые отверстия; 3 - щели.

Распыливающие аппараты.

     В распыливающих абсорберах поверхность межфазного контакта создается диспергированием жидкости в газовом потоке. По способу диспергирования жидкости эти аппараты подразделяются на следующие группы:

- полые (форсуночные),

- скоростные прямоточные,

- механические

Рис. 2.20. Форсуночный полый распыливающий абсорбер:

1 - колонна; 2 - форсунка.

Рис. 2.21. Абсорбер Вентури: 1 - конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор; 4 - сепаратор.

Форсуночный полый абсорбер (рис.2.20) представляет собой полую колонну, по которой снизу вверх движется поток газа, а сверху с помощью форсунок распыливается жидкость. Допускается небольшие скорости газа (2 – 3 м/с). Реализуется небольшие объемные коэффициенты массопередачи. Применяются для поглощения хорошо растворимых газов.

В скоростных прямоточных абсорберах (абсорберы Вентури) (рис.2.21) жидкость захватывается и диспергируется газовым потоком большой скорости (20 – 30 м/с).

В механических абсорберах диспергирование жидкости происходит с помощью вращающихся устройств (дисков, валов, лопастей и т.д). Направление движения фаз может быть различным. Механические абсорберы достаточно эффективны, однако они более сложны.