Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств»

Тема «Расчёт абсорбционной установки»



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание принятых инженерных решений

1.1 Теоретические основы разрабатываемого процесса

1.1.1 Равновесие между фазами

1.1.2 Материальный баланс и расход абсорбента

1.1.3 Скорость процесса

1.2 Основные технологические схемы для проведения абсорбции

1.3 Типовое оборудование для проектируемой установки

1.3.1 Поверхностные и пленочные абсорберы

1.3.2 Насадочные абсорберы

1.3.3 Барботажные (тарельчатые) абсорберы

1.3.4 Распыливающие абсорберы

2. Обоснование и описание установки

3. Подробный расчёт абсорбера.

3.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

3.2 Движущая сила массопередачи

3.3 Коэффициент массопередачи

3.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

3.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

3.6 Расчёт коэффициентов массоотдачи

3.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

3.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов

4. Подробный расчёт теплообменника

5. Расчёт вспомогательного оборудования

5.1 Расчёты вентилятора

5.2Расчет насоса

Заключение

Список использованной литературы 

ВВЕДЕНИЕ

Химическая промышленность - прогрессивная, быстроразвивающаяся отрасль тяжелой индустрии страны. Химия все больше проникает во все сферы народного хозяйства. Химизация хозяйства позволяет решать важные технические и экономические проблемы, создавать новые материалы с наружными свойствами, повышать производительность труда. Крупные потребители продукции отрасли - это машиностроение, текстильная, целлюлозно-бумажная промышленность, транспорт, строительство. Интенсификация сельского хозяйства немыслима без применения минеральных удобрений. Важную роль играет химическая промышленность в увеличении выпуска и расширении ассортимента товаров народного потребления.

Современная химическая технология дает возможность использовать практически неограниченный круг сырья, заменить дорогое сырье дешевым и широко распространенным, перерабатывать отходы других производств. Химическая промышленность открывает широкие возможности для комплексного использования сырья, что устанавливает сложные производственные связи со многими отраслями промышленности. Химическая индустрия комбинируется с черной и цветной металлургией, коксованием угля, переработкой нефти, деревообрабатывающей промышленностью.

Химическая промышленность объединяет около 30 специализированных отраслей, разнородных по сырью и назначению выпускаемой продукции, но сходных по технологии производства. В ее составе выделяют три основные группы отраслей: 1) горно-химическая; 2) основная (неорганическая) химия; 3) промышленность органического синтеза /1/.



1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Теоретические основы разрабатываемого процесса

абсорбция технологическая установка химическая

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

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

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция /1/.

1.1.1 Равновесие между фазами

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси).

В случае растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонентА, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф-2), число компонентов равно 3 (К-3) и, согласно правилу фаз, число степеней свободы системы равно трем.

Для данной системы газ - жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянной температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газаА (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление p_А растворенного газа пропорционально его мольной доле x_A в растворе (1.1) или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью (1.2):

P^*_A=E^.x_A(1.1)

(1.2)

где p^*_A - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию x_A (в мол.долях); x^*_A - концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно p_A; Е - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.

Для идеальных растворов на диаграмме p-x (рис.1.1) зависимость равновесных концентрацией от давления изображается прямой, имеющей наклон, равныйЕ - коэффициенту Генри. Из рис.1.1 следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значениеЕ и соответственно уменьшается, согласно уравнению (1.2), растворимость газа в жидкости.

Растворимость газа в жидкости при различных температурах

Рис.1.1

Если y_A - мол. доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р - общее давление в системе, то парциальное давление p_A по закону Дальтона, можно выразить зависимостью:



p_A = P^.y_A(1.3)

Подставив значение p_Aв уравнение 1.1, получим:

(1.4)

или закон Генри может быть представлен в форме

y^*_A=m^.x (1.5)

где m= E/P - коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Уравнение 1.5 показывает, что зависимость между концентрациями компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен m. Числовые значения величиныmзависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т.е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, подчиняющихся этому закону, коэффициент mв уравнении 1.5 является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение 1.5 применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом:

, (1.6)

где f₀ - фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

Для бинарных растворов величина может быть найдена следующим образом:

, (1.7)

гдеА - постоянная.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри. Так, например, использовании относительных мольных концентраций на основе зависимости 1.6 выражение 1.5 можно записать в виде:



откуда по правилу пропорций

или

(1.8)

Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации Х газа в жидкости) можно принять (1-m)^.X? 0. Тогда знаменатель уравнения 1.8 обращается в единицу и уравнение принимает вид

Y^*=m^.X (1.9)

При таком выражении закон Генри изображается прямой линией.

В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т.е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных /1/.

1.1.2 Материальный баланс и расход абсорбента

Примем расходы фаз по высоте аппарата постоянными и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных концентрациях. Обозначим: G - расход инертного газа, кмоль/сек; Y_н и Y_к - начальная и конечная абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L - расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации X_нX_к, кмоль/кмоль абсорбента. Тогда уравнение материального баланса будет:

G^.(Y_н-Y_к) = L^.(X_н-X_к) (1.10)

Отсюда общий расход (в кмоль/кмоль)

(1.11)

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа)

(1.12)

Это уравнение можно переписать так:

Y_н-Y_к= l^.(X_к-X_н) (1.13)

Уравнение 1.13 показывает, что изменение в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и, следовательно, в координатах Y-X рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен l= L/G.

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата, например показанного на рис. 11.2, существует определенная связь. Через точку В с координатами Y_н и Y_к (рис 1.2) проведем, согласно уравнению 1.6, рабочие линии ВА, ВА₁, ВА₂, ВА₃, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А_1, А₂, А₃ будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y_н газа в смеси.

К определению удельного расхода абсорбента

Рис.1.2

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения Х и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разностью ординат Y-Y^*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y^*=f(X). Для всего аппарата можно принять среднее значение ?Y_ср., величина которого, например для рабочей линии ВА₁, изображена на рисунке отрезком ?Y_ср. Величина ?Y_ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и, следовательно, чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как X_к=X_н). Если же линия рабочих концентраций ВА₃касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l=l_min), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во втором - расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимыми.

В реальном абсорбционном аппарате равновесие между фазами не достигается и всегда X_к<X^*_к, где X^*_к - концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что величинаlвсегда должна быть больше минимального значения l_min, отвечающего предельному положению рабочей линии (линия ВА₃на рис. 1.2). Значение l_minможно определить по уравнению 1.12 при замене X_к на X^*_к:

(1.14)

Необходимо отметить, что увеличение удельного расхода l абсорбента одновременно со снижением высоты аппарата приводит к определенному увеличению его диаметра. Это объясняется тем, что с увеличением l возрастает также расход поглотителя L, а при этом, снижаются допустимые скорости газа в аппарате, по которым находят его диаметр. Вот почему в тех случаях, когда удельный расход абсорбента не задан технологическими условиями, т.е. когда не задана конечная концентрация X_к абсорбента, следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и удельным расходом l абсорбента, при котором величина l и размеры аппарата будут оптимальными.

Оптимальный удельный расход поглотителя l_опт может быть найден только с помощью технико-экономического расчета /1/.



1.1.3 Скорость процесса

Скорость физической абсорбции.

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнением, если движущую силу выражают в концентрациях газовой смеси:

M=K_y^.F^.?Y_ср (1.15)

и уравнением, если движущая сила выражается в концентрациях жидкой фазы

M=K_x^.F^..?х_ср(1.16)

В этих уравнениях коэффициенты массопередачиK_yиK_x определяются, согласно уравнений:

и , (1.17)

где в_г - коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз;

в_ж - коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку.

Как уже отмечалось, для хорошо растворимых газов величина m незначительна и мало также диффузионное сопротивление в жидкой фазе. Тогда и можно принять, что K_y?в_г. Для плохо растворимых газов можно пренебречь диффузионным сопротивлением в газовой фазе (в этом случае значения m и в_г. велики). Отсюда и можно полагать, что K_ж? в_ж.

В уравнении мольные концентрации газовой фазы могут быть заменены парциальными давлениями газа, выраженными в долях общего давления. Тогда

M^/ =K_p ^.F^.?p_ср , (1.18)

где p_ср- средняядвижущая сила процесса, выраженная в единицах давления;

K_p - коэффициент массопередачи, отнесенный к единице движущей силы, выражаемой через парциальные давления поглощаемого газа.

Если линия равновесия является прямой, то средняя движущая сила процесса выражается уравнением:

, (1.19)

где ?p= p_н - p^*_ки ?p_м = p_к - pє_н - движущая сила на концах абсорбционного аппарата;

p_н и p_к - парциальные давления газа на входе в аппарат и выходе из него;

p_к и pє_н - равновесные парциальные давления газа на входе в аппарат и выходе из него.

Если парциальное давление выражено в долях общего давления Р, то коэффициенты массопередачиK_pиK_yчисленно равны друг другу. Если же парциальные давления выражены в единицах давлениях, то

K_p = Р^.K_y (1.20)



Скорость абсорбции, сопровождаемой химической реакцией.

Во многих практически важных процессах абсорбции поглощение газа жидкостью сопровождается химическим взаимодействием фаз. Если реакция протекает в жидкой фазе, то часть газообразного компонента переходит в связанное состояние. При этом концентрация свободного (т.е. не связанного с поглощаемым газом) компонента в жидкости уменьшается, что приводит к ускорению процесса абсорбции по сравнению с абсорбцией без химического взаимодействия фаз, так как увеличивается движущая сила процесса. В общем случае скорость хемосорбции зависит как от скорости реакции, так и от скорости массопередачи между фазами. В зависимости от того, какая скорость определяет общую скорость процесса переноса массы, различают кинетическую и диффузионную области протекания хемосорбционных процессов.

В кинетической области скорость собственно химического взаимодействия меньше скорости массопередачи и поэтому лимитирует скорость всего процесса. В диффузионной области лимитирующей является скорость диффузии компонентов в зоне реакции, которая зависит от гидродинамики и физических свойств фаз и определяется по общему уравнению массопередачи.

В тех случаях, когда скорости реакции и массопередачи соизмеримы по величине, процессы абсорбции протекают в смешанной, или диффузионно-кинетической, области.

При расчете требуемой поверхности контакта фаз в условиях хемосорбции ускорение процесса можно учесть увеличением коэффициента массоотдачив_ж, если считать движущую силу процесса такой же, как при физической абсорбции. Тогда коэффициент массоотдачи в жидкой фазе в^/_ж при протекании химической реакции

в^/_ж = в_ж ^.Ц, (1.21)

где Ц - фактор ускорения массообмена, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость абсорбции за счет протекания химической реакции /1/.

1.2 Основные технологические схемы для проведения процесса

Промышленные схемы абсорбционных установок бывают противоточные, прямоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

При противоточной схеме абсорбции (рис.1.3) газ проходит через абсорбер снизу вверх, а жидкость стекает сверху вниз. Так как при противотоке уходящий газ соприкасается со свежим абсорбентом, над которым парциальное давление поглощаемого компонента равно нулю (или очень мало), то можно достичь более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при прямоточной схеме (рис. 1.4), где уходящий газ соприкасается с концентрированным раствором поглощаемого газа. Кроме того, при противотоке можно достигнуть более высокой степени насыщения поглотителя извлекаемым компонентом, что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода абсорбента.

Схема противоточной абсорбции

Рис.1.3



Схема прямоточной абсорбции

Рис.1.4

Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, а также для повышения плотности орошения часто применяют схемы с рециркуляцией части абсорбента.

На рис.1.5 представлена схема одноступенчатой абсорбции с частичной рециркуляцией абсорбента. Часть жидкости концентрацией Х_к отбирается из нижней части колонны в качестве конечного продукта, а другая ее часть возвращается насосом на верх колонны, где жидкость присоединяется к поглотителю, имеющему начальную концентрацию Х_н. В результате образуется смесь, концентрация которой равна Х_см, причем Х_см>Х_н.

Схема одноступенчатой абсорбции с рециркуляцией жидкости

Рис.1.5



Жидкость, возвращается в колонну, может быть попутно охлаждена, что приведет к понижению температуры жидкости, орошающей колонну и соответственно - к понижению температуры процесса.

Обозначим через n кратность циркуляции, или отношение числа киломолей жидкости, протекающей через абсорбер, к числу киломолей исходной жидкости. Тогда через абсорбер будет проходить nLкмоль и рециркулировать(n-1)Lкмоль поглотителя, где L - расход поглотителя. Соответственно материальный баланс процесса выразится уравнением

G^.(Y_н-Y_к) = L^.(X_к-X_н) = n^.L^.(Х_к-Х_см) (1.22)

откуда кратность циркуляции равна

(1.23)

Концентрация абсорбента в смеси на входе в колонну:

(1.24)

Линия АВ на диаграмме Y-X(рис.1.5) отвечает абсорбции без рециркуляции (т.е. при n=1), причем наклон этой линии равен отношению расходов фаз L/G. При наличии рециркуляции рабочая линия имеет большой наклон (nL/G) и выражается отрезком АС. Наклон рабочей линии возрастает с увеличением n, однако предельное положение рабочей линии соответствует прямой AD,точкаD которой находится на линии равновесия. Это положение рабочей линии отвечает максимальной величине n, когда поступающая в колонну смесь находится в равновесии с уходящим газом.

Схема многоступенчатой абсорбции с рециркуляцией части жидкости приведена на рис.1.6. При этом газ проходит последовательно через все колонны навстречу жидкости. На диаграмме Y-X рабочая линия для всей системы изображается прямой АВ. Эта прямая состоит из отрезков АС, СD и DВ, соответствующих рабочим линиям для отдельных колонн. При отсутствии рециркуляции данную систему можно было бы рассматривать как один абсорбер, разделенный на части. Если каждая отдельная колонна работает с рециркуляцией жидкости, то рабочие линии для каждой из этих колонн выразятся отрезкамиА^/С, С^/D и D^/В. Рассмотренная схема широко распространена в промышленности.

Схема многоступенчатой противоточной абсорбции с рециркуляцией жидкости в каждом абсорбере

Рис.1.6

Количество жидкости, проходящей через абсорберы, работающие по схеме с рециркуляцией поглотителя, при одном и том же расходе свежего абсорбента значительно больше, чем в схемах без рециркуляции. В результате увеличивается коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при некотором снижении движущей силы процесса.

Применение схем с рециркуляцией поглотителя целесообразно в следующих случаях:

1) когда основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе;

2) при необходимости охлаждать поглотитель в процессе абсорбции;

3) для улучшения смачивания насадки (при малых плотностях орошения). Вместе с тем рециркуляция жидкости приводит к усложнению абсорбционных установок и дополнительным расходам энергии на перекачивание рециркулирующей фазы.

Схемы установок, приведенные на рис.1.5-1.7, относятся к насадочным абсорберам, в которых затруднительна организация внутреннего отвода тепла в процессе абсорбции. В тарельчатых абсорберах охлаждающие устройства (например змеевики) устанавливают непосредственно на тарелках, что является существенным преимуществом этих аппаратов при проведении в них процессов абсорбции, протекающих со значительным выделением тепла.

На рис.1.7 представлена схема абсорбционной установки с рециркуляцией жидкости и десорбцией. Насыщенный поглощенным компонентом абсорбент из последнего (по ходу жидкости) абсорбера 1 сливается в сборник 2, откуда насосом 5 через теплообменник 8 подается в десорбционную колонну 9, где освобождается от растворенного газа. Регенерированный поглотитель из колонны 9 поступает в теплообменник 8, где отдает тепло жидкости, направляемой на десорбцию, и далее через холодильник 10 возвращается в цикл орошения первого (по ходу жидкости) абсорбера /1/.

Схема абсорбционной установки с рециркуляцией жидкости и десорбцией



1 - абсорбер, 2-4 - сборники, 5-7 - насосы, 8 - теплообменник, 9 - десорбционная колонна, 10 - холодильники

Рис.1.7

1.3 Типовое оборудование для проектируемой установки

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называется абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

1) поверхностные и пленочные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие.

Следует отметить, что аппараты большинства конструкций, приводимых ниже, весьма широко применяются и для проведения других массообменных процессов /1/.



1.3.1 Поверхностные и пленочные абсорберы

В абсорберах этого типах поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущей жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

Поверхностные абсорберы.

Эти абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рис.1.8). Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.

Поверхностный абсорбер

Рис.1.8

Более совершенным аппаратом такого типа является абсорбер (рис.1.9), состоящий из ряда горизонтальных труб, орошаемых снаружи водой. Необходимый уровень жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2.

Оросительный абсорбер

1 - элемент абсорбера, 2 - сливные пороги

Рис.1.9

Пластинчатый абсорбер (рис.1.10) состоит из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2меньшего сечения - охлаждающий агент (как правило вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.

Пластинчатый абсорбер

1 - каналы для прохождения газа и абсорбента,

2 - каналы для протекания охлаждающего агента (воды)

Рис.1.10

Поверхностные абсорберы имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости.

Пленочные абсорберы.

Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатый абсорбер (рис.1.11) сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.

Трубчатый абсорбер

1 - трубная решётка, 2 - трубы

Рис.1.11

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рис.1.12). Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

Абсорбер с плоскопаралеллельной насадкой

1 - листовая насадка, 2 - распределительное устройство

Рис.1.12

Абсорбер с восходящим движением пленки (рис.1.13) состоит из труб 1, закрепленных в трубных решетках 2.Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух и более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В аппаратах с восходящим движением пленки, вследствие больших скоростей газового потока (до 30-40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико /1/.

Абсорбер с восходящим движением жидкой плёнки

1- трубы, 2 - трубная решётка, 3 - камера, 4 - патрубок для подачи газа, 5 - щель для подачи абсорбента

Рис.1.13

1.3.2 Насадочные абсорберы

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.1.14) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом - большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м, и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главных образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах - только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Насадочный абсорбер

1 - насадка, 2 - опорная решётка, 3 - распределитель жидкости, 4 - перераспределитель жидкости

Рис.1.14

Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м²/м³) и свободный объем е (м³/м³). Величину свободного объема для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину е.

Выбор насадок.

Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям:

1) обладать большой поверхностью в единице объема;

2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

4) равномерно распределять орошающую жидкость;

5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне;

6) иметь малый удельный вес;

7) обладать высокой механической прочностью;

8) иметь высокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют различные по форме и размерам насадки (рис.1.15), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фосфор, сталь, пластмассы) выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.



Типы насадок

а - кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом), б - кольца с перегородками, правильно уложенные, в - насадка Гудлое, г - кольца Паля, д - насадка «Спрейпак», е - седла Берля, ж - хордовая насадка, з - седла «Инталлокс»

Рис.1.5

В качестве насадки используют также засыпаемые навалом в колонну куски кокса или кварца размерами 25х100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т.д.) кусковую насадку в настоящее время применяют редко.

Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рисю1.15а). Большие кольца (размерами не менее 50х50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рис.1.15б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку -регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Хордовая деревянная насадка (рис.1.15ж) обычно используются в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство-простота изготовления, недостатки - относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.

За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки (рис.1.15б), а также насадка из стеклянного волокна.

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно - производительность абсорбера), и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата, имеющегося насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).

Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.

Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигается путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большого объема, чем барботажные.

Насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями. Для таких жидкостей в последнее время стали применять абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа, переходят во взвешенное состояние.

В абсорберах с «плавающей» насадкой допустимы более высокие скорости газа, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к большему расширению слоя шаров и, следовательно, к незначительному увеличению гидравлического сопротивления аппарата /1/.

1.3.3 Барботажные (тарельчатые) абсорберы

Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с тарелок барботажные абсорберы можно подразделить на колонны:

1) с тарелками со сливными устройствами;

2) с тарелками без сливных устройств.

Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т.п. Нижние колонны трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Принцип работы колонн такого типа виден из рис.1.16, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образую на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире применяют сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных порогом - переливом.

Тарельчатая колонна со сливными устройствами

1 - тарелка, 2 - сливные устройства

Рис.1.16

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые.

Гидродинамические режимы работы тарелок. Эффективность тарелок любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Поэтому до описания основных конструкций тарелок рассмотрим эти режимы.

В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамических режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также величину поверхности контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой режим наблюдается при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается в следствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная система - пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит на поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушения их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз на барботажных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

Следует отметить, что переход от одного режима к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов (критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пределам работы тарелки и затем выбирают рабочую скорость газа.

Ситчатые тарелки.

Колонна с ситчатыми тарелками (рис.1.17) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.

Ситчатая колонна

а - схема устройства колонны, б - схема работы тарелки, 1 - корпус,

2 - тарелка, 3 - переливная труба, 4 - стакан

Рис.1.17



Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачиваться (или «проваливаться») через отверстия тарелки на нижерасположенную, что должно привести к существенному снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

Разновидностью абсорберов с ситчатыми тарелками являются так называемые пенные абсорберы, тарелки которых отличаются от ситчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность пенных аппаратов выше, чем эффективность абсорберов с ситчатыми тарелками. Однако вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопротивление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

Колпачковые тарелки.

Менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками (рис.1.18). Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

Схема работы колпачковой тарелки

1 -тарелка, 2 - газовые патрубки, 3 - колпачки, 4 - сливные трубки

Рис.1.18

На рис.1.19 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большой поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.



Схема работы колпачка при неполном (а), и полном (б) открытии прорезей

1 -тарелка, 2 -колпачок, 3 - газовый патрубок

Рис.1.19

Колпачковые тарелки изготавливают с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом жидкости (рис.1.20а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии т.д.



Колпачковая тарелка с различными переливами жидкости

а - радикальный перелив, 1 - диск, 2 - прокладка, 3 - болты, 4 - опорное кольцо, 5 - колпачки, 6 - периферийные переливные устройства, 7 - центральная сливная трубка, б - диаметральный перелив, 1 - диск, 2 - опорный лист, 3 - приёмный порог, 4 - сливной порог, 5 - сменная гребёнка, 6 - перегородка, 7 - колпачки

Рис.1.20

Тарелка с диаметральным переливом жидкости (рис.1.20б) представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой - сливным порогом 4 со сменной гребенной 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

На рис.1.21 показана распространенная конструкция штампованного капсюльного колпачка. Он состоит из патрубка 1, который развальцован в отверстии тарелки 2, и планки 3, приваренной к верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80-150 мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Устройство капсюльного колпачка

1 - паровой патрубок, 2 - тарелка, 3 - поперечная планка,

4 - болт, 5 - колпачок

Рис.1.21

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

Клапанные и балластные тарелки (рис.1.22). Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.



Клапанные тарелки

а,б - с круглыми клапанами, в - с пластинчатым клапаном, г - балластная, 1 - клапан, 2 - кронштейн-ограничитель, 3 - балласт

Рис.1.22

Принцип действия клапанных тарелок (рис.1.22б) состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис.1.22в) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке. Круглые клапаны имеют диаметр 45-50 мм, отверстия под клапаном делают диаметром 35-40 мм при шаге между ними 75-150 мм. Высота подъема клапанов 6,5-8 мм.

Балластные тарелки (рис.1.22г) отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта. Известны разновидности клапанных и балластных тарелок, отличающихся конструкцией клапанов (балластов) и ограничителей.

Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных выше, работают при однонаправленном движении фаз, т.е. каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз. В колонне с пластинчатыми тарелками (рис.1.23) жидкость (движение которой показано на рисунке сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравлический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку 3, состоящую из ряда наклонных пластин 4. Дойдя до первой цели, образованной наклонными пластинами, жидкость встречается с газом (пунктирные стрелки), которые с большой скоростью (20-40 м/сек) проходит сквозь щели. Вследствие небольшого угла наклона пластин (б_т = 10-15) газ выходит на тарелку в направлении, близком к параллельному по отношению к плоскости тарелки. При этом происходит эжектирование жидкости, которая диспергируется газовым потоком на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где процесс взаимодействия жидкости и газа или пара повторяется. В результате жидкость с большой скоростью движется вдоль тарелки от переливной перегородки 2 к сливному карману 5. В данном случае нет необходимости в установке переливного порога у кармана 5, что уменьшает общее гидравлическое сопротивление тарелки.