Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Кафедра техносферной безопасности

Пояснительная записка к курсовой работе

Насадочные абсорберы

по дисциплине

Процессы и аппараты защиты окружающей среды

Работу выполнила студентка гр. 1751

Ельцова Е.С.

Консультант ст. преп.,

к. т. н. Лихачев А.Б.

Санкт-Петербург 2010



Оглавление

Введение

1. Конструкции и принцип действия абсорберов

2. Насадочные абсорберы

3. Виды насадок

4. Выбор насадок

5. Устройство насадочной колонны

6. Расчет насадочных абсорберов

Заключение

Список литературы



Введение

Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы. При абсорбции происходит избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями.

Обратный процесс, т.е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией или де(аб)сорбцией.

Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем (поглотителем или абсорбентом), вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом, поглощаемое вещество в объеме поглотителя - абсорбатом.

Абсорбат удерживаются в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции.

Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией (в дальнейшем - абсорбция). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, при этом молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие. Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непосредственно с самим растворителем. Процесс, сопровождающийся химической реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют химической абсорбцией (в дальнейшем - хемосорбция). При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

При физической абсорбции обычно используют в качестве абсорбента воду, а также органические растворители и неорганические, не реагирующие с извлекаемыми компонентами и их водными растворами.

При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ.

Абсорбция представляет процесс химической технологии, включающей массоперенос между газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жидкостью. Аппараты, в которых осуществляют процесса бсорбции, называют абсорберы.

Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изменяются условия, например, происходит понижение давления над жидкостью или снижается температура, процесс становится обратимым и происходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществлен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить поглощенный компонент. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно многократно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой процесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде.

Абсорбция -- наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, например, в химической промышленности. Абсорбцию широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других сернистых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, органических веществ (фенола, формальдегида и др.). Для более полного извлечения компонента из газовой смеси при физической абсорбции необходимо использовать принцип противотока с непрерывной подачей в абсорбер свежего раствора. Абсорбционная система может быть простой, в которой жидкость применяется только один раз и удаляется из системы без отделения абсорбированного загрязнения. В другом варианте загрязнение отделяют от абсорбирующей жидкости, выделяя её в чистом виде. Затем абсорбент вновь подают на стадию абсорбции, снова регенерируют и возвращают в систему.

Актуальность данной темы весьма велика, она определяется тем, что:

- Эта тема необходима для нахождения оптимальных и эффективных способов подбора насадочных абсорберов, для их использования при различных условиях.

- Необходимо знать конструкции абсорберов, для их последующего расчета.

Основная цель данной работы:

рассмотреть конструкции и принцип действия насадочных абсорберов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать литературу по данному вопросу;

- выбрать необходимые типы абсорберов;

- рассмотреть процессы, протекающие в них.

- рассмотреть способы расчета насадочных абсорберов.



1. Конструкции и принцип действия абсорберов

Процессы абсорбции проводят в специальных аппаратах - абсорберах.

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на развитой поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем). По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, их можно подразделить на четыре основные группы:

1) пленочные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие или распылительные (брызгальные).

В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся:

1) трубчатые абсорберы;

2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой;

3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы, которая служит для увеличения поверхности контакта соприкасающихся фаз - газа и жидкости.

Многочисленные типы барботажных абсорберов можно разделить на три основные группы:

- абсорберы со сплошным барботажным слоем, в которых осуществляется непрерывный контакт между фазами;

- абсорберы тарельчатого типа со ступенчатым контактом между фазами, причем ступени (тарелки) размещены в одном аппарате;

- абсорберы с механическим перемешиванием жидкости.

Барботажные абсорберы тарельчатого типа, имеющие наибольшее применение, выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции та-релки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы:

1) 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 распыляется вращающимися деталями.

По способу организации массообмена абсорбционные устройства принято делить на аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. К устройствам с непрерывным контактом можно отнести насадочные колонны, распылительные аппараты (полые скрубберы, скрубберы Вентури, ротоклоны и др.), однополочные барботажные и пенные устройства, а к устройствам со ступенчатым контактом - тарельчатые колонны, многополочные барботажные и пенные устройства.

Часть подобных устройств применяются для мокрой пылеочистки. В принципе их можно было бы использовать и для совместного улавливания дисперс-ных и газовых загрязнителей, однако осуществить это на практике удается редко. Очистные устройства создавались и совершенствовались либо для поглощения газообразных примесей, либо для пылезолоулавливания. Поэтому современные абсорберы для улавливания газообразных примесей не приспособле-ны для обработки потоков с дисперсными загрязнителями, а высокоэффективные пылезолоуловители, как правило, непригодны для сколько-нибудь существенного извлечения газообразных вредностей. Серийные мокрые пылеуловители могут быть использованы только для предварительной обработки с целью освобождения газового потока от дисперсных примесей перед абсорбционной обработкой. Для абсорбции газовых загрязнителей наиболее часто используются насадочные и тарельчатые колонны.

2. Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы (рис. 3.3) представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств.

Рис. 3.1. Схемы насадочных абсорберов:

а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки:

1 - корпус; 2 - распределитель жидкости; 3 - насадка; 4 -опорные решетки; 5 - перераспределитель жидкости; 6 - гидравлические затворы; в - эмульга-ционная насадочная колонна: 1 - насадка; 2 - сетка, фиксирующая насадку; 3 - гидравлический затвор; 4 - опорная решетка; 5 - распределитель газа.

В насадочной колонне 1 (рис. 3.1, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерное распределение жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам и практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее 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 (рис. 3.1, б), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

3. Виды насадок

Некоторые распространенные типы насадок показаны на рис. 4.1, а характеристики насадок приведены в табл.1.

абсорбер насадочный колонна массопередача



Рис. 4.1 Виды насадок:

а - насадка из колец Рашига: 1 - отдельное кольцо; 2 - кольца навалом; 3 - регулярная насадка; б - фасонная насадка: 1 - кольца Палля; 2 - седлообразная насадка «Инталокс»; 3 - кольца с крестообразными перегородками; 4 - керамические блоки; 5 - витые из проволоки насадки; 6 - кольца с внутренними спиралями; 7- пропеллерная насадка; 8 - деревянная хордовая насадка.

В отдельных случаях используются коксовая и кварцевая насадки -- в виде кусков дробленого кокса и кварца 458 размером 25--50 мм, загружаемых навалом. Будучи дешевыми и химически стойкими, эти насадки характеризуются малой удельной поверхностью (20--70 м'/м³) при порозности около 0,4 и большим гидравлическим сопротивлением. Кроме того, кварцевая насадка имеет большую насыпную плотность, а коксовая подвергается дроблению.



Таблица 1

Широкое применение в промышленности получили в качестве насадки кольца Рашига -- тонкостенные цилиндры высотой, равной их наружному диаметру (рис. 4.1, а-2) Они изготовляются из различных металлов, керамики и пластических масс. Кольца с наружными диаметрами от 10 до 50 мм загружаются в колонну навалом, а кольца больших диаметров -- правильными рядами, причем кольца смежных рядов сдвинуты друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Керамические кольца с диаметрами 10-50 мм имеют соответственно: толщины стенок ^S = 1,5--5 мм, удельные поверхности f = 440--90 м²/ м^3. Порозность е0 = 0,7--0,785 и насыпную плотность рн - 700--530 кг/м³. У стальных колец тех же диаметров s = 0,5--1,0 мм, f = 500-110 м²/ м³, е0 = 0,88-0,95 и рн = 960--430 кг/м³.

Для увеличения удельной поверхности насадки предложены кольца с перегородкой , с крестообразной перегородкой (рис.4.1, б-3), кольца Палля -- с вырезами в стенках и перегородками (рис.4.1 б-1); будучи сложнее в изготовлении, эти кольца несколько эффективнее благодаря большей удельной поверхности и несколько большей турбулизации встречных потоков газа и жидкости. Но они дороже колец Рашига.

Все более широкое применение находят керамические седла Берля, с поверхностью в форме гиперболического параболоида и седла «Ииталокс» (рис. 4.1 , б-2) с поверхностью в форме части тора. Имея размеры от 12,5 до 50 мм, седлообразная насадка обладает большей удельной поверхностью, чем керамические кольца Рашига (примерно на 10--30%), при одинаковой порозности и практически равной насыпной плотности. Гидравлическое сопротивление седлообразной насадки несколько ниже, а эффективность существенно выше по сравнению с кольцами Рашига тех же размеров.

Весьма эффективной является насадка в виде полиэтиленовых розеток Теллера, имеющая удельную поверхность 250 м²/ м³и порозность 0,83. По сравнению с кольцами и седлами размером 25 мм эта насадка обеспечивает более высокий объемный коэффициент массопередачи при более низком гидравлическом сопротивлении.

Очень перспективна металлическая сетчатая насадка «Спрейпак», изготовляемая из полос толщиной 0,5--1,0 им путем их растягивания в ширину после предварительного нанесения продольных прорезей в шахматном порядке. Получаемые решетки соединяются стержнями в пакеты соответственно форме и размерам абсорбера. Насадка допускает скорости газового потока до 3 м/с при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении.

Хордовую насадку (см. рис. 4.1,б-8) обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Она состоит из решеток, образуемых поставленными на ребро досками толщиной 10--15 мм и высотой 100--150 мм. Решетки укладываются друг на друга крест-накрест. Недостатком этой насадки даже при зазоре между досками 10 мм является сравнительно небольшая удельная поверхность (100 м²/ м³) при малой порозности (0,55). Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок, часть из которых представлена на рис. 2.За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки, а также насадки из стеклянного волокна

5. Выбор насадок

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

1) обладать большой поверхностью в единице объема;

2) хорошо смачиваться орошаемой 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 невысокую стоимость.

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

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, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).

Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, т.к. 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.

6. Устройство насадочной колонны

Устройство насадочной колонны диаметром 1000 мм и расположение ее конструктивных элементов показано на рис. 6.1.

Эффективность массопередачи в насадочных колоннах значительно зависит от равномерности распределения потоков контактирующих фаз, соотношения их скоростей и условий орошения элементов насадки.

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, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат. При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата. Наличие опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата. Для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, для того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насадкой делают достаточно большим.

Начальная равномерность распределения абсорбента достигается посредством ее диспергированной подачи на поверхность насадки через распылительные форсунки или распределительные тарелки с большим числом отверстий. При дальнейшем передвижении жидкости ее контактирование с газовой фазой ухудшается из-за оттока к стенкам колонны. Поэтому высоту насадки делят на несколько слоев (ярусов), устанавливая между ними перераспределительные устройства в виде тарелок (рис. 6.2).

Конструкции тарелок (по ОСТ 26-705-73) распределительных ТСН-III (а) и перераспределительных ТСН-П (б) для стандартных типоразмеров насадочных колонн показаны на рис. 6.2

Недостаточное орошение элементов насадки ведет к недоиспользованию поверхности ее контакта. Значительный избыток жидкости может вызвать частичное затопление насадки, что также ведет к ухудшению контакта фаз на поверхности насадочных элементов. Ориентировочно минимальную плотность орошения сmin м3/ч на 1 м2 поверхности насадки, можно принять как 0,12 fv, где fv - удельная поверхность насадки, м2/м3, а максимальную плотность орошения - в 4...6 раз выше минимальной.

Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя. При низких расходах газа наблюдается пленочное стекание жидкости. С увеличением подачи газа наступает момент, когда часть жидкости начинает задерживаться и скапливаться в слое насадки, а его гидравлическое сопротивление быстро растет. Такой режим называют началом (точкой) подвисания (или торможения). Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к запиранию потока жидкости и ее эмульгированию. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Соответствующий режим называют началом (точкой) захлебывания. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения контакта фаз, но это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления.

Скорость захлебывания снижается с увеличением отношения расхода жидкости к расходу газа, насыпной плотности насадки и с уменьшением размера насадочных элементов, а также зависит от типа насадки.

Насадочные абсорберы должны работать с максимально возможными скоростями газового потока, при которых насадка не захлебывается. Обычно эта скорость превышает половину скорости захлебывания. Для колец Рашига ее можно принимать до 60...80%, для седлообразных насадок - до 60...85% от скорости захлебывания.



Рис. 6.1 Конструкция насадочной колонны

Рис. 6.2 Конструкции распределительных тарелок



Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя.

Рассмотрим гидродинамические режимы в противоточных насадочных колоннах, используя графическую зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от скорости газа в колонне (рис. 6.3).

Первый режим - пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке А на рис. 3.5, называемой точкой подвисания.

Рис. 6.3. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне: 1 - сухая насадка; 2 - орошаемая насадка.

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 уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение 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. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС на рис. 3.5).

Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн преимущественно вследствие увеличения контакта фаз, который в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующейся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В насадочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмульгирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между точками В и С). Поэтому разработана специальная конструкция эмульгационной колонны (см. рис. 3.3, в).

Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при повышенных давлениях). Поэтому большинство насадочных адсорберов работает в пленочном режиме (т. е. при скоростях газа до точки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания).

Четвертый режим (от точки С на рис. 3.5 и выше) - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газом. Этот режим в технике не используется.

7. Расчет насадочных абсорберов

Целью расчета насадочных абсорберов является: определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопротивления аппарата.

Расчеты характеристик насадочных абсорберов выполняют в следующем порядке:

1. Определяют количество ингредиентов отбросных газов, составляют материальный баланс, определяют начальные и конечные концентрации загрязнителей в обеих фазах, расход поглотителя.

2. Строят графики равновесной и рабочей линии процесса

Для этого вначале концентрации улавливаемого вещества выражают в долях от количества постоянных компонентов - инертной части газового потока по газовой фазе и чистого поглотителя по жидкой фазе. Затем по опытным данным строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции.

В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которая при равновесии системы называется равновесной. Очевидно, что любой концентрации X соответствует равновесная концентрация Y*, и наоборот, любой концентрации Y соответствует равновесная концентрация Х*, т.е.



X = f (Y*);Y = f (X*).

В состоянии равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доли в растворе:

pA = E * x A ,

или растворимость газа в жидкости при данной температуре пропорционально его парциальному давлению над жидкостью:

где E - коэффициент пропорциональности называемый константой Генри; pA - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию xA (в мол. долях); xA - концентрация газов в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно pA.

При отсутствии опытных данных можно составить уравнение равновесного распределения поглощаемого компонента в жидкой и газовой фазах по давлению насыщенного пара этого вещества, считая разбавленные растворы идеальными и подчиняющимися закону Рауля. Например, известно, что упругость паров толуола при 20°С составляет около 3000 Па. Отсюда равновесную концентрацию толуола в газовой фазе у* можно приближенно находить по его содержанию в жидкой фазе х из соотношения:



у* = (3.103/1,01.105)x = 0,0296.x,

где у и х выражены в мольных долях.

3. Определяют движущую силу массопередачи

Движущие силы подсчитывают по концентрациям загрязнителей в газовой и жидкой фазах на входе в абсорбер и выходе изнего как разность между действительной концентрацией загрязнителя в рассматриваемой фазе и равновесной с контактирующей фазой (последнюю находят по линии равновесия или по конкретному уравнению линии равновесия).

Средние движущие силы процесса абсорбции подсчитывают, исходя из модели идеального вытеснения, по выражению:

ДYср = (ДYб - ДYм)/ln(ДYб/ДYм),

или

ДXср = (ДXб - ДXм)/ln(ДXб/ДXм)

где ДYб(м), ДХб(м) - большие (меньшие) движущие силы процесса соответственно по газовой и жидкой фазам.

4. Определяют рабочую скорость газового потока

Тип насадки подбирают исходя из условий обеспечения достаточной площади поверхности массоотдачи, коррозионной стойкости, прочности, долговечности, приемлемого перепада давления в колонне, стоимости, других факторов. Рабочую скорость газа w принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки.

Скорость газа при захлебывании вычисляют из уравнения:



где w0 - скорость газового потока при захлебывании, м/с;

f - удельная поверхность насадки, м2/м3;

сг - плотность газа, кг/м3; сж - плотность жидкости, кг/м3; ес - свободный объем насадки, м3/м3; g = 9,8м/с2;

мж - вязкость жидкости, мПа.с;

мж - вязкость стандартной жидкости (воды), мПа.с;

G, L - расход газа, жидкости, соответственно, кг/ч (кг/с);

А, В - коэффициенты, принимаются в зависимости от типа насадки (приложение 5).

Значения мж, сг, сж принимаются по параметрам среды в абсорбере.

На практике обычно работают вблизи точек подвисания. Cкорость газа wг принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки:

wг = (0,75…0,9)w0.

Для пенящихся жидкостей

wг = (0,3…0,4)w0.

При этом скорость газа, отнесенная к свободному сечению аппарата, равняется 0,5-1,0 м/с и более.

Диаметр абсорбера Dа рассчитывают из уравнения расхода для газовой фазы по рабочей скорости wг, м/с, и объемному расходу газа в колонне Vc, м3/с:

Затем выбирают ближайший диаметр Dа из нормализованного ряда диаметров колонн и уточняют рабочую скорость wp, которая не должна превышать 70...85% от предельной w0.

5. Определяют плотность орошения.

Под плотностью орошения qор понимают объемный расход поглощающей жидкости, приходящийся на единицу площади сечения колонного абсорбера, м3(м2.ч):

qор = L/(сж.0,785.Dа2),

где L - массовый расход жидкости в колонне, кг/ч.

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи. Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения qmin, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной.

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения сmin определяют по соотношению:

qmin = fqэф,

где qэф - эффективная линейная плотность орошения, которую можно принимать равной 3,3.10-5 м2/с для крупных колец Рашига (размером более 75 мм) и хордовых насадок с шагом более 50 мм, и 2,2.10-5 м2/с для всех остальных случаев. Если qор > qmin, то коэффициент смачиваемости насадки принимают равным единице. При несоблюдении указанного условия принимают qор = qmin, пересчитывают расход жидкости в колонне L и, соответственно, конечную концентрацию поглощаемого компонента в жидкой фазе.

6. Определяют коэффициенты массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи по газовой фазе ву в абсорберах с регулярной насадкой находят из соотношения

0,74. 0,33 -0,47

Nuг = 0,167.Reг Prг (h/dэ)

ву = Nuг Dг/dэ, м/с,

где Nuг - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

Reг = wгdэсг/(мге) - критерий Рейнольдса для газовой фазы в порах насадки;

Prг = мг/(сгDг) - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы; мг - динамическая вязкость газа,

Па.с; h - высота элемента насадки, м,

dэ - эквивалентный диаметр насадки, м;

Dг - коэффициент диффузии улавливаемого компонента в газовой фазе, м2/с.

Значение Nuг для аппаратов с неупорядоченной насадкой (внавал) при величинах Reг от 10 до 10000 можно найти по уравнению:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе вx может быть найден из соотношений:

вx = Nuж Dж/д,

где Nuж - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы; Dж -усредненный по улавливаемым компонентам коэффициент диффузии в жидкой фазе, м2/с; д = [мж 2/(сж2g)]0,33 - "приведенная" толщина жидкой пленки, м; Reж = 4 L/(0,785 Dа 2 f ш мж ) - критерий Рейнольдса для жидкой фазы в насадке; Prж = мж/(сж Dж) - диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы; ш - коэффициент смачиваемости элементов насадки.

Коэффициенты диффузии в газовой Dг и жидкой фазах Dж зависят от свойств диффундирующего компонента и среды, в которой происходит диффузия, а также от температуры и давления процесса. В справочных таблицах приводятся коэффициенты диффузии D0 в газах при температуре Т0 = 273 К и абсолютном давлении Р0 =1,01.105 Па

При других абсолютных температуpax Т и давлениях Р он определяется по формуле:

При отсутствии экспериментальных данных для определения коэффициента диффузии газа А в газе В при абсолютной температуре Т и абсолютном давлении Р, кг/см2, пользуются следующей зависимостью:

где vA, vB - молекулярные объемы газов А и В; МA, MB - молекулярные массы газов А и В.

Для приближенного определения коэффициентов диффузии в жидкостях при 20°С можно пользоваться формулой:



где Dж.20 - коэффициент диффузии в жидкости при t = 20 °С, м2/с; мж -- динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа.с; vA, vB - мольные объемы растворенного вещества и растворителя; МA, МB - мольные объемы растворенного вещества и растворителя; А1, В1 -- коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя.

Коэффициент диффузии газа в жидкости Dж.t (при температуре t) связан с коэффициентом диффузии Dж.20 (при температуре 20 °С) следующей приближенной зависимостью:

Dж.t = Dж.20[1 +b(t - 20)],

в которой температурный коэффициент может быть определен по эмпирической формуле:

где мж - динамический коэффициент вязкости жидкости при 20 °С, мПа; сж - плотность жидкости, кг/м3.

Молекулярные объемы определяются как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав соединений.

7. Определяют коэффициенты массопередачи

Коэффициенты массопередачи по жидкой Kх и газовой Kу фазам находят, складывая коэффициенты массоотдачи вy и вx (предварительно представленные в требуемых единицах измерения) по принципу аддитивности:



где m - коэффициент в уравнении линии равновесия.

Если равновесная линия хорошо аппроксимируется уравнением Генри и ее можно представить прямой, то коэффициент m определится как тангенс угла наклона этой линии к оси абсцисс.

8. Определяют поверхность массопередачи

Поверхность массопередачи находят из основного уравнения массопередачи:

где Kу, Kх - коэффициенты массопередачи, определенные соответственно по газовой и жидкой фазе; ДYср, ДХср, - средние движущие силы абсорбции по газовой и жидкой фазам. Поток массы загрязняющего вещества из газовой фазы в жидкую M определяют по уравнению материального баланса:

M =G(Yн ?Yк ) = L(X к ? X н ) .

где G, L - расходы газовых выбросов и поглотителя.

Величины, входящие в уравнения по определению коэффициентов массоотдачи, массопередачи и основное уравнение массопередачи, должны быть выражены в соответствующих друг другу единицах измерения.

9. Определение высоты абсорбера

Необходимую высоту насадки Н, м, подсчитывают по соотношению:



H = F/(0,785.Dа^2.f.ш), м.

Для расчетов параметров массопередачи в насадочных колоннах часто используют соотношения, связывающие высоту насадки H в колонне с числом и высотой единиц переноса:

где Ky - коэффициент массопередачи по газовой фазе, кг/ [м2.с(кг А/кг В];

S - площадь поперечного сечения аппарата,

м2; Yн, Y к - относительные массовые концентрации загрязнителя A в газе-носителе В на входе в абсорбер и на выходе соответственно, кг А/кг В;

ДYср - средняя движущая сила в абсорбере по газовой фазе, кг А/кг В.

Величина (Yн - Yк)/ДYср представляет собой изменение рабочих концентраций на единицу движущей силы и называется числом единиц переноса:

Ny = (Yн - Yк)/ДYср.

Одна единица переноса (Ny = 1) соответствует участку аппарата, на котором изменение рабочих концентраций равно средней движущей силе на данном участке. Величина G/(Ky.S.f) представляет собой высоту участка, соответствующего одной единице переноса, и называется высотой единицы переноса (ВЕП):

h = G/(Ky.S.f).

Таким образом, рабочая высота аппарата Н равна произведению числа единиц переноса на высоту единицы переноса:

H = Nуh.

При помощи этого уравнения можно вести расчет процесса массопередачи, если линия равновесия является прямой или кривой, а также в тех случаях, когда поверхность соприкосновения фаз не может быть геометрически определена и потому непосредственное применение основного уравнения массопередачи невозможно. Подставив в выражение высоты единицы переноса значение 1/K из уравнения, связывающего коэффициент массопередачи с коэффициентами массоотдачи

1/Ky = 1/вy + m/вx,

Получим:

Величина G/(f.S.вy) = hy представляет собой высоту единицы переноса для фазы G.

Величина L/(f.S.вx) = hx является высотой единицы переноса для фазы L.

Таким образом,

h = hy + (m/l).hx,

где l = L/G.

При проектировании массообменного оборудования применяют следующие методы определения числа единиц переноса:

- метод графического интегрирования;

- графический метод;

- метод численного интегрирования.

При использовании метода графического интегрирования (рис. 5.1) строят зависимость 1/(Y - Y*) = f(Y).

Рис. 5.1 Зависимость

Затем определяют площадь f, ограниченную кривой, осью абсцисс Y1 и Y2, которые являются пределами интегрирования. Число единиц переноса определяют по уравнению:

N y = f .m1 m2

где f - площадь, мм2; т1 - число единиц Y в 1 мм по оси абсцисс; m2 - число единиц 1/(Y -Y*), в 1 мм по оси ординат; (т1, m2) -- масштаб.

При графическом методе определения числа единиц переноса осуществляют следующие стадии (рис.5.2):

- строят диаграмму Y-X;

- изображают рабочую линию АВ;

- наносят линию равновесия ОС;

- проводят среднюю линию МN через точки, делящие пополам отрезки ординат между рабочей линией и линией равновесия;

- строят ломаную линию между рабочей и равновесной линиями - из точки В, характеризующей конечное состояние газа, проводят линию BD до пересечения со средней линией и продолжают ее до точки Е, причем, отрезок BD равен отрезку DE; затем из точки Е восстанавливают перпендикуляр EF до пересечения с рабочей линией и ставят точку F, причем EF = 2KD = KL; отрезок EF показывает изменение концентрации газа, соответствующее одной единице переноса (ступенька BEF); продолжая аналогичное построение ступенек до начального состояния газа (точка А), определяют число единиц переноса; последняя ступенька РА либо принимается за полную ступеньку, либо рассчитывают её часть АР/ST (на рис. 5.2 Ny = 3).

Графический метод обеспечивает удовлетворительные результаты, если линия равновесия близка к прямой.

Рис. 5.2. Определение числа единиц переноса графическим методом.

При применении метода численного интегрирования последовательно выполняют следующие действия (рис. 5.3):

- строят диаграмму Y-X, рабочую линию АВ, равновесную линию ОС;

- рабочую линию АВ делят на два равных отрезка AM = MB.

Вертикальные отрезки между рабочей линией АВ и линией равновесия ОС, приведенные из точек состояния газа в начале и в конце процесса (точка А и точка В), а также из средней точки М, показывают значение движущей силы процесса. Из рис. 7 видно, что

Д1 = Y1 ? Y1* , Д? = Y ? ? Y ?*, ДY = Y2 - Y2 *

Число единиц переноса Ny равно:

Средняя движущая сила процесса Дср равна:

Рис. 5.3. Определение числа единиц переноса методом численного интегрирования.

Если отношение Дmax/Дmin > 6, отрезок АВ делят не на 2, а на 4 участка.

Причем,

Тогда число единиц переноса составит:

Если процесс абсорбции осложнен реакцией, то концентрация абсорбируемого компонента в жидкой фазе уменьшается, что приводит к увеличению градиента концентрациии ускорению процесса абсорбции. Скорость абсорбции будет зависеть и от скорости массообмена, и от скорости реакции.

Расчет Ny при этом усложняется.

Если найденное значение Н превосходит 40...45 м, целесообразно принять схему из нескольких последовательно соединенных аппаратов. Кроме высоты насадки, размеры колонны должны учитывать расстояние от днища абсорбера до низа насадки, расстояния между ярусами насадки и расстояние от верха насадки до крышки абсорбера. Расстояние от днища абсорбера до низа насадки можно принимать в пределах 2...5 м, что определяется необходимостью обеспечения равномерного ввода обрабатываемых газов в насадку. Расстояние между ярусами необходимо для размещения опорных и перераспределительных устройств и может составлять порядка 0,3...0,5 м, а высота яруса 2...3 м. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера необходимо для размещения оросителя, распределяющего поглотитель по поверхности насадки. В этом пространстве, высота которого может составлять 2...3 м, устанавливаются также каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны.

10. Определяют гидравлическое сопротивление абсорбера.

Величину гидравлического сопротивления мокрой (орошаемой) насадки ДР, Па, определяют по соотношениям:

ДP = k ДPc ,

где ДРс - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; с - коэффициент, зависящий

от характеристик насадки ;

n1 - коэффициент, значение которого зависит от типа насадки:

а) керамические кольца Рашига (в навал):

- 50 мм п1 = 51.10-3;

- 100 мм п1 = 33.10-3;

б) керамические кольца Палля:

- 50 мм п1 = 35.10-3;

в) блоки: п1 = 42.10-3.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па, определяется по соотношению:

где л - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от характеристик насадки и режимов движения потоков; dэ = 4 е/f - эквивалентный диаметр насадки, м.

Коэффициенты сопротивления регулярных насадок можно подсчитывать по уравнению:

л = лтр +т (dэ / h),

где лтр - коэффициент гидравлического трения поглотительной жидкости по материалу насадки; т - коэффициент местного сопротивления насадки, который может быть определен из соотношения:

т = (4,2/е2) - (8,1/ е) + 3,9.

Для хордовой насадки можно использовать более простое соотношение:

Для определения коэффициентов гидравлического сопротивления нерегулярных насадок с одинаковым (хаотичным) распределением пустот по всем направлениям (седла, шарообразные насадки и т.п.) можно использовать следующие соотношения:

для кольцевых насадок, засыпанных в навал:

а) при ламинарном движении газа (Reг < 40)

б) при турбулентном движении газа (Reг > 40)



Заключение

Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно скрубберы) имеют большие объемы. Для реализации процесса очистки применяют абсорберы различных конструкций (пленочные, насадочные, трубчатые и др.). Наиболее распространен насадочный скруббер, применяемый для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, хлороводорода, хлора, оксида и диоксида углерода, фенолов и т.д. В насадочных скрубберах скорость массообменных процессов мала из-за малоинтенсивного гидродинамического режима этих реакторов, работающих при скорости газа 0,02-0,7 м/с. Объемы аппаратов поэтому велики и установки громоздки.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.

Основные достоинства насадочных колонн является 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 достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

Насадочные колонны малопригодны 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.



9. Список литературы

1. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2006. (стр. 11 - 29)

2. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов. Учебное пособие по проектированию. - Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2003 (стр. 5 - 22)

3. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, книга вторая, М., Химия, 1981 (стр. 456 - 460).

4. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии»; изд. «Химия», М., 1971. (стр. 189 - 190)

Размещено на Allbest.ru