Введение Теоритическая часть

1.4 Кинетика процесса абсорбции

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнениями массопередачи:

Пользуясь этими уравнениями, обычно находят поверх­ность контакта фаз F и по ней рассчитывают основные раз­меры аппарата.

В уравнениях массопередачи коэффициенты массопередачи К_у и К_х определяются следующим образом:


и
где β_y-коэффициент массоотдачи от газа к поверхности контакта фаз; β_х-коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к жидкости.


1.5 Основные конструктивные типы абсорберов

Как и другие процессы массопередачи, абсорбция проте­кает на поверхности раздела фаз, и поэтому абсорберы дол­жны обеспечивать большую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования указан­ной поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.

Насадочный абсорбер (рис. 1.2) представляет собой колонный аппарат с ложными (перфорированными) днищами 1, на которые загружается насадка 2. Сверху насадка орошается жидкостью, по­ступающей из распределительного устройства 3. Насадочные тела представляют собой элементы, у которых максимально развита по­верхность и вместе с тем имеются пустоты, обеспечивающие про­хождение газа с минимальным гидравлическим сопротивлением.

В связи с тем, что поднимающийся поток газа в центре колонны имеет большую, чем у стенок, скорость движения, возникает явле­ние так называемого пристеночного эффекта, заключающегося в том, что стекающая жидкость потоком газа отжимается к стенкам. Это вызывает нарушение равномерности распределения жидкости, а, следовательно, и контакта между газом и жидкостью. Для устра­нения этого нежелательного явления в колоннах большого диаметра насадку укладывают слоями (секциями) высотой 2...3 м и под каж­дой секцией, кроме нижней, устанавливают воротники 4 (перераспределители жидкости), которые воз­вращают скапливающуюся у стенок массу жидкости в центральную часть аппарата.

В зависимости от скорости подаваемого в насадочную колонну газа (расход жидкости при этом постоянен), различают несколь­ко гидродинамических режимов ее работы, которые могут быть наглядно представлены гидравлическим сопротивлением орошае­мой насадки. При малых скоростях течения газа и малых плотностях орошения жидкости абсорберы работают в пленочном режиме. При возрастании скорости движения газа и жидкости сила трения между ними увеличивается, образуются брызги, пузыри, пена и одновременно увеличивается поверхность контакта между фазами. Такой режим работы называют режимом подвисания.
При дальнейшем увеличении скорости движения газа происхо­дит значительное торможение стекания жидкости, колонна затопля­ется жидкостью, через которую начинает барботировать газ. Этот режим называется режимом эмульгирования, при котором сопротив­ление колонны весьма велико. Даже при небольшом последующем увеличении скорости газа происходит выброс жидкости из колон­ны - режим уноса. Наиболее эффективно колонна работает при переходе от режима подвисания к режиму эмульгирования.
Гидродинамические режимы работы насадочных колонн. Эти режимы показаны на графике (рис. 1.3), выражающем зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне. Первый режим - пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Пленочный режим заканчивается в точке А. Второй режим - режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком, в результате чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличивается, спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена. Данный режим заканчивается в точке В.
Третий режим - режим эмульгирования - возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит 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). Гидравлическое сопротивление колонны резко возрастае. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн.

Четвертый режим - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим па практике не используется.

Недостатком насадочных колонн является то, что они мало­пригодны при работе с загрязненными жидкостями, а в случае малых количеств орошающей жидкости не достигается полная смачиваемость насадки. Кроме того, в насадочных колоннах за­труднен отвод теплоты, выделяющейся при поглощении газа.
Тарельчатые (барботажные) абсорберы представляют собой вертикальные колонны. Внутри них размещены горизонтальные пе­регородки - тарелки, на которых происходит контакт жидкости и газа (или пара в случае ректификации). Тарельчатые (барботажные) абсорберы - аппараты, в которых поверхность контакта между жидкостью и газом образуется в результате дроб­ления газа на струи и пузырьки, барботирующие через слой жид­кости. Такие режимы осуществляются в тарельчатых колоннах с колпачковыми, ситчатыми и провальными тарелками.
Основной особенностью тарельчатых колонн является ступен­чатый характер осуществляемых в них процессов, так как газ и жидкость последовательно вступают в контакт на отдельных ста­диях (тарелках) аппарата.
Колонны с колпачковыми тарелками (рис. 1. 4). В колпачковых тарелках газ барботирует через жидкость, выходя из прорезей кол­пачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газ дробит­ся на мелкие струйки, которые по выходе из прорези поднимают­ся вверх и, проходя через слой жидкости на тарелке, сливаются друг с другом.
В колоннах с колпачковыми тарелками находятся тарелки с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3 (число колпачков на тарелке определяется ее конструкцией). Нижние края колпач­ков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через перелив­ные трубы 4. Уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над та­релкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным тру­бам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жид­кость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей. Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и. выходя через отверстия между зуб­цами или через прорези в колпач­ках, барботирует через слой жид­кости.
Чтобы газ не попадал в пере­ливные трубы и не препятствовал, таким образом нормальному пере­току жидкости с тарелки на тарел­ку, нижние концы переливных трус опущены ниже уровня жидкости

Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий про­хождение газа через переливные трубы.

По конструкции различают круглые колпачки и прямоугольные колпачки. Круглые колпачки имеют диаметр 80...100 мм, при работе с загрязненными жидкостями - до 200...300 мм. Ширина прямоугольных (туннельных) колпачков 70...150 мм.
Колонны с ситчатыми тарелками (рис. 1. 5). Ситчатые тарелки имеют отверстия 1 диаметром 2... 5 мм. Газ проходит через отвер­стия и барботирует слой жидкости на тарелке. При нормальной работе колонны жидкость не протекает через отверстия, так как она поддерживается снизу давлением газа. Высота слоя жидкости на тарелке составляет 25...30 мм и определяется положением верх­них концов переливных труб 2.
Ситчатые колонны отличаются простотой устройства и высо­кой эффективностью. Основной их недостаток заключается в том, что они удовлетворительно работают лишь в ограниченном диапазоне нагрузок. При малых нагрузках, когда скорость газа мала, жидкость протекает через отвер­стия, и работа колонны нарушается. При больших нагрузках гидравлическое сопро­тивление тарелки сильно возрастает, при­чем наблюдается значительный унос жид­кости. Другой недостаток ситчатых колонн состоит в том, что отверстия в тарелках могут легко забиваться.

Колонны с провальными тарелками. В провальных тарелках отсут­ствуют переливные трубы, вследствие этого газ и жидкость про­ходят через одни и те же отверстия.

Дырчатые провальные тарелки по устройству аналогичны ситчатым тарелкам и отличаются от них лишь отсутствием перелив­ных труб и большим диаметром отверстий (5...8 мм). На тарелке такой конструкции одновременно происходит барботаж газа и пара через слой жидкости и частичное «проваливание» жидкости.
Газ (пар) движется снизу вверх только через часть отверстий или щелей пульсирующим потоком, жидкость стекает с тарелки на тарелку в местах максимального гидростатического давления.
Решетчатые тарелки (рис. 1. 6, а) имеют отверстия в виде фрезерованных щелей 1 шириной 2...3 мм. Иногда тарелки соби­рают из полос, поставленных на ребро.
Трубчато-решетчатые тарелки являются разновидностью ре­шетчатых тарелок. Решетку образует труба 2, изогнутая в плоскую спираль (рис. 1. 6, б). По трубам пропускают охлаждающий агент для отвода теплоты, выделяющейся при абсорбции. Не занятую трубами площадь тарелки перекрывают перфорированным лис­том 3, живое сечение которого близко к живому сечению решет­чатой части тарелки. Благодаря отсутствию переливных устройств, провальные та­релки проще тарелок других типов.
Преимуществами барботажных абсорберов являются хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе при низком, расходе жидкости. В барботажных абсорберах может быть осуществлен отвод теплоты. Для этого на тарелках ус­танавливают змеевики, по которым протекает охлаждающий агент, либо применяют выносные холодильники, через которые прохо­дит жидкость, поступающая с вышележащей тарелки на нижеле­жащую. Барботажные абсорберы по сравнению с насадочными более пригодны для работы с загрязненными средами.

Основные недостатки барботажных абсорберов - сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление, связан­ное при пропускании больших количеств газа со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. Поэтому барботажные абсорберы применяют преимущественно в тех слу­чаях, когда абсорбция ведется под повышенным давлением, так как при этом высокое гидравлическое сопротивление несуще­ственно.

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения фаз создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх. Применяются они главным образом для поглощения хоро­шо растворимых газов.
Общая поверхность капель возрастает с увеличением плотнос­ти орошения и с уменьшением их размера и скорости движения. Поэтому для эффективной работы абсорбера большая плотность орошения имеет решающее значение.
Распыление жидкости в абсорберах производят механически­ми и пневматическими форсунками, а также центробежными рас­пылителями.
Механические форсунки распыливают жидкость при избыточном давлении 0,2...20,0 МПа и дают мелкий распыл (размер капель 50 мкм и менее), но легко засоряются и непригод­ны для распыливания суспензий, загрязненных и вязких жидко­стей.
Пневматические форсунки работают под действием сжатого воздуха или пара под избыточным давлением до 0,5 МПа, пригодны для распыливания жидкостей с высокой вязкостью (на­пример, масел). Расход воздуха составляет 0,3...0,75 м³/дм³ распы­ленной воды.
Центробежные распылители изготавливают в виде турбинок или дисков, вращающихся с большой скоростью, на которые подводится (вблизи оси) жидкость. Частота вращения дис­ков составляет 4000...50 000 об/мин.
Диски в отличие от форсунок могут распыливать суспензии и загрязненные жидкости.
Преимуществами распыливающих абсорберов являются их про­стота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление и воз­можность использования при абсорбции газов, сильно загрязнен­ных механическими примесями.
К их недостаткам относятся трудность применения загрязнен­ных жидкостей в качестве поглотителей, необходимость затрат энергии на распыление жидкости и применение больших плотно­стей орошения, а также трудность регулирования количества по­даваемой жидкости.