Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МОДУЛЬ № 5
МАСООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ЛЕКЦИЯ № 26
АБСОРБЦИЯ
Литература:
План лекции:
Контрольные вопросы:
ВОПРОС №1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглоти телями — абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применять его для получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паро вых смесей.
После абсорбции одного или нескольких компонентов из газо вой или паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих компонентов из жидкости. Таким образом осуще ствляют разделение газовой смеси.
Существуют физическая абсорбция и хемосорбция. При физи ческой абсорбции в процессе растворения газа не происходит хи мической реакции. При хемосорбции абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.
Процессы абсорбции в технике применяют для разделения уг леводородных газов и получения соляной и сернистой кислот, ам миачной воды, очистки отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов.
Аппаратурно-технологическое оформление абсорбции неслож но, поэтому процессы абсорбции широко используют в технике.
Аппараты для проведения процессов абсорбции называются абсорберами.
ВОПРОС 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АБСОРБЦИИ
При взаимодействии газа с жидкостью возникает система, со стоящая из двух фаз (Ф = 2) и трех компонентов — распределяемо го вещества и двух веществ-носителей (К = 3). Согласно правилу фаз такая система имеет три степени свободы:
Тремя основными параметрами, определяющими фазовое рав новесие в системе, являются давление, температура и концентра ция.
В этом случае можно произвольно изменять общее давление р, температуру t и концентрацию х распределяемого вещества в од ной из фаз. При постоянных температуре и давлении, как в про цессах абсорбции, каждой концентрации распределяемого веще ства в одной фазе соответствует строго определенная концентра ция в другой.
В условиях равновесия при t = const зависимость между рав новесными концентрациями выражается законом Генри, который гласит: при данной температуре мольная доля газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению газа над ра створом:
(1)
или
Константа Генри зависит от природы растворяющегося веще ства (абсорбтива), абсорбента и температуры
(2)
Из равенства (2) видно, что с ростом температуры раствори мость газов в жидкостях уменьшается. Парциальное давление ра створяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно за кону Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.
(3)
Где Р - общее давление газовой смеси; у – концентрация распределяемого вещества в смеси; доли моля
Сопоставляя уравнения (3) и (1), найдем
или, обозначая константу фазового равновесия Е/Р через т, полу чим
(4)
Уравнение (4) показывает, что зависимость между равновес ными концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости выражается прямой линией, проходящей че рез начало координат, тангенс угла наклона которой равен т. Тан генс угла наклона зависит от температуры и давления. С увеличе нием давления и уменьшением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается (т снижается) (рис. 1). Когда в равно весии с жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из газовых компонентов смеси.
Процессы абсорбции можно рассчиты вать в относительных мольных концентра циях. В этом случае при малой концентрации газа х в жидкости закон Генри записывается так:
Рис. 1. Зависимость между растворимостью газов в
жидкости и его парциальным давлением над раствором
при различных температурах (t1 > t2> t3)
Закону Генри подчиняются сильно разбавленные растворы, а также растворы при небольших давлениях, которые по своим свойствам приближаются к идеальным. Для концентрированных растворов и больших давлений зависимость между равновесными концентрациями выражается кривой линией, вид которой опреде ляют экспериментально.
ВОПРОС 3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И КИНЕТИКА АБСОРБЦИИ
Материальный баланс процесса абсорбции выражается общим уравнением (5*): —G{dy) = Ldx.
После интегрирования выражения в пределах начальных и ко нечных концентраций получают уравнение (6*), из которого оп ределяют расход абсорбента, кмоль/с,
(5)
Удельный расход на 1 кмоль инертного газа
(6)
Изменение концентрации в абсорбере подчиняется уравнени ям (7*) и (8*). Рабочая линия процесса в координатах у—х яв ляется прямой линией с тангенсом угла наклона 1= L/C
* - из лекции 24
ВОПРОС 4. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
В технике используют следующие принципиальные схемы аб сорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одно ступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуля цией.
Прямоточная схема взаимодействия веществ в абсорбере пока зана на рис. 4, а. В этом случае потоки газа и абсорбента дви жутся в одном направлении; при этом газ с большей концентраци ей абсорбтива приводится в контакт с жидкостью с меньшей кон центрацией абсорбтива, а газ с меньшей концентрацией взаимо действует на выходе из абсорбера с жидкостью с большей концентрацией абсорбтива.
Противоточная схема показана на рис. 2, б. В противоточном абсорбере в одном конце аппарата контактируют газ и жидкость, содержащие большие концентрации абсорбтива, а в другом, про тивоположном конце — меньшие.
При противоточном процессе достигается большая конечная концентрация абсорбтива в абсорбенте, чем при прямоточном. Расход абсорбента также ниже. Однако из-за того что средняя движущая сила при противотоке меньше, габариты противоточного абсорбера больше, чем прямоточного.
Рис. 2. Схемы абсорбции и изображение процесса в координатах у—х.
а — прямоточная; б— противоточная; в —с рециркуляцией абсорбента (жидкости); г —с ре циркуляцией абсорбтива (газа)
Схема с рециркуляцией абсорбента или газовой фазы предусмат ривает многократный поток абсорбента или газовой фазы через абсорбер.
На рис. 2, в изображена рециркуляционная схема по абсор бенту. Жидкая фаза — абсорбент многократно возвращается в аб сорбер, а газовая фаза проходит через абсорбер снизу вверх. Аб сорбент подается в верхнюю часть абсорбера и движется противо током к газовой фазе. В результате смешения свежего абсорбента концентрацией хн с выходящим из абсорбера его концентрация повышается до хс. Рабочая линия на диаграмме у—х представляет собой прямую с координатами крайних точек А и Вс соответствен но ун, хк и ук, хс.
Схема абсорбции с рециркуляцией газа приведена на рис. 2, г. Положение рабочей линии определяют точки Ас(ус, хк) и В(ук, хн).
В рециркуляционных схемах абсорбции количество абсорбен та, проходящего через абсорбер, при том же расходе значительно больше, чем в схемах без рециркуляции. В результате увеличения скорости абсорбента повышается коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, что приводит к увеличению коэффициента массопередачи.
Рециркуляция абсорбента целесообразна в случае абсорбции труднорастворимых газов, а рециркуляция абсорбтива, которая приводит к увеличению коэффициента массоотдачи в газовой фазе, — в случае абсорбции хорошо растворимых газов.
Схема с рециркуляцией абсорбента позволяет включить в кон тур установки холодильник для охлаждения жидкости.
Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямоток, противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа. Большое практическое значение имеет многоступенчатая противоточная схема с рециркуляцией жидкости в каждой ступе ни (рис. 3, а). Рабочие линии строят на диаграмме у—х (рис. 3, б) отдельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных одноступенчатых аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию составляют отрезки А1 В1 и А2В2. В многоступенча тых схемах с рециркуляцией абсорбента достигаются высокие ко эффициенты массопередачи и движущие силы процесса.
Рис. 3. Двухступенчатая абсорбци онная установка с рециркуляцией аб сорбента (в) и изображение процесса в координатах у—х (б)
ВОПРОС 5. КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ
В барботажных абсорберах контакт фаз осуществляется в результате диспергирования газа на струйки и пузырьки, барботирующие, пробулькивающие через слой жидкости.
Наиболее распространенные барботажные абсорберы — тарельчатые вер тикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны располагаются горизонтальные тарелки, служа щие для развития поверхности контакта фаз. В тарельчатых колоннах про цесс массопередачи осуществляется в газожидкостных системах, образуе мых на тарелках.
Колпачковые, ситчатые, клапанные тарелки снабжены специальными уст ройствами для перетока жидкости с одной тарелки на другую — сливными трубками, карманами и другими приспособлениями. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для созда ния гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное уст ройство (рис. 6). В тарельчатых абсорберах жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, пе ретекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Пере ливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала во взаимно противопо ложных направлениях. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (отверстия, щели) и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высоту которого регулируют размером сливного порога. При этом газ в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой собственно и происходит процесс массопереноса.
Рис. 4. Устройство колонны и колпачковых тарелок с капсульными колпачками:
а - колонна с тарелками; б — две соседние тарелки; в — капсульный колпачок; г — формы капсульных колпачков;
1- тарелки; 2 — газовые (паровые) патрубки; 3 — круглые колпачки; 4 — переливные перегородки (или трубы); 5 — гидравлические затворы; 6 — корпус колонны
На рис. 6, б показана регулировка высоты слоя жидкости перелив ными трубами или перегородками. Иногда переливные трубы устанавливают снаружи колонны. Размеры переливных стоков рассчитывают в зависи мости от скорости движения в них жидкости. Для обеспечения стока поверхностного слоя пены эту скорость принимают в пределах 0,15...0,20м/с. Во избежание накапливания слоя пены на тарелке периметр перелива верхнего края стока должен быть максимальным.
Образовавшаяся пена нестабильна и при подходе ее к сливному устройству разрушается, а жидкость осветляется. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата. Колонны обычно представляют цельносварной ко жух или набор царг, соединенных на фланцах. Высота колонны складывается из количества тарелок и расстояния между ними. Диаметр колонны опреде ляется производительностью по газу. Колонны диаметром от 0,4 до 3,0 м нор мализованы. Конструкции и устройства тарелок абсорбционных аппаратов, а также способы организации барботажа разнообразны.
В колпачковых тарелках барботаж осуществляется круглыми (капсюль ными) колпачками. (рис. 5).
Рис. 5. Схема расположения круг лых колпачков на тарелке:
1 — колпачок, 2 — патрубок, 3 — перелив ная труба
Колпачки погружены своими нижними обрезами в жидкость и располага ются над патрубками, через которые проходит газ, барботирующий сквозь слой жидкости. Они расположены равномерно по рабочему сечению тарелки в шахматном порядке. Диаметр капсюльных колпачков невелик (80...150мм), а количество их на тарелке — максимально, что увеличивает периметр бар ботажа. Поверхностью массоотдачи служит суммарная поверхность раздела фаз. С целью интенсификации процесса следует стремиться к равномерному распределению газа при выходе его из патрубков.
На тарелках из штампованных элементов (рис. 6) направленное дви жение жидкости достигается вследствие направленного выхода газа из-под колпачков.
Рис. 6. Тарелки из штампованных элементов S-образной формы
В ситчатых тарелках (рис. 7) предусмотрено большое количество от верстий диаметром 1...5 мм, равномерно распределенных по всему днищу та релки. Газ проходит через эти отверстия и через слой жидкости в виде мел ких струек и пузырьков. На ситчатых тарелках достигается более мелкое дробление струй и большая равномерность потока газа, что резко повышает эффективность абсорбции. Факторы, ограничивающие применение этих та релок, — вероятность засорения и возможная коррозия отверстий.
Рис. 7. Схема работы аппаратов:
а — ситчатых тарелок, б — пенного абсорбера
Жидкость в пенных абсорберах перели вается с тарелки на тарелку с помощью пе реливных устройств коробчатого типа, в ко торых происходит разрушение пены. При увеличении высоты пены на тарелке возрас тает эффективность массопередачи. Однако при этом растет и гидравлическое сопротив ление, что ограничивает область примене ния пенных абсорберов.
В пластинчатых тарелках (рис. 8) осуществляется направленное движение жидкости и газа; каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет су щественно повысить нагрузку по газу и жидкости.
Рис. 8. Схема работы пластинча тых тарелок:
1 — отверстия; 2 — переливное устройство
Газ проходит сквозь щели, образованные пластинами, под углом 10...15°, со скоростью 20...40м/с. В этих условиях жидкость дис пергируется на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где контакт жидкости и газа повторя ется до перелива жидкости через сливной карман. Отсутствие переливного порога в тарелках этого типа уменьшает гидравлическое сопротивление. До стоинство этих тарелок — возможность использовать их при работе с загряз ненными жидкостями, недостаток — снижение эффективности при неболь шом расходе жидкости.
В клапанных тарелках (рис. 9) отверстия перекрыты свободнолежащими над ними клапанами. Высота подъема клапана ограничивается ско бой. С изменением расхода газа клапан своим весом автоматически регули рует величину щели для прохода газа и тем самым обеспечивает его постоянную скорость. Поэтому клапанные тарелки могут стабильно рабо тать с высокой эффективностью в широком диапазоне нагрузок по газу.
Рис.9. Схема работы клапана:
а – клапан; 2 – скоба
Провальные тарелки не имеют переливных устройств (рис. 10). Жидкость удерживает ся на тарелке, образует пену с барботирующим через отверстия газом и перетекает (провалива ется) на нижележащую тарелку через те же от верстия. Провал жидкости происходит перио дически: при истечении жидкости через отверстия гидростатическое давление столба пены над отверстием уменьшается, поэтому в следующий момент времени через это же отверстие барботирует газ. Высоту слоя пены регулируют скоростью газа. Достоинство этих тарелок — простота устройства, недостаток — пульсирующий гидродинамический режим тарел ки и недостаточное дробление восходящего потока газа, что снижает эффек тивность абсорбции.
Рис. 10. Провальные тарелки:
а — дырчатые; б — решетчатые
Выбор типа тарелок определяется техническими условиями процесса абсорбции.
Насадочные абсорберы получили широкое распространение в технике. Чтобы насадка работала эффективно, она должна обла дать большой удельной поверхностью; оказывать небольшое гид равлическое сопротивление газовому потоку; хорошо смачиваться рабочей жидкостью; равномерно распределять жидкость по сече нию абсорбера; быть коррозиестойкой по отношению к рабочей жидкости и газу; обладать высокой механической прочностью; быть легкой и недорогой.
Рис. 11. Типы насадок:
а — плоскопараллельная; б— фасонные керамические и способы их укладки (в — навалом; г -организованно)
Некоторые типы используемых в промышленности насадок и способы их укладки в аппарат приведены на рис. 11. Наиболее распространенной насадкой являются керамические кольца Рашига. Размеры изготовляемых насадок: 15x15x2,5; 25x25x3; 50 х 50 х 5 мм. Геометрической характеристикой насадок служит эквивалентный диаметр
(7)
Для колец Рашига удельная поверхность и свободный объем с увеличением размеров насадок составляют соответственно 300; 204; 87,5 м2/м* и 0,7; 0,74; 0,785 м3/м3.
В насадочном абсорбере (рис. 12) жидкость, подаваемая через распределительное устройство, при небольших скоростях газа те чет по элементу насадки в виде тонкой пленки. Поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, и в этом режиме насадочные аппараты можно рассматривать как пленоч ные. Чтобы жидкость не растекалась к стенкам аппарата, насадки загружают посекционно. Между секциями устанавливают устрой ство для перераспределения жидкости.
Насадочные колонны работают наиболее эффективно в усло виях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого режима, при котором вес находящейся на насадке жид кости становится равным силе трения газового потока о жид кость.
В режиме подвисания пленочное течение жидкости нарушает ся: возникают брызги, различного рода завихрения и т. д. Жид кость заполняет свободный объем насадки, образуя газожидкост ную смесь. При этом значительно возрастают по сравнению с пле ночным режимом площадь поверхности контакта фаз и коэффициенты массопередачи. Дальнейшее не большое увеличение скорости газа приво дит к захлебыванию колонны. Это явление характеризуется прекращением противоточного движения потоков и выносом жид кости из колонны. Насадочный абсорбер работает в оптимальном режиме при ско ростях газа, на 15...20% меньших скорос тей, вызывающих захлебывание.
Рис. 12. Устройство аппарата с насадкой:
1—распределительное устройство; 2— насадка; 3 — устрой ство для перераспределения жидкости; 4— решетка
PAGE 13