ЛЕКЦИЯ ’ 26 АБСОРБЦИЯ Литература- Г.html

Работа добавлена на сайт samzan.net:

МОДУЛЬ № 5

МАСООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ЛЕКЦИЯ № 26

АБСОРБЦИЯ

Литература:

1.  Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко  «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.
2.  Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1.  Общие сведения.
2.  Физические основы абсорбции.
3.  Материальный баланс и кинетика абсорбции.
4.  Принципиальные схемы.
5.  Конструкции абсорберов.

Контрольные вопросы:

1.  Какова сущность абсорбции? Каким законам массопередачи подчиняется процесс абсорбции?
   1.  Какому закону подчиняется равновесие в процессах абсорбции? Какие факторы способствуют абсорбции и десорбции
      1.  Какие схемы абсорбции применяют в технике? Дайте технико-экономическую характеристику этих схем.
      2.  Как влияет расход абсорбента на размеры абсорбера?
      3.  При каких режимах  могут работать насадочные абсорберы?
      4.  Какие применяются насадки в абсорберах? Каким требованиям должны удовлетворять насадки?

ВОПРОС №1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями — абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применять его для получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей.

После абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси, как правило, проводят десорбцию, т. е. выделение этих компонентов из жидкости. Таким образом осуществляют разделение газовой смеси.

Существуют физическая абсорбция и хемосорбция. При физической абсорбции в процессе растворения газа не происходит химической реакции. При хемосорбции абсорбируемый газ вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.

Процессы абсорбции в технике применяют для разделения углеводородных газов и получения соляной и сернистой кислот, аммиачной воды, очистки отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов.

Аппаратурно-технологическое оформление абсорбции несложно, 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, состоящая из двух фаз (Ф = 2) и трех компонентов — распределяемого вещества и двух веществ-носителей (К = 3). Согласно правилу фаз такая система имеет три степени свободы:

Тремя основными параметрами, определяющими фазовое равновесие в системе, являются давление, температура и концентрация.

В этом случае можно произвольно изменять общее давление р, температуру t и концентрацию х распределяемого вещества в одной из фаз. При постоянных температуре и давлении, как в процессах абсорбции, каждой концентрации распределяемого вещества в одной фазе соответствует строго определенная концентрация в другой.

В условиях равновесия при t = const зависимость между равновесными концентрациями выражается законом Генри, который гласит: при данной температуре мольная доля газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

           (1)

или

Константа Генри зависит от природы растворяющегося вещества (абсорбтива), абсорбента и температуры

      (2)

Из равенства (2) видно, что с ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону 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, получим

               (4)

Уравнение (4) показывает, что зависимость между равновесными концентрациями распределяемого компонента в газовой смеси и в жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат, тангенс угла наклона которой равен т. Тангенс угла наклона зависит от температуры и давления. С увеличением давления и уменьшением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается (т снижается) (рис. 1). Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, то закону Генри может следовать каждый из газовых компонентов смеси.

Процессы абсорбции можно рассчитывать в относительных мольных концентрациях. 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 определяют 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 конечных концентраций получают уравнение (6*), из которого определяют расход абсорбента, кмоль/с,

            (5)

Удельный расход на 1 кмоль инертного газа

    (6)

Изменение концентрации в абсорбере подчиняется уравнениям (7*) и (8*). Рабочая линия процесса в координатах у—х является прямой линией с тангенсом угла наклона 1= L/C

* - из лекции 24

ВОПРОС 4. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

Прямоточная схема взаимодействия веществ в абсорбере показана на рис. 4, а. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся в одном направлении; при этом газ с большей концентрацией абсорбтива приводится в контакт с жидкостью с меньшей концентрацией абсорбтива, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует 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, противоположном 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 рециркуляцией абсорбтива (газа)

Схема с рециркуляцией абсорбента или газовой фазы предусматривает многократный поток абсорбента или газовой фазы через абсорбер.

На рис. 2, в изображена рециркуляционная схема по абсорбенту. Жидкая фаза — абсорбент многократно возвращается в абсорбер, а газовая фаза проходит через абсорбер снизу вверх. Абсорбент подается в верхнюю часть абсорбера и движется противотоком 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 соответственно 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 абсорбента, 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 контур 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 ступени (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 многоступенчатых схемах с рециркуляцией абсорбента достигаются высокие коэффициенты массопередачи и движущие силы процесса.

Рис. 3. Двухступенчатая абсорбционная установка с рециркуляцией абсорбента (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 вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны располагаются горизонтальные тарелки, служащие для развития поверхности контакта фаз. В тарельчатых колоннах процесс массопередачи осуществляется в газожидкостных системах, образуемых на тарелках.

Колпачковые, ситчатые, клапанные тарелки снабжены специальными устройствами 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 создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство (рис. 6). В тарельчатых абсорберах жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Переливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала во взаимно противоположных 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 переливными трубами или перегородками. Иногда переливные трубы устанавливают снаружи колонны. Размеры переливных стоков рассчитывают в зависимости 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 кожух или набор царг, соединенных на фланцах. Высота колонны складывается из количества тарелок и расстояния между ними. Диаметр колонны определяется производительностью по газу. Колонны диаметром от 0,4 до 3,0 м нормализованы. Конструкции и устройства тарелок абсорбционных аппаратов, а также способы организации барботажа разнообразны.

В колпачковых тарелках барботаж осуществляется круглыми (капсюльными) колпачками. (рис. 5).

Рис. 5. Схема расположения круглых колпачков на тарелке:

1 — колпачок, 2 — патрубок, 3 — переливная труба

Колпачки погружены своими нижними обрезами в жидкость и располагаются 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 барботажа. 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 движение 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 отверстий диаметром 1...5 мм, равномерно распределенных по всему днищу тарелки. Газ проходит через эти отверстия и через слой жидкости в виде мелких 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 тарелок, — вероятность засорения и возможная коррозия отверстий.

Рис. 7. Схема работы аппаратов:

а — ситчатых тарелок, б — пенного абсорбера

Жидкость в пенных абсорберах переливается с тарелки на тарелку с помощью переливных устройств коробчатого типа, в которых происходит разрушение пены. При увеличении высоты пены на тарелке возрастает эффективность массопередачи. Однако при этом растет и гидравлическое сопротивление, что ограничивает область применения пенных абсорберов.

В пластинчатых тарелках (рис. 8) осуществляется направленное движение жидкости и газа; каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет существенно повысить нагрузку по газу и жидкости.

Рис. 8. Схема работы пластинчатых 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 диспергируется на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где контакт жидкости и газа повторяется до перелива жидкости через сливной карман. Отсутствие переливного порога в тарелках этого типа уменьшает гидравлическое сопротивление. Достоинство этих тарелок — возможность использовать их при работе с загрязненными жидкостями, недостаток — снижение эффективности при небольшом расходе жидкости.

В клапанных тарелках (рис. 9) отверстия перекрыты свободнолежащими над ними клапанами. Высота подъема клапана ограничивается скобой. С изменением расхода газа клапан своим весом автоматически регулирует величину щели для прохода газа и тем самым обеспечивает его постоянную скорость. Поэтому клапанные тарелки могут стабильно работать 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 удерживается на тарелке, образует пену с барботирующим через отверстия газом и перетекает (проваливается) на нижележащую тарелку через те же отверстия. Провал жидкости происходит периодически: 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 тарелки и недостаточное дробление восходящего потока газа, что снижает эффективность 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 обладать большой удельной поверхностью; оказывать небольшое гидравлическое сопротивление газовому потоку; хорошо смачиваться рабочей жидкостью; равномерно распределять жидкость по сечению 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 течет по элементу насадки в виде тонкой пленки. Поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, и в этом режиме насадочные аппараты можно рассматривать как пленочные. Чтобы жидкость не растекалась к стенкам аппарата, насадки загружают посекционно. Между секциями устанавливают устройство для перераспределения жидкости.

Насадочные колонны работают наиболее эффективно в условиях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого режима, при котором вес находящейся на насадке жидкости становится равным силе трения газового потока о жидкость.

В режиме подвисания пленочное течение жидкости нарушается: возникают брызги, различного рода завихрения и т. д. Жидкость заполняет свободный объем насадки, образуя газожидкостную смесь. При этом значительно возрастают по сравнению с пленочным режимом площадь поверхности контакта фаз и коэффициенты массопередачи. Дальнейшее небольшое увеличение скорости газа приводит к захлебыванию колонны. Это явление характеризуется прекращением противоточного движения потоков и выносом жидкости из колонны. Насадочный абсорбер работает в оптимальном режиме при скоростях газа, на 15...20% меньших скоростей, вызывающих захлебывание.

Рис. 12. Устройство аппарата с насадкой:

1—распределительное устройство; 2— насадка; 3 — устройство для перераспределения жидкости; 4— решетка

PAGE  13

1. История Казахстана как наука цель задачи и актуальность ее изучения
2. Донецке. Она родилась здоровым ребёнком с нормальным весом и ростом
3. Вариант кг-см мм мм
4. Статья- Перспективы использования бат-келловейского водоносного комплекса юрских отложений для водоснабжения населения
5. Reliztion nd personl growth. Be responding to personl needs the desire for responsibility recognition growth promotion nd more interesting workmngers hve ltered conditions in the workplce nd c
6. а б в г д Эталон- б ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ РАВНЫЙ КРИВОЛИНЕЙНОМУ ИНТЕГРАЛУ
7. Лекция- Методика на литературното образование
8. Александровский лицей Жмайло А
9. мессеры кружили;Их было видно словно днем
10. семестрах объёмом в 170 часов
11. Лекція 5 РОЗПОДІЛ БОЛЬЦМАНА ТА ЙОГО ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВІРКА
12. Сущность и Разум
13. Мероприятия по совершенствованию управления персоналом ООО Алькон-М
14. Триумф гадкого утенка книгу о том какие психологические проблемы мы с вами вынесли из нашего детства
15. Современные миграционные процессы населения в России- проблемы и перспективы
16. Тема- Аналіз схем колообігу основних речовин у природі на предмет змінності їх ланок антропогенною діяльніс
17. Бухгалтерский учет анализ и аудит Бухгалтерский финансовый учет- 1
18. ситуативную грамматику
19. Анализ движения денежных средств
20. Габбро Свойства и химический состав габбро

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе