Абсорбционная установка

При противотоке газа и  жидкости в зависимости от скоростей  потоков наблюдаются четыре различных  гидродинамических режима. Первый режим (пленочный) наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по газу и  жидкости.

Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличивается.

Третий режим (режим захлебывания или барботажный) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит сил трения. Накопление жидкости в насадке приводит к обращению (инверсии) фаз: газ перестанет быть сплошной фазой и движется путем барботажа через слой заполнившей насадку жидкости, уровень которой может быть установлен на произвольной высоте (как выше, так и ниже верха насадки). Режим захлебывания соответствует максимальной эффективности  насадочной колонны. Причина высокой  интенсивности в режиме захлебывания объясняется большой поверхностью соприкосновения фаз, которая определяется в этом режиме не геометрической поверхностью насадки, а условиями барботажа. Так как работа аппаратов в режиме захлебывания неустойчива, осуществлен переход на абсорберы с искусственно затопленной насадкой (эмульгационные колонны), работающие достаточно устойчиво.

Четвертый режим (режим уноса) возникает при повышении скорости газа против величины, соответствующей режиму захлебывания. Происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг [3, с. 211].

 

 

2.2 Выбор насадок 

 

Как уже отмечалось, в  насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т. е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;

 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т. е. иметь возможно большее значение свободного объема или сечения насадки; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли  всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям  нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига (рисунок 3, а), имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 х 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми 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.

Хордовую насадку (рисунок 3, б) обычно применяют в абсорберах большого диаметра. 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 представ лена на рисунке 3, б.

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

б

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

 

Рисунок 3. Виды насадок.

При выборе размеров насадки  необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается.

Общая стоимость колонны  с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра абсорбера, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку. Мелкая насадка предпочтительнее при проведении абсорбции под повышенным давлением, так как при этом потеря напора в абсорбере составит малую долю от общего давления газовой смеси.

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые абсорберы с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких абсорберах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В абсорберах с плавающей  насадкой возможно создание более высоких  скоростей, чем в колоннах с неподвижной  насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3-5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления [4, с. 470].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Описание технологической схемы

 

Газ, охлажденный в теплообменнике 9, подается газодувкой 8 в нижнюю часть  абсорбера 6, где равномерно распределяется по сечению колонны и поступает  на контактные элементы (насадку). Абсорбент подается в верхнюю часть колонны центробежным насосом 4 из сборника 3. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ выходит из колонны в атмосферу. Абсорбент стекает через гидрозатвор в сборник 7,откуда насосом 5 направляется на дальнейшую переработку. Для охлаждения газа в холодильник из градирни 2 подается насосом 1 вода, которая после холодильника возвращается на охлаждение в градирню.

Для улучшения процесса абсорбции  поддерживается низкая температура  газовой смеси, поступающей в  абсорбер, путем изменения расхода  охлаждающей воды, подаваемой в холодильник  газа 9.

Уровень жидкости в колонне  стабилизируется путем изменения  отбора жидкости из нее [3, с. 230].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Технологический  расчет

 

Целью расчета абсорберов является определение ступеней изменения  концентрации в абсорбере методом  построения рабочей линии и линии  равновесия,  определение расхода  поглотителя, температуры процесса и количества отводимой теплоты, выбор скорости газа.

 

 

4.1 Построение рабочей линии, кривой равновесия и определение числа теоретических тарелок

 

Для определения числа  теоретических тарелок необходимо в системе координат  построить рабочую линию и линию равновесия.

Рабочая линия строится по начальным и конечным концентрациям  поглощаемого газа и поглотителя. Это  прямая, которая проходит через точку  А с координатами и точку В с координатами . Она расположена выше линии равновесия, так как при абсорбции содержание компонента в газовой фазе выше равновесного.

Выразим начальную концентрацию извлекаемого в газовой фазе в  единицах массовой концентрации, для этого переведём мольные доли в массовые, воспользовавшись формулой (1)

 

                                                                         ₍₁₎                  

Используя формулу (2), переведём массовые доли в относительные массовые доли. 

 

                                                                                                 ₍₂₎   

Определяем концентрацию газа на выходе из абсорбционной колонны по формуле (3)

 

                                             

                                             (3)

 

где – степень извлечения компонента из газовой фазы.

 

 

Для построения кривой равновесия задаемся значениями « » так, чтобы и входили в заданный интервал. Значения указаны в таблице 1.

 

Таблица 1

0,25	0,219	0,189	0,158	0,128

 

Для каждого принятого значение « » принимаем температуру (в зависимости от температуры в абсорбере) и в зависимости от температуры определяем коэффициент Генри [6, с. 539]. Данные указаны в таблице 2.

 

Таблица 2

	25	30	35	40	45
,атм	35	47,89	56,51	65,13	76,45

 

Для каждого значение « » определяем парциальное давление компонента в парах над жидкостью по формуле (4)

 

                                                                                          ₍₄₎

 

где М_н – мольная масса носителя (воздуха), кг/моль;

     – давление в абсорбере, атм;

     – мольная масса извлекаемого компонента, кг/моль.

 

 

 

 

                             

                              

 

Для каждого значения « » (концентрата компонента в газовой фазе) определяем равновесное значение « » (концентрация компонента в поглотителе) по формуле (5)

 

                                           

                                                            (5)

 

где Е – коэффициент Генри, атм.

 

 

 

 

 

По значениям « » и « » строим линию равновесия  (приложение А). На графике по оси ординат откладываем значения и и проводим через эти точки линию до пересечения с линией равновесия, находим значения и , проводя перпендикуляры от точки пересечения с линией равновесия до оси абсцисс.

В  зависимости от степени  поглощения газа поглотителя находим значения и по формулам (6) и (7) соответственно

 

                                                               

                                                                            (6)

 

                                                               

                                                                            (7)

 

где – степень поглощения компонента поглотителем;

          , – равновесные концентрации компонента в поглотителе, относит.масс.доли.

 

 

    

 

Строим рабочую линию  по координатам: А и В .

_{Построив  рабочую линию  и линию равновесия, определяем число теоретических тарелок – ступеней изменения концентрации в абсорбере.}

Из графика – 7 единиц переноса, значит 7 условных тарелки.

 

 

1.   Материальный баланс установки

 

Определяем секундный  расход газа по формуле (8)

 

                                                   ₍₈₎