Применение процесса абсорбции для очистки выбросов. Расчет тарельчатого абсорбера

   Для данной системы газ  - жидкость переменными являются температура, давление и концентрация в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянной температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление Р_А^* растворенного газа пропорционально его мольной доле х_А в растворе:

 

Р_А^*= Е ∙^χ_А,   (2.1)

 

где Е — коэффициент  пропорциональности;

^χ_А — мольная доля растворенного газа.

Растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью:

 

,  (2.2)

 

где - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию (в мольных долях);

- концентрация газа в растворе (а мольных долях), равновесном  с газовой фазой, в которой  парциальное давление поглощаемого  компонента равно p_A;

Е — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом или константой Генри [3].

   Числовые значения коэффициента  Генри для данного газа зависят  от природы поглотителя и газа  и от температуры, но не зависят  от общего давления в системе.  Зависимость Е от температуры  выражается уравнением

 

,   (2.3)

 

где q - дифференциальная теплота растворения газа;

R -  газовая постоянная;

С - постоянная, зависящая  от природы газа и поглотителя.

   Для идеальных  растворов на диаграмме р - х (рисунок 1) зависимость равновесных  концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е — коэффициенту Генри (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Рисунок 1 - Растворимость  газа в жидкости при различных  температурах (t₁>t₂>t₃ и соответственно Е₁>Е₂>Е₃)

 

 

 

 

   Из рисунка 1 и уравнения 2.2 следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е, и, соответственно, уменьшается растворимость газа в жидкости.

   Парциальное давление p_A, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью

 

,   (2.4)

 

где у_А — мольная доля извлекаемого компонента А в газовой смеси;

 Р — общее давление  в системе, Па.

   Растворимость  газа в жидкости увеличивается  с повышением давления и снижением  температуры. Когда в равновесии  с жидкостью находится смесь  газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

   Закон Генри  применим к растворам газов,  критические температуры которых  выше температуры раствора, и  справедлив только для идеальных  растворов. Поэтому он с достаточной  точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент пропорциональности в уравнении Генри является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

   Для описания равновесия между газом и жидкостью закон Генри применим только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем [3].

   При повышенных  давлениях (порядка десятков атмосфер  и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом:

 

 

 

 

,   (2.5)

 

где f₀ - фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах

давления.

    В случае  абсорбции многокомпонентных смесей  равновесные зависимости значительно  сложнее, чем при абсорбции  одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т. е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных [3].

 

 

 

 

3 УСТРОЙСТВО  АБСОРБЦИОННЫХ АППАРАТОВ

 

 

   Аппараты, в которых  осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

   1) поверхностные  и пленочные;

   2) насадочные;

   3) барботажные  (тарельчатые);

   4) распыливающие  [3].

   Поверхностные и пленочные абсорберы. В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости иди же поверхность текущей жидкой пленки.

   Поверхностные  абсорберы. Эти абсорберы используют  для поглощения хорошо растворимых  газов (например, для поглощения  хлористого водорода водой). В  указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рисунок 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Так как поверхность  соприкосновения в таких абсорберах  мала, то устанавливают несколько  последовательно соединенных аппаратов,  в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того, чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.

   Более совершенным  аппаратом такого типа является  абсорбер (рисунок З), состоящий из  ряда горизонтальных труб, орошаемых  снаружи водой. Необходимый уровень жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2.

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

   Пластинчатый абсорбер (рисунок 4) состоит из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2 меньшего сечения — охлаждающий агент (как правило, вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.

 

 

 

 

 Поверхностные абсорберы  имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости [5].

   Пленочные абсорберы более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы, В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

   Насадочные абсорберы. Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рисунок 5) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом — большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

   Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2 - З м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

   В насадочной  колонне жидкость течет по  элементу насадки главным образом  в виде тонкой пленки, поэтому  поверхностью контакта фаз является  в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью [5]. Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м²/м³) и свободный объем ε (м³/м³). Свободный объем для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε. Эквивалентный диаметр насадки d_э мм:

 

.   (3.1)

 

   Гидродинамические режимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Эти режимы видны из графика (рисунок б), выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне [5].

  

  

    Первый режим - пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа.        

 Пленочный режим  заканчивается в первой переходной  точке (точка А, рисунок 6), называемой  точкой подвисания.

   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 этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются.

   В режиме подвисания  с возрастанием скорости газа  увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно - интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок 6), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.

   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). 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, как указывалось, неравномерна по сечению колонны.   Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает. На рисунке 6 этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС.

 

  

   Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом

случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны а таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.

   В режимах подвисания  и эмульгирования целесообразно  работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.

   В обычных насадочных  колоннах поддержание режима  эмульгирования представляет большие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн с затопленной насадкой, называемая эмульгационной.

   Пределом нагрузки  насадочных абсорберов, работающих  в пленочных режимах, является  точка эмульгирования, или инверсии. В обычных насадочных колоннах режим эмульгирования неустойчив и сразу переходит в захлебывание. Поэтому эту точку называют точкой захлебывания насадочных колонн. Фиктивная скорость W₃ газа, соответствующая пределу нагрузки, определяется по уравнению

 

,   (3.2)