Применение процесса абсорбции для очистки выбросов. Расчет тарельчатого абсорбера

 

где S_св — свободное сечение насадки, м²/м²

а - удельная поверхность насадки,

μ - мольная доля жидкости;

Р_ж, Р_г - плотность жидкости и газа соответственно, кг/м³;

W₃ - фиктивная скорость газа, м/с;

Lⁱ и Gⁱ — расходы жидкости и газа, кг/с.

 

   Из уравнения  можно заключить, что с увеличением  плотности орошения снижается  предельная скорость газа. В точке  инверсии скорость газа уменьшается  также с увеличением вязкости  жидкости и снижением ее плотности.  При одинаковых расходах газа  и жидкости скорость газа, соответствующая точке инверсии, выше для более крупной насадки.

   Четвертый режим — режим  уноса, или обращенного движения  жидкости, вы- носимой из аппарата  газовым потоком. Этот режим  на практике не используется [3].

   Выбор насадок. Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость [3].

  

   Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рисунок 7), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

   Широко распространена  насадка в виде тонкостенных  керамических колец высотой, равной  диаметру (кольца Рашига), который  изменяется в пределах 15- 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рисунок 7, а). Большие кольца (размерами не менее 50-50 мм) укладывают правильным и рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рисунок 7, б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку — регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Хордовая деревянная насадка (рисунок 7, ж) обычно используется в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство — простота изготовления, недостатки — относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.

 

 

 

 

 

   За последние  годы стали применяться спиральные  насадки, выполненные из металлических  лент и проволоки, различные  металлические сетчатые насадки  (рисунок 7, д), а также насадка  из стеклянного волокна.

 

     При выборе размеров насадки учитывают, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно — производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление.    Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).

   Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением, так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения.  Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.

   Основными достоинствами  насадочных колонн являются простота  устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки трудность отвода тепла и Плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

   Насадочные колонны  мало пригодны при работе с  загрязненными жидкостями. дня таких  жидкостей в последнее время стали применять абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние.

   В абсорберах с «плавающей» насадкой допустимы более высокие скорости газа, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к большему расширению слоя шаров и, следовательно, к незначительному увеличению гидравлического сопротивления аппарата [3].

   Барботажные (тарельчатые)  абсорберы. Тарельчатые абсорберы  представляют собой, как правило,  вертикальные колонны, внутри  которых на определенном расстоянии  друг от друга размещены горизонтальные  перегородки — тарелки. С помощью  тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа [3].

   В настоящее  время в промышленности применяются  разнообразные конструкции тарельчатых  аппаратов. По способу слива  жидкости с тарелок барботажные  абсорберы можно подразделить на колонны: 1) с тарелками со сливными устройствами и 2) с тарелками без сливных устройств.

   Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств

- сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

   Принцип работы  колонн такого типа виден из  рисунка 8, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками.

 

 

 

  

    Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке.    Отработанный газ удаляется сверху колонны.

Переливные трубки располагают  на тарелках таким образом, чтобы  жидкость на соседних тарелках протекала  во взаимно противоположных направлениях. За последнее время все шире применяют  сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и огражденных порогом - переливом.

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные  и балластные, пластинчатые и др.

   Гидродинамические режимы работы тарелок. Эффективность тарелок любых конструкций в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. Поэтому до описания основных конструкций тарелок рассмотрим эти режимы.

   В зависимости  от скорости газа и плотности  орошения различают три основных  гидродинамических режима работы  барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также поверхность контакта фаз [3].

   Пузырьковый режим. Такой режим наблюдается при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режиме, невелика.

   Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная система — пена, которая является

нестабильной и разрушается  сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование  газа и жидкости происходит на поверхности  пузырьков и струй газа, а также  на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушении их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз на барботажных тарелках максимальна.

   Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

    Следует отметить, что переход от одного режима  к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ  гидродинамических режимов (критических  точек) для барботажных тарелок  отсутствуют. Поэтому при проектировании  тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пределам работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.

   Ситчатые тарелки. Колонна с ситчатыми тарелками (рисунок 9) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1 - 5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4 [3].

   Газ проходит  сквозь отверстия тарелки и  распределяется в жидкости в  виде мелких струек и пузырьков.  При слишком малой скорости  газа жидкость может просачиваться  (или «проваливаться») через отверстия  тарелки на нижерасположенную,  что должно привести к существенному снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

   Ситчатые тарелки  отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и  ремонта. Гидравлическое сопротивление  этих тарелок невелико.   Ситчатые  тарелки устойчиво работают в  довольно широком интервале скоростей  газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Разновидностью  абсорберов с ситчатыми тарелками  являются так называемые пенные  абсорберы, тарелки которых отличаются от ситчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность венных аппаратов выше, чем эффективность абсорберов с ситчатыми тарелками. Однако вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопротивление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

   Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков.   Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость [З].

   Колпачковые тарелки  изготавливают с радиальным или  диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом  жидкости представляет собой  стальной диск, который крепится  на прокладке к опорному кольцу. Колпачки расположены на тарелке в шахматном порядке.   Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по центральной трубке, затем снова течет к периферии и т.д.

   Существуют и  другие виды тарелок (с диаметральным  переливом жидкости, клапанные, балластные и др.), которые применяются реже и по принципу действия схожи с рассмотренными [7].

 

 

4. ДЕСОРБЦИЯ ГАЗОВ

 

 

   Десорбция —  важный процесс, используемый  в ряде промышленных производств,  в особенности применительно  к выделению двуокиси углерода из карбонизованных

абсорбентов, таких как  вода и растворы поташа или аминов. Однако, по сравнению с абсорбцией, теоретическим аспектам десорбция  до сих пор уделялось гораздо  меньше внимания.

   При десорбции  концентрация растворенного газа  в массе жидкости больше, чем у ее поверхности. При этом парциальное давление газа, соответствующее условиям равновесия с основной массой жидкости, выше его парциального давления у поверхности и при определенных условиях может быть даже больше общего давления у поверхности. Например, воду можно насытить двуокисью углерода при парциальном давлении последней в несколько десятков атмосфер, а затем внезапно уменьшить общее давление до атмосферного. Если, как в этом примере, разность между общим давлением у поверхности и давлением, равновесным с жидкостью, велика (т.е. велика степень пересыщения), то внутри жидкости образуются пузырьки, и большое количество газа будет выделяться, диффундируя к поверхности этих пузырьков. Такой процесс сильно отличается от процессов абсорбции, рассмотренных выше, где величина поверхности контакта фаз определялась исключительно внешними факторами, а не самим абсорбционным процессом. Количественная теория пузырьковой десорбция в настоящее время отсутствует [2].