Барботажный колпачковый абсорбер

Введение

Дисциплина «Процессы  и аппараты химической технологии»  является специальным переходным курсом" от общеинженерного цикла дисциплин  к специальным для инженеров – технологов.

"Процессы и  аппараты химической технологии" (ПАХТ) - наука о принципах организации  и расчета химико-технологических  процессов, а также проектирования  технологической аппаратуры. Возникнув  в конце прошлого века, она  является научной дисциплиной,  которая играет громадную роль  в различных современных технологиях  химических производств.

Характер и назначение продукции химических предприятий, призванной удовлетворять самые  разнообразные потребности промышленности, сельского хозяйства, медицины, обороны, населения, определяют одно из ведущих  мест этой отрасли в отечественной  экономике.

 Продукция химических  предприятий весьма разнообразна: собственно химические продукты (минеральные удобрения, ядохимикаты  и пр.) и изделия (резиновые,  пластмассовые). Многообразие выпускаемой  продукции, потребляемой практически  всеми отраслями народного хозяйства,  и ее широкий ассортимент (многие  десятки тысяч видов) определяют  весьма широкие межотраслевые  и внутриотраслевые связи химических  предприятий, развитое межотраслевое  и внутриотраслевое кооперирование.

Биотехнологии предметом  курса являются принципы биохимической  и пищевой технологии, основанные на законах биохимии, гидромеханики, теплофизики, массопередачи и механики твердых тел, а также основные технологические требования, предъявляемые к конструкции соответствующих аппаратов и машин, и способы выполнения этих требований.

 Целью изучения  дисциплины является:

– овладение методами теоретического расчета, проектирования и оптимизации различных процессов  и аппаратов биотехнологических производств;

– получение комплекса  знаний, необходимых для осознанного  и рационального использования  в будущей профессиональной деятельности различных типов аппаратов и  машин биотехнологического назначения.

 Таким образом,  овладение наукой о процессах  и аппаратах позволит специалисту  осуществлять в производственных  условиях оптимальные технологические  режимы, повышать производительность  аппаратуры и улучшать качество  продукции; даст возможность разрабатывать  и применять более прогрессивные  технологические схемы и аппараты  при создании новых производств,  правильно оценивать и реализовывать  результаты лабораторных исследований  кинетики конкретных процессов.

 Одной из общепринятых  классификаций процессов является  классификация по научным дисциплинам,  методы которых являются основой  для объяснения их закономерностей.  Такой классификацией является  их разделение на:

• гидродинамические

•  механические

• Гидромеханические

• тепловые

• массообменные

• биохимические

1. Гидродинамические  процессы имеют место при движении  жидких перерабатываемых и вспомогательных  сред по трубопроводам и элементам  аппаратов, происходящем под действием  градиента давлений, создаваемого  гидравлическими машинами – насосами, входящими в их состав.

2. Механические процессы  обусловлены действием механических  сил, а их результатом является  изменение размеров и формы  частиц продукта. Эти процессы  реализуются в мельничных комплексах, дробилках, прессах, штампах, валковых  и шнековых нагнетателях (экструдерах), устройствах сепарирования сыпучих  веществ и многих других.

3. Гидромеханические  процессы протекают под влиянием  суммы механических (в частности,  центробежных или гравитационных) и гидродинамических воздействий,  а их результатом является  пространственное перемещение отдельных

агломератов продукта или смеси продуктов. Местом действия данных процессов являются биореакторы (ферментеры), фильтры, гравитационные отстойники, экстракторы, центрифуги, сепараторы, циклоны и другие виды оборудования.

4. Тепловые процессы  обусловлены действием разности  температур. Результат их действия - перемещение в пространстве  теплоты (тепловой энергии). Данные  процессы совершаются в нагревателях, охладителях, выпарных аппаратах,  а также в подавляющем большинстве  других биотехнологических машин  и аппаратов. К тепловым процессам  примыкают процессы получения  холода. Они используют одни и  те же термодинамические зависимости,  одинаковые принципы решения  теплотехнических проблем; часть  теплотехнических устройств, используемых  в них, являются одинаковыми.  Однако, традиционно тепловые и холодильные процессы рассматриваются обособленно.

5. Массообменные  (диффузионные) процессы протекают  под действием разности концентраций  веществ. Их результатом является  перемещение в пространстве массы  (отдельных компонентов смеси  веществ). Эти процессы реализуются  в абсорберах, адсорберах ректификационных  колоннах, сушилках, кристаллизаторах, растворителях, экстракторах, мембранных  аппаратах и другом оборудовании.

6. К биохимическим  процессам относят процессы направленной  жизнедеятельности микроорганизмов,  скорость протекания которых  определяется приростом биомассы  или продуктов метаболизма. Биохимические  процессы проводят в био -реакторах (ферментерах), пастеризаторах и стерилизаторах.

Теоретические основы процесса

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

В промышленности процессы абсорбции применяются главным  образом для извлечения ценных компонентов  из газовых смесей или для их очистки  от вредных примесей. Для проведения процессов абсорбции применяют  абсорбенты, обладающие избирательной, селективной способностью. Абсорбционные  процессы обычно сопровождаются тепловыми  явлениями. При этом в большинстве  случаев наблюдается выделение  тепла.

Примерами использования  процессов абсорбции в промышленности могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих  установках, получение соляной и  серной кислот, аммиачной воды, очистка  газовых выбросов от вредных примесей, выделение ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т.д.

Жидкие поглотители  ( абсорбенты ) выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов.

Растворимость газов  в жидких поглотителях зависит:

• От физических и химических свойств газовой и жидкой фаз;
• От температуры;
• От давления газа в смеси.

Протекание абсорбционных  процессов характеризуется их статикой и кинетикой. Статика абсорбции. т.е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри. Кинетика абсорбции определяется движущей силой процесса, т.е. степенью отклонения системы от состояния равновесия, свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способ соприкосновения фаз. Кинетика - основными уравнениями массопередачи.

Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционные установки, основным элементом которых являются абсорбционные аппараты.

Абсорбционные аппараты классифицируются в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт газа ( пара) и жидкости:

По технологическому назначению абсорбционные аппараты подразделяются на аппараты установок  осушки, очистки газа, газораспределения  и т.д.

В зависимости от внутреннего устройства различают  тарелочные, насадочные, распылительные , роторные ( механические), поверхностные и каскадные абсорберы. Наиболее широко распространены тарелочные  и насадочные аппараты.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением выше атмосферного.

При выборе типа аппарата следует учитывать технологические  требования к процессу и его экономические  показатели.

Пленочные аппараты ( к которым относятся также абсорберы с регулярной насадкой ) незаменимы при проведении процесса в условиях разрежения, поскольку их гидравлическое сопротивление самое низкое. Пленочные и насадочные колонны предпочтительнее также для обработки коррозионных сред и пенящихся жидкостей.

Тарелочные  колонны для крупнотоннажных производств при относительно малых расходах жидкости, недостаточных для равномерного смачивания насадки, а также для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры, так как периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушить хрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отвода теплоты. Тарелочные колонны также применяются при обработке потоков с твердыми примесями или при выделении твердого осадка.

Статика процесса абсорбции

Равновесие между  фазами определяется правилом фаз Гиббса: число параметров ( или степенью свободы ) С процесса равно числу компонентов К минус число фаз Ф плюс 2:

С= К –  Ф + 2                                                 2. стр. 324. ( 10.1.)

Правило фаз представляет собой наиболее широкое обобщение  условий гетерогенного равновесия.

Процесс абсорбции  осуществляется в двухфазной ( газ  –жидкость ) трехкомпонентной ( хотя бы один целевой компонент в газовой смеси, инертный газ, жидкий поглотитель ) системе.

Согласно правилу  фаз число степеней свободы этой системы равно трем ( С = К – Ф + 2 = 3 – 2 + 2 = 3 ). Следовательно, не нарушая равновесия в системе, можно варьировать тремя ее параметрами ( например, температурой, давлением и составом одной из фаз ).

В двухфазной системах газ – жидкость равновесие обычно выражается в виде фазовых диаграмм состав – состав или состав –  свойство ( например, состав – давление или состав – температура кипения ).

Для абсорбционно- десорбционных процессов равновесие между газами и их растворами в жидкости описывается законом Генри, по которому при данной температуре количество газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорционально давлению газа над ней:

P*=K x,                                                                     2.стр.325. (10.2.)

Где P* - равновесное парциальное давление растворяемого газа; х – содержание растворенного газа в жидкости; К – константа Генри, зависящая от свойств растворенного газа и поглотителя, а также от температуры, имеет размерность давления.

Закон Генри хорошо согласуется с опытом для слабо растворимых газов, а также для низких концентраций хорошо растворимых – газов. Для них фактически растворимость при высоких концентрациях оказывается ниже, чем это следует из закона Генри.

Так как растворимость  многих газов значительно отклоняется  от закона Генри, то при расчетах рекомендуется  пользоваться полученными из опыта  значениями равновесного парциального давления р* для соответствующих значений х.

Материальный  баланс и расход абсорбента

Примем расходы  фаз по высоте аппарата постоянными  и выразим содержание поглощаемого газа в относительных мольных  концентрациях. Обозначим: G – расход инертного газа, кмоль/сек; y _Н и y _К – начальная и конечная концентрации абсорбента в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; x _Н и x _К – начальная и конечная концентрации поглощаемого газа в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента.

 Тогда уравнение материального баланса будет:

G(y _н – y _к)= L(x _к –x _н)= M ,                                                     1.стр118. (26)

где М – количество компонента, перешедшее из одной фазы в другую, кмоль/сек.

Откуда уравнение  рабочей линии

.                                                               2. Стр.327.(10.7.)

Последнее уравнение  показывает, что изменение содержания целевого компонента в абсорбере  происходит линейно и, следовательно, в координатах Y-X рабочая линия процесса представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен L/G.