Прямоточна і проти точна схеми

 

У технологічних процесах найбільш широко використовуються безперервні процеси абсорбції.

При прямоточній схемі взаємодії газу (пари) і рідини (рис. 8.1) їхні потоки рухаються паралельно один одному.

При протитічній схемі взаємодії газу (пари) і рідини (рис. 8.2) їхні потоки рухаються в протилежних напрямках.

Зіставлення умов проведення прямоточного і протитічного процесів абсорбції показує, що протитічний процес дозволяє забезпечити більш високу кінцеву концентрацію речовини, що поглинається, в абсорбенті і меншу витрату абсорбенту, але середня рушійна сила процесу при цьому менше, а отже, протитічні апарати вимагають велику поверхню контакту фаз, що часто зв'язано зі збільшенням загальних розмірів самих апаратів.

Схеми з рециркуляцією передбачають часткове повернення в масообмінний апарат або рідини, або газу. При цьому рециркуляцію рідини (рис. 8.3) здійснюють у тому випадку, якщо стадією процесу, що лімітує, є перехід речовини від поверхні розподілу фаз у рідину, а рециркуляцію газу (рис. 8.4) — коли стадією, що лімітує, є перехід речовини з газової фази до поверхні розподілу фаз.

При протитічній схемі абсорбції з рециркуляцією рідини (див. рис. 8.3) газ проходить через апарат знизу нагору, і концентрація речовини, що розподіляється, у ньому змінюється від до . Рідина підводиться до верхньої частини апарата при концентрації речовини, що розподіляється , потім змішується з вихідної з апарата рідиною, у результаті чого концентрація підвищується до . Робоча лінія представляється на діаграмі відрізком прямої, крайні точки його мають координати , і Y_к, Х_см відповідно.

Величину легко знайти з рівняння матеріального балансу.

Позначимо відношення кількості поглинаючої рідини на вході в апарат до кількості свіжої поглинаючої рідини через п.

Тоді

 

 

Рис.8.1 Рис.8.2

Рис. 8.3

 

Схеми абсорбції з рециркуляцією

 

При протитічній схемі абсорбції з рециркуляцією газу (пари) (див. рис. 8.4) поглинаюча рідина підводиться до верхньої частини апарата з концентрацією , взаємодіє з висхідним газовим потоком і відводиться з нього з концентрацією . Початкова концентрація компонента, що поглинається, у газі -, кінцева -. Після повернення частини вихідного газу і змішання його з вихідним концентрація газової суміші, що направляється в абсорбер, зменшується і стає . Положення робочої лінії визначають крапки , і , .

Позначивши відношення подаваного в абсорбер газу до свіжого газу, що очищається, через n, запишемо рівняння матеріального балансу

 

 

визначимо значення ординати

 

 

Важливою особливістю схем з рециркуляцією рідини і газу є збільшення швидкості руху рециркулюючої фази через процесс шляхом збільшення її загальної витрати, що приводить до збільшення коефіцієнта масовіддачі (масопередачі) по цій фазі при деякому зменшенні рушійної сили процессу.

 

 

Рис. 8.4

При рециркуляції рідині в гілці рециркулюючого абсорбенту може бути встановлений холодильник (див. рис. 8.3) для відведення теплоти, яка виділяється в процесі, що дозволяє інтенсифікувати процес абсорбції шляхом збільшення розчинності газу.

Десорбція

Десорбція — процес виділення поглиненого газу з абсорбенту, який виробляють з метою регенерації поглинача для його повторного використовування або отримання раніше уловленого компоненту в чистому вигляді.

Десорбція може здійснюватися:

• відгоном в струмі інертного газу і водяної пари, яку приводять в зіткнення з розчином після проведення процесу абсорбції. Як інертний газ може використовуватися повітря, в яке виділяється поглинений компонент. Оскільки подальше розділення інертного газу і компоненту утруднене, даний метод застосовують в тих випадках, коли витягнутий з абсорбенту компонент надалі не використовується.

Водяну пару як десорбуючий агент застосовують для витягання нерозчинних у воді газів. При цьому суміш десорбованого газу і водяної пари з десорбера направляють в конденсатор, в якому відбувається відділення газу від водяної пари шляхом конденсації останнього. Якщо ж температура кипіння десорбованого компоненту висока, то його конденсують спільно з водяною парою і потім відділяють від води відстоюванням;

• нагріванням абсорбенту, яке приводить до зсуву рівноваги у бік десорбції і випаровуванню десорбованого компоненту. Оскільки разом з витягуваним компонентом частково випаровується сам абсорбент, надалі потрібне додаткове розділення суміші, що утворюється;

• зниженням тиску над абсорбентом до атмосферного, якщо абсорбція проводилася при надмірному тиску, і вакуумуванням з відсмоктуванням компоненту, що виділився, якщо абсорбція проводилася при атмосферному тиску.

У ряді випадків для повнішої регенерації абсорбенту два останні способи об'єднують разом, а також застосовують процес ректифікації.

Лекція 9

КОНСТРУКЦІЇ АБСОРБЕРІВ

 

Апарати абсорбції залежно від форм контакту газу (пари) і рідини ділять на абсорбери: поверхневі, плівкові, насадкові, барботажні, розпилюючі.

Поверхневі абсорбери

Поверхневі абсорбери використовуються для поглинання добре розчинних газів і їх компонентів з виділенням великої кількості теплоти, оскільки ці апарати забезпечені високоефективною системою її відведення. В той же час ці апарати застосовуються при невисоких навантаженнях по газу, оскільки поверхня масопередачі у них недостатньо розвинена.

 

До апаратів такого типу відноситься зрошувальний абсорбер (рис. 9.1), що складається з декількох рядів горизонтальних труб 1, зрошуваних зовні водою. Необхідний рівень рідини (абсорбенту) в кожному елементі підтримується за допомогою зливного порогу 2.

Пластинчастий абсорбер (рис. 9.2) складається з двох систем каналів. По каналах великого перетину 1 рухаються протитечією газ і рідина (абсорбент), по каналах меншого перетину 2 — охолоджуюча вода. Пластинчасті абсорбери можуть бути виготовлені з графіту, оскільки він добре проводить теплоту і є вельми стійким хімічно матеріалом.

Поверхневі абсорбери мають обмежене застосування унаслідок громіздкості і відносно малої ефективності.

 

Плівкові абсорбери

У плівкових абсорберах газ контактує з плівкою рідини (абсорбенту), що стікає по поверхнях різних конфігурацій.

Трубчастий плівковий абсорбер (рис. 9.3) по конструкції близький до вертикального кожухотрубного теплообмінника. Рідина (абсорбент) подається на верхню трубну решітку 1 і стікає по внутрішній поверхні трубок 2 у вигляді плівки. Газ рухається усередині трубок від низу до верху (протитечія). Охолоджуюча вода подається в міжтрубний простір.

Абсорбер з листовою насадкою (рис. 9.4) виконаний у вигляді колонного апарату з насадкою з вертикальних листових пластин 2, над якими розташовано розподільний пристрій 1 для подачі рідини (абсорбенту), що стікає у вигляді плівки з обох боків кожної пластини. Газ рухається протитечією руху плівки від низу до верху.

Рис. 9.1 – Схема зрошувального поверхневого абсорбера: 1 – труба; 2 – зливний поріг

 

Проте в апаратах таких конструкцій відсутня можливість відведення теплоти.

Достоїнством цих апаратів є низький гідравлічний опір, недоліком — невелика питома поверхня контакту фаз, що доводиться на одиницю об'єму апарату абсорбції.

 

Рис. 9.2 – Схема пластинчатого абсорбера: 1 – канал для руху газу і рідини; 2 – канал для охолоджуючої води

Абсорбер з висхідною плівкою (рис. 9.5) складається з вертикальних труб 1, закріплених в трубних решітках 2. Газ з камери 3 проходить через патрубки 4, розташовані співвісно трубам 1. Абсорбент поступає в труби через щілини 5.

Рухомий з високою швидкістю газ захоплює рідину у вигляді плівки у напрямі свого руху (від низу до верху), тобто апарат працює в режимі висхідного прямотоку. Після виходу з труб 1 рідина зливається на верхню трубну решітку і виводиться з абсорбера.

Рис. 9.3 – Трубчатий плівковий абсорбер:

1 – трубна решітка; 2 – трубки для стікання рідини плівкою

Для відведення теплоти абсорбції по міжтрубному простору пропускають охолоджуючий агент (воду). Для збільшення ступеня витягання застосовують абсорбери, що складаються з двох або більш ступенів, кожний з яких працює за принципом прямотоку, тоді як в апараті в цілому газ і рідина рухаються протитечією один до одного. У апаратах з висхідним рухом плівки унаслідок великих швидкостей газового потоку (до 30...40 м/с) досягаються високі значення коефіцієнтів масопередачі, але, разом з тим, гідравлічний опір цих апаратів відносно великий.

 

9.3 Насадкові абсорбери

Насадкові абсорбери — колонні апарати, заповнені насадками — твердими тілами різної форми (рис. 9.6). Основним призначенням насадки є розподіл плівки рідини по всій поверхні для створення розвиненої поверхні міжфазового контакту.

Ефективна насадка повинна відповідати наступним вимогам: володіти великою поверхнею в одиниці об'єму; добре змочуватися зрошуючою рідиною; чинити малий гідравлічний опір газовому потоку; рівномірно розподіляти зрошуючу рідину; володіти хімічною стійкістю до дії рідини і газу, що контактує в апараті; мати малу питому вагу; володіти високою механічною міцністю; мати низьку вартість.

Рис. 9.4 – Плівковий абсорбер з плоскопаралельною листовою насадкою: 1 – розподільчий пристрій для рідини; 2 -- пластини

 

Рис.9.5 -- Схема абсорбера з висхідною плівкою рідини:

1 — труба; 2 — трубна решітка; 3 — камера; 4 — патрубок; 5 — щілина

 

Рис. 9.6

У насадковій колоні (рис. 9.7) насадка 1 укладається на опорні решітки 2, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини, яка за допомогою розподільника (розбризкувача) 4 рівномірно зрошує насадкові тіла і стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірний розподіл рідини по перетину колони звичайно не досягається, оскільки через різний гідравлічний опір насадки і вплив пристінних ефектів, вона має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметру насадку іноді укладають шарами (секціями) заввишки 2… 3 м і під кожною секцією, окрім нижньої, встановлюють перерозподілювачі рідини 3.