Насадочные адсорберы

Насадочные  абсорберы должны работать с максимально  возможными скоростями газового потока, при которых насадка не захлебывается. Обычно эта скорость превышает половину скорости захлебывания. Для колец Рашига ее можно принимать до 60...80%, для седлообразных насадок - до 60...85% от скорости захлебывания. 
 

                                                  

                                                   
 

                               

                                   

                                   Рис. 6.2 Конструкции распределительных тарелок 
 

                      

                                             Рис. 6.1 Конструкция насадочной колонны 
 
 
 

Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих  в колонну, должно соответствовать  оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя.

   Рассмотрим гидродинамические режимы в противоточных насадоч-ных колоннах, используя графическую зависимость гидравлического со-противления орошаемой насадки от скорости газа в колонне (рис. 6.3).

    Первый  режим – пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения на малых скоростях газа. В этом режиме отсутствует влияние газового потока на скорость стекания по насадке жидкой пленки и, следовательно, на количество задерживаемой в насадке жидкости. Пленочный ре-жим заканчивается в первой переходной точке А на рис. 3.5, называемой точкой подвисания.

    

    Рис. 6.3. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от ско-рости газа в колонне: 1 – сухая насадка; 2 - орошаемая насадка.

    Второй  режим - режим подвисания (или торможения). После точки А повышение скорости газа приводит к заметному увеличению сил трения о жидкость на поверхности контакта фаз и подтормаживанию жидкости га-зовым потоком. Вследствие этого скорость течения пленки жидкости уменьшается, а ее толщина и количество удерживаемой жидкости в насадке увеличиваются. В режиме подвисания с повышением скорости газа нарушается спокойное течение пленки жидкости, появляются завихрения, брызги, увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно - интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается в точке В.

    Третий  режим - режим эмульгирования — возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объеме насадки 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 на-садки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Пу-тем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки (отрезок ВС на рис. 3.5).

    Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн преимущественно  вследствие увеличения контакта фаз, который  в этом режиме определяется не столько поверхностью насадочных тел, сколько поверхностью образующейся газожидкостной эмульсии, заполняющей весь свободный объем насадки. Следует отметить, что это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается рез-ким увеличением ее гидравлического сопротивления (отрезок ВС). В наса-дочных колоннах без специальных устройств поддерживать режим эмуль-гирования очень трудно, так как мал интервал изменения скоростей газа, при котором насадочная колонна работает в этом режиме (между точками В и С). Поэтому разработана специальная конструкция эмульгационной колонны (см. рис. 3.3, в).

    Как правило, работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер ра-ботает при повышенных давлениях). Поэтому большинство насадочных адсорберов работает в пленочном режиме (т. е. при скоростях газа до точ-ки А). Пределом устойчивой работы насадочных колонн является скорость газа, соответствующая точке инверсии (или захлебывания).

Четвертый режим (от точки С на рис. 3.5 и выше) - режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газом. Этот режим в технике не используется. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. Расчет насадочных абсорберов 

Целью расчета насадочных абсорберов является: определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопротивления аппарата.

Расчеты характеристик насадочных абсорберов выполняют в следующем порядке: 

1. Определяют  количество ингредиентов отбросных газов, составляют материальный баланс, определяют начальные и конечные концентрации загрязнителей в обеих фазах, расход поглотителя. 

2. Строят  графики равновесной и рабочей линии процесса.  

 Для  этого вначале концентрации улавливаемого вещества выражают в долях от количества постоянных компонентов - инертной части газового потока по газовой фазе и чистого поглотителя по жидкой фазе. Затем по опытным данным строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции. 

В состоянии  равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость  между концентрациями распределяемого  вещества, которая при равновесии системы называется равновесной. Очевидно, что любой концентрации X соответствует равновесная концентрация Y*, инаоборот, любой концентрации Y соответствует равновесная концентрация Х*, т.е. 

                                                      X = f (Y*);Y = f (X*).

В состоянии  равновесия при условии постоянства  температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доли в растворе:

                                  pA = E * x A ,

или растворимость  газа в жидкости при данной температуре  пропорционально его парциальному давлению над жидкостью: 

                                                   

где E - коэффициент пропорциональности называемый константой Генри; pA - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию xA (в мол. долях); xA - концентрация газов в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно pA.

При отсутствии опытных данных можно составить  уравнение равновесного распределения поглощаемого компонента в жидкой и газовой фазах по давлению насыщенного пара этого вещества, считая разбавленные растворы идеальными и подчиняющимися закону Рауля. Например, известно, что упругость паров толуола при 20°С составляет около 3000 Па. Отсюда равновесную концентрацию толуола в газовой фазе у* можно приближенно находить по его содержанию в жидкой фазе х из соотношения:

                                                  у* = (3.103/1,01.105)x = 0,0296.x, 

где у и х выражены в мольных долях. 

3. Определяют  движущую силу массопередачи.

 

Движущие  силы подсчитывают по концентрациям загрязнителей в газовой и жидкой фазах на входе в абсорбер и выходе изнего как разность между действительной концентрацией загрязнителя в рассматриваемой фазе и равновесной с контактирующей фазой (последнюю находят по линии равновесия или по конкретному уравнению линии равновесия).

Средние движущие силы процесса абсорбции подсчитывают, исходя из модели идеального вытеснения, по выражению: 

                                                     ΔYср = (ΔYб – ΔYм)/ln(ΔYб/ΔYм),

или

                                                     ΔXср = (ΔXб – ΔXм)/ln(ΔXб/ΔXм) 

где ΔYб(м), ΔХб(м) - большие (меньшие) движущие силы процесса соответственно по газовой и жидкой фазам. 

4. Определяют  рабочую скорость газового потока.  

Тип насадки  подбирают исходя из условий обеспечения достаточной площади поверхности массоотдачи, коррозионной стойкости, прочности, долговечности, приемлемого перепада давления в колонне, стоимости, других факторов. Рабочую скорость газа w принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки.

Скорость  газа при захлебывании вычисляют  из уравнения: 

                                   

где w0 - скорость газового потока при захлебывании, м/с; f - удельная поверхность насадки, м2/м3; ρг - плотность газа, кг/м3; ρж - плотность жидкости, кг/м3; εс - свободный объем насадки, м3/м3; g = 9,8м/с2; μж - вязкость жидкости, мПа.с; μж - вязкость стандартной жидкости (воды), мПа.с; G, L - расход газа, жидкости, соответственно, кг/ч (кг/с); А, В - коэффициенты, принимаются в зависимости от типа насадки (приложение 5). Значения μж, ρг, ρж принимаются по параметрам среды в абсорбере. 

На практике обычно работают вблизи точек подвисания. Cкорость газа wг принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки:

                                                     

                                                                        wг = (0,75…0,9)w0.