Барботажный колпачковый абсорбер

При полном извлечении компонента из газа его содержание в газовой фазе на выходе из абсорбера  было бы Y _к=0, а количество поглощенного компонента составило бы GY _н. Отношение количества фактически поглощенного компонента G(Y_н-X_к ) к количеству, поглощаемому при полном извлечении, называется степенью извлечения:

C= (Y_н-Y_к)/ Y_н                                                                            2.стр 327. (10.3.)

Тепловой  баланс

При растворении  газа в жидкости выделяется большое  количество теплоты. При отсутствии отвода теплоты температура повышается, что ведет к возрастанию равновесного парциального давления компонента, изменению  положения линии равновесия, уменьшению движущей силы процесса, ухудшению  условий абсорбции.

Практически процесс  абсорбции проводится с интенсивным  отводом теплоты, чтобы температура  раствора в аппарате повышается незначительно.

Количество теплоты Q ( в ВТ ), выделяющейся при абсорбции, равно:

                                                                                          3.стр.208. (8.15. )

Где Ф – дифференциальная теплота растворения,  Дж/кг

Если абсорбция  ведется без отвода теплоты, можно  считать, что вся выделяемая теплота  идет на нагревание жидкости:

                                                                                            3.стр.208. ( 8.16. )

Приравняв правые части  уравнений ( 8.15 ) и ( 8.16 ),получим уравнение теплового баланса абсорбера, работающего без отвода теплоты:

                                                                                    3.стр.208 (8.18.)

Расход  абсорбера

В реальном абсорбционном  аппарате равновесие между фазами не достигается и всегда Х _к<Х _к^*, где Х _к^* содержание поглощаемого газа в жидкости, находящееся в равновесии с поступающим газом. Следовательно, величина L должна быть больше L_мин. С увеличением расхода поглотителя уменьшается требуемая высота абсорбера, но возрастают расходы на десорбцию, перекачивание поглотителя и т.д.

На расход абсорбента влияют температура и давление, при  которых проводят процесс. Если равновесная зависимость описывается уравнение Генри в формуле, то можно записать уравнение минимального орошения, получим:

                                                                                                      2.стр.328. (10.10.)

При прочих равных условиях с увеличением общего давления расход поглотителя уменьшается. С повышением температуры увеличивается значение константы Генри К,  и расход поглотителя возрастает.

Кинетика  процесса абсорбции

Скорость процесса абсорбции характеризуется уравнениями  массопередачи:

                                      2.стр.328.

Где К _у и К _х – коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах, соответственно; ∆Y _ср  и ∆X_ср   - средние движущие силы, выраженные в относительных мольных долях, соответственно.

Пользуюсь этими  уравнениями, обычно находят площадь  поверхности контакта фаз  F и по ней рассчитывают основные размеры аппарата.

В уравнениях массоперерачи коэффициенты  К _у и К _х определяются следующим образом: 

                                                                                 2.стр329.

Где β _{у –} коэффициент массотдачи от газа к поверхности контакта фаз; β _х- коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз жидкости; m – коэффициент распределения.

 
Обоснование выбора конструкции аппарата

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.

В настоящие время  в промышленности применяются разнообразные  конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива можно подразделить на колонны:

• С тарелками со сливными устройствами и

• 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 колонны трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождение газа через сливное устройство Принцип работы колонн такого типа виден из рис.XI-16, 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 удаляются 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.

 рис. Х1-16Тарельчатая колона со сливными устройствами: 1 – тарелка; 2 – сливные устройства.

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 ограниченных порогом –– переливом.

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

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 величину поверхности контакта фаз.

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 сетчатыми тарелками (рис. XI-18) 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. 

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.

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми ( тарелками рис. Х1-19). Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 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 4 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. 

На рис. Х1-20 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно» Сечение и  форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких  прорезей, так - как при этом газ  разбивается на более мелкие струйки, что спосоосгвует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом жидкости (рис. Х1-21, а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т. д.

Тарелка с диаметральным переливом жидкости (рис. Х1-21, б) представляет собой срезанный с двух сторон диск /, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой — сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рис.1.11. схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая  из тарелок 1, на каждой из которых имеется  один колпачок 2 круглого сечения и  патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря  этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют  отверстия или зубчатые прорези  для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности  его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод  жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены  на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет  на соседних тарелках во взаимно противоположных  направлениях. 

 
 Рис. 1.11. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.