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.

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.