МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

КУРСОВАЯ РАБОТА  
ЗАЩИЩЕНА С ОЦЕНКОЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ(А)

Санкт-Петербург 2010 
 

                                                                 Оглавление 

1. Введение…………………………………... ……………………………………………….…….3

2. Конструкции  и принцип действия абсорберов...……………………………………………...4    

3. Насадочные  абсорберы…………………………………………………………………………..5

4. Виды насадок ………………………………………………………………………………….…6    

5. Выбор насадок ……………………………………………………………………………………8

6. Устройство  насадочной колонны  ………………………………………....................................9

7. Расчет насадочных  абсорберов…………………….……………………………………………13 

8. Заключение  ………………………………………………………………………………………22

9. Список литературы ………………………………………………………………………………23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

  Абсорбцией называется перенос компонентов газовой смеси в объем соприкасающейся с ней конденсированной фазы. При абсорбции происходит избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидкими поглотителями.

  Обратный процесс, т.е. удаление из объема конденсированного вещества поглощенных молекул газа, называется дегазацией или де(аб)сорбцией.

  Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем (поглотителем или абсорбентом), вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом, поглощаемое вещество в объеме поглотителя – абсорбатом.

  Абсорбат удерживаются в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции.

  Процесс, завершающийся растворением абсорбата в поглотителе, называют физической абсорбцией (в дальнейшем - абсорбция). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, при этом молекулы абсорбента и молекулы абсорбтива не вступают между собой в химическое взаимодействие. Иногда растворяющийся газ вступает в химическую реакцию непосредственно с самим растворителем. Процесс, сопровождающийся химической реакцией между поглощаемым компонентом и абсорбентом, называют химической абсорбцией (в дальнейшем - хемосорбция). При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

  При физической абсорбции обычно используют в качестве абсорбента воду, а также органические растворители и неорганические, не реагирующие с извлекаемыми компонентами

и их водными  растворами.

  При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей, органические вещества и водные суспензии различных веществ.

  Абсорбция представляет процесс химической технологии, включающей массоперенос между газообразным компонентом и жидким растворителем, осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жидкостью. Аппараты, в которых осуществляют процессабсорбции, называют абсорберы.

  Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией. Если изменяются условия, например, происходит понижение давления над жидкостью или снижается температура, процесс становится обратимым и происходит выделение газа из жидкости. Таким образом, может быть осуществлен циклический процесс абсорбции-десорбции. Это позволяет выделить поглощенный компонент. Сочетая абсорбцию с десорбцией, можно многократно использовать почти без потерь жидкий поглотитель (абсорбент) в замкнутом контуре аппаратов: абсорбер-десорбер-абсорбер (круговой процесс), выделяя поглощенный компонент в чистом виде.

  Абсорбция — наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, например, в химической промышленности. Абсорбцию широко применяют для очистки выбросов от сероводорода, других сернистых соединений, паров соляной, серной кислот, цианистых соединений, органических веществ (фенола, формальдегида и др.). Для более полного извлечения компонента из газовой смеси при физической абсорбции необходимо использовать принцип противотока с непрерывной подачей в абсорбер свежего раствора. Абсорбционная система может быть простой, в которой жидкость применяется только один раз и удаляется из системы без отделения абсорбированного загрязнения. В другом варианте загрязнение отделяют от абсорбирующей жидкости, выделяя её в чистомвиде. Затем абсорбент вновь подают на стадию абсорбции, снова регенерируют и возвращают в систему. 

    Актуальность  данной темы весьма велика, она определяется тем, что:

- Эта  тема необходима для нахождения  оптимальных и эффективных способов  подбора насадочных абсорберов, для их использования при различных  условиях.

- Необходимо  знать конструкции абсорберов, для  их последующего расчета. 

    Основная  цель данной работы:

    рассмотреть конструкции и принцип действия насадочных абсорберов.

    Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

    -     проанализировать литературу по  данному вопросу;

    -     выбрать необходимые типы абсорберов;

    -     рассмотреть процессы протекающие в них.

    -     рассмотреть способы расчета  насадочных абсорберов.  

2. Конструкции и  принцип действия  абсорберов  

Процессы  абсорбции проводят в специальных  аппаратах - абсорберах.Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на развитой поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем). По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, их можно подразделить на че-тыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (та-рельчатые); 4) распыливающие или распылительные (брызгальные).

   В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

   Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы, которая служит для увеличения поверхности контакта соприкасающихся фаз - газа и жидкости.

   Многочисленные типы барботажных абсорберов можно разделить на три основные группы:

    - абсорберы со сплошным барботажным слоем, в которых осуществляется непрерывный контакт между фазами;

    - абсорберы тарельчатого типа  со ступенчатым контактом между фазами, причем ступени (тарелки) размещены в одном аппарате;

    - абсорберы с механическим перемешиванием  жидкости.

   Барботажные абсорберы тарельчатого типа, имеющие наибольшее применение, выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции та-релки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

   В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы:

    1) форсуночные распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками;

    2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока;

    3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями.

   По способу организации массообмена абсорбционные устройства принято делить на аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. К устройствам с непрерывным контактом можно отнести насадочные колонны, распылительные аппараты (полые скрубберы, скрубберы Вентури, ротоклоны и др.), однополочные барботажные и пенные устройства, а к устройствам со ступенчатым контактом - тарельчатые колонны, многополочные барботажные и пенные устройства.

   Часть подобных устройств применяются для мокрой пылеочистки. В принципе их можно было бы использовать и для совместного улавливания дисперс-ных и газовых загрязнителей, однако осуществить это на практике удается редко. Очистные устройства создавались и совершенствовались либо для поглощения газообразных примесей, либо для пылезолоулавливания. Поэтому современные абсорберы для улавливания газообразных примесей не приспособле-ны для обработки потоков с дисперсными загрязнителями, а высокоэффектив-ные пылезолоуловители, как правило, непригодны для сколько-нибудь сущест-венного извлечения газообразных вредностей. Серийные мокрые пылеуловители могут быть использованы только для предварительной обработки с целью осво-бождения газового потока от дисперсных примесей перед абсорбционной обра-боткой. Для абсорбции газовых загрязнителей наиболее часто используются насадочные и тарельчатые колонны. 
 
 

3. Насадочные абсорберы  

   Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы (рис. 3.3) представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств.

Рис. 3.1. Схемы насадочных абсорберов:

а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки:

1 - корпус; 2 - распределитель жидкости; 3 - насадка; 4 -опорные решетки; 

5 - перераспределитель жидкости; 6 - гидравлические затворы; в - эмульга-ционная насадочная колонна: 1 - насадка; 2 - сетка, фиксирующая насадку; 3 - гидравлический затвор; 4 - опорная решетка; 5 - распределитель газа.

    В насадочной колонне 1 (рис. 3.1, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерное распределение жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам и практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колон-ны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто на-садку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3…4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 3.1, б), назначе-ние которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

4. Виды насадок 

Некоторые распространенные типы насадок показаны на рис. 4.1, а характеристики насадок приведены в табл.1.

Рис. 4.1. Виды насадок:

а - насадка  из колец Рашига: 1 - отдельное кольцо; 2 - кольца навалом; 3 - регулярная насадка; б - фасонная насадка: 1 - кольца Палля; 2 - седлообразная насадка «Инталокс»; 3 - кольца с крестообразными перегородками; 4 - керамические блоки; 5 - витые из проволоки насадки; 6 - кольца с внутренними спиралями; 7- пропеллерная насадка; 8 - деревянная хордовая насадка. 

                                                                                                                                                 Таблица 1

В отдельных  случаях используются коксовая и  кварцевая насадки — в виде кусков дробленого кокса и кварца 458 размером 25—50 мм, загружаемых навалом. Будучи дешевыми и химически стойкими, эти насадки характеризуются малой удельной поверхностью (20—70 м'/м³) при порозности около 0,4 и большим гидравлическим сопротивлением. Кроме того, кварцевая насадка имеет большую насыпную плотность, а коксовая подвергается дроблению. 

Широкое применение в промышленности получили в качестве насадки кольца Р а ш и г а —тонкостенные цилиндры высотой, равной их наружному диаметру (рис. 4.1, а-2) Они изготовляются из различных металлов, керамики и пластических масс. Кольца с наружными диаметрами от 10 до 50 мм загружаются в колонну навалом, а кольца больших диаметров — правильными рядами, причем кольца смежных рядов сдвинуты друг относительно друга. Такойспособ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Керамические  кольца с диаметрами 10 -50 мм имеют  соответственно: толщины стенок ^S = 1,5—5 мм, удельные поверхности f = 440 — 90 м²/ м^3. Порозность ε0 = 0,7—0,785 и насыпную плотность рн - 700 — 530 кг/м³. У стальных колец тех же диаметров s = 0,5 —1,0 мм, f = 500-110 м²/ м³, ε0 = 0,88-0,95 и рн = 960 —430 кг/м³.  

Для увеличения удельной поверхности насадки предложены кольца с перегородкой , с крестообразной перегородкой (рис.4.1, б-3), кольца П а л л я — с вырезами в стенках и перегородками (рис.4.1 б-1); будучи сложнее в изготовлении, эти кольца несколько эффективнее благодаря большей удельной поверхности и несколько большей турбулизации встречных потоков газа и жидкости. Но они дороже колец Рашига. 

Все более  широкое применение находят керамические седла Б е р л я, с поверхностью в форме гиперболического параболоида и седла «И и т а л о к с» (рис. 4.1 , б-2) с поверхностью в форме части тора. Имея размеры от 12,5 до 50 мм, седлообразная насадка обладает большей удельной поверхностью, чем керамические кольца Рашига (примерно на 10—30%), при одинаковой порозности и практически равной насыпной плотности. Гидравлическое сопротивление седлообразной насадки несколько ниже, а эффективность существенно выше по сравнению с кольцами Рашига тех же размеров. 

Весьма  эффективной является насадка в  виде полиэтиленовых розеток Теллера, имеющая удельную поверхность 250 м²/ м³и порозность 0,83. По сравнению с кольцами и седлами размером 25 мм эта насадка обеспечивает более высокий объемный коэффициент массопередачи при более низком гидравлическом сопротивлении. 

Очень перспективна металлическая сетчатая насадка «Спрейпак», изготовляемая из полос толщиной 0,5—1,0 им путем их растягивания в ширину после предварительного нанесения продольных прорезей в шахматном порядке. Получаемые решетки соединяются стержнями в пакеты соответственно форме н размерам абсорбера. Насадка допускает скорости газового потока до 3 м/с при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении. 

Хордовую  насадку (см. рис. 4.1,б-8) обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Она состоит из решеток, образуемых поставленными на ребро досками толщиной 10—15 мм и высотой 100—150 мм. Решетки укладываются друг на друга крест-накрест. Недостатком этой насадки даже при зазоре между досками 10 мм является сравнительно небольшая удельная поверхность (100 м²/ м³) при малой порозности (0,55). Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок, часть из которых представлена на рис. 2.За последние годы стали применяться спиральные насадки, выполненные из металлических лент и проволоки, различные металлические сетчатые насадки, а также насадки из стеклянного волокна 
 

5. Выбор насадок 

Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим  основным требованиям:

1) обладать  большой поверхностью в единице  объема; 2) хорошо смачиваться орошаемой  жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое  сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую  жидкость; 5) быть стойкой к химическому  воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

   Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, т.к., например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки, которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмасса и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

     При выборе размеров насадки следует  учитывать, что чем больше размеры  ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно - производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата, несмотря на то, что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата, имеющего насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).

     Мелкая  насадка предпочтительнее также  при проведении процесса абсорбции  под повышенным давлением, т.к. в  этом случае гидравлическое сопротивление  абсорбера не имеет существенного  значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Устройство насадочной колонны 

  Устройство насадочной колонны диаметром 1000 мм и расположение ее конструктивных элементов показано на рис. 6.1.

  Эффективность массопередачи в насадочных колоннах значительно зависит от равномерности

распределения потоков контактирующих фаз, соотношения  их скоростей и условий орошения элементов насадки.

  Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат. При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата. Наличие опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата. Для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, для того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насадкой делают достаточно большим.

  Начальная равномерность распределения абсорбента достигается посредством ее диспергированной подачи на поверхность насадки через распылительные форсунки или распределительные тарелки с большим числом отверстий. При дальнейшем передвижении жидкости ее контактирование с газовой фазой ухудшается из-за оттока к стенкам колонны. Поэтому высоту насадки делят на несколько слоев (ярусов), устанавливая между ними перераспределительные устройства в виде тарелок (рис. 6.2). 

Конструкции тарелок (по ОСТ 26-705-73) распределительных  ТСН-III (а) и перераспределительных ТСН-П (б) для стандартных типоразмеров насадочных колонн показаны на рис. 6.2

Недостаточное орошение элементов насадки ведет  к недоиспользованию поверхности  ее контакта. Значительный избыток жидкости может вызвать частичное затопление насадки, что также ведет к ухудшению контакта фаз на поверхности насадочных элементов. Ориентировочно минимальную плотность орошения ρmin м3/ч на 1 м2 поверхности насадки, можно принять как 0,12 fv, где fv - удельная поверхность насадки, м2/м3, а максимальную плотность орошения - в 4...6 раз выше минимальной.

   Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя. При низких расходах газа наблюдается пленочное стекание жидкости. С увеличением подачи газа наступает момент, когда часть жидкости начинает задерживаться и скапливаться в слое насадки, а его гидравлическое сопротивление быстро растет. Такой режим называют началом (точкой) подвисания (или торможения). Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к запиранию потока жидкости и ее эмульгированию. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Соответствующий режим называют началом (точкой) захлебывания. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения контакта фаз, но это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления.

Скорость  захлебывания снижается с увеличением  отношения расхода жидкости к расходу газа, насыпной плотности насадки и с уменьшением размера насадочных элементов, а также зависит от типа насадки.