Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии
скачать (4601.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4602kb.04.12.2012 02:27скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

7.1.1 Физическая сущность процесса абсорбции



При абсорбции происходит контактирование газовой фазы, состоящей из газа-носителя и поглощаемого компонента, с жидким поглотителем. В результате их взаимодействия поглощаемый компонент из газовой фазы переносится в жидкую фазу, из аппарата выходит газовая фаза, не содержащая поглощаемый компонент, и жидкая фаза, состоящая из абсорбента и поглощаемого компонента. Процесс сопровождается выделением тепла (подвижность молекул в газе больше, чем в жидкости, поэтому при переходе из газа в жидкость энергия понижается и выделяется тепло).

Если в процессе концентрация компонента изменяется от Х1 до Х2, то количество тепла определяется как

, (7.1)

где L – расход абсорбента, кг·кмоль/с:

qраст. – интегральная теплота растворения, кДж/кмоль.

Если предположить, что все тепло пойдет на нагрев жидкости, то тогда изменение температуры жидкости можно вычислить по формуле

, (7.2)

где с – удельная теплоемкость абсорбента (теплоемкость смеси абсорбента и поглощаемого компонента), кДж/кмоль·К.

7.1.2 Равновесие при физической абсорбции



В процессе абсорбции возникает система, состоящая из трех компонентов (К = 3) и двух фаз (Ф = 2). Равновесие в системе «газ – жидкость» определяется правилом фаз Гиббса: С=К – Ф + 2 = 3 – 2 + 2 = 3.

Следовательно, число ступеней свободы равно общему числу компонентов. В этом случае можно произвольно изменять давление, температуру и концентрацию одной из фаз по распределяемому компоненту.

На практике при проведении абсорбции давление и температура остаются постоянными и условие равновесия определяется составом жидкости или газа: .

В случае, если концентрация компонента в газе незначительна, то в расчетах используют закон Генри для идеальных газов. Согласно этому закону, при данной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доле в растворе:

, (7.3)

где Е – коэффициент Генри;

x – концентрация газа в растворе, мол.

При общем давлении (П) в системе и концентрации (у) извлекаемого компонента в газовой смеси парциальное давление этого компонента по закону Дальтона:

. (7.4)

Парциальное давление компонента смеси пропорционально его мольной доли в смеси.

Объединяя эти законы, получим

, (7.5)

где m – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Если смесь не подчиняется законам идеального газа или концентрация велика, то эту зависимость определяют экспериментально.
7.1.3 Материальный баланс абсорбции
Р


Рисунок 7.1 – Схема непрерывного

противоточного процесса
ассмотрим схему элементарного абсорбционного аппарата (рисунок 7.1). В условиях проведения процесса абсорбции распределяемое вещество будет переходить из газовой фазы G в жидкую фазу L, а концентрация извлекаемого компонента в фазе G будет уменьшаться от Yн до Yк, соответственно концентрация в фазе L увеличится от Хн до Хк.
Тогда уравнение материального баланса процесса абсорбции будет выглядеть так:

, (7.6)

где Yн, Yк, Хн, Хк – начальные и конечные концентрации абсорбтива в газовой смеси и в жидкой фазах соответственно.

Обычно из уравнения материального баланса определяют общий расход абсорбента:

. (7.7)

Из этого уравнения следует, что увеличение конечной концентрации абсорбтива в поглотителе приведет к уменьшению расхода последнего, что, в свою очередь, снизит эксплуатационные затраты. Однако уменьшение расхода абсорбента вызовет уменьшение его скорости в аппарате, что приведет к увеличению пограничного слоя, а следовательно, к снижению коэффициентов массоотдачи и массопередачи. Чтобы этого избежать, придется увеличивать высоту аппарата, а это приведет к повышению капитальных затрат.

Рассматривая произвольное сечение аппарата (см. рисунок 7.1), уравнение материального баланса для части аппарата, расположенной выше этого сечения, можно записать следующим образом:

, (7.8)

или

. (7.9)

Уравнение (7.9) называют уравнением рабочей линии. В координатах XY рабочая линия представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен . На диаграмме XY рабочая линия процесса абсорбции располагается выше линии равновесия (рисунок 7.2), так как при абсорбции содержание поглощаемого компонента в газовой фазе выше равновесного.



Рисунок 7.2 – Равновесная и рабочая линии процесса абсорбции
В реальных массообменных аппаратах равновесие не достигается и, следовательно, Хк < Х*, а значит, действительный расход абсорбента всегда должен быть больше минимального. Минимальный расход абсорбента определяется по формуле

. (7.10)

Действительный расход поглотителя можно найти по формуле

, (7.11)

где ? – коэффициент избытка поглотителя.

Оптимальный расход абсорбента будет соответствовать минимуму на кривой суммарных затрат (рисунок 7.3).
С


Рисунок 7.3 – Определение оптимального расхода

абсорбента
умма затрат на поглощение складывается из стоимости газа, капитальных затрат (затрат на амортизацию и ремонт аппарата) и эксплуатационных затрат (затрат на транспортирование газа и десорбцию).

7.1.4 Кинетика процесса

абсорбции



Скорость процесса абсорбции может быть представлена по аналогии с прошлым семестром, так, в соответствии с единым кинетическим законом примени-тельно к абсорбции уравнение массопередачи запишется:

(7.12)

Коэффициенты массопередачи определяются по уравнениям

(7.13)

и

, (7.14)

где – коэффициент массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз, м/с;

– коэффициент массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку абсорбента, м/с.

7.1.5 Промышленные схемы абсорбции



В технике используют следующие схемы абсорбции: одноступенчатые, многоступенчатые, прямоточные, противоточные, с рециркуляцией по жидкости и по газу, без рециркуляции.

На рисунке 7.4 представлены противоточная (а), прямоточная (б) и противоточная с рециркуляцией по жидкости (в) схемы абсорбции.
Д


а – противоточная; б – прямоточная; в – противоток

с рециркуляцией по жидкости

Рисунок 7.4 – Принципиальные схемы абсорбции
остоинства противоточного движения: по данной схеме можно получать более концентрированные растворы; меньший, чем у прямотока расход поглотителя при одинаковых начальных концентрациях.

Достоинства прямотока: низкое гидравлическое сопротивление, движущая сила достигает наибольшего значения, и следовательно, меньшие габариты абсорбера.

Во многих аппаратах стремятся сохранить достоинства прямотока и противотока. Это достигается в секционных аппаратах, где во всей колонне осуществляется противоток, а в секциях – прямоток, чтобы не было режима захлебывания.

Схемы с рециркуляцией предусматривают многократный возврат в аппарат либо абсорбента, либо газа.

Достоинства рециркуляции: увеличивается смачиваемость насадки.

Недостатки: наличие дополнительного оборудования (насос), дополнительных затрат; движущая сила с рециркуляцией меньше.

Многоступенчатые схемы применяются, когда требуется аппарат большой высоты, поэтому его разбивают на два аппарата поменьше.

Практическое значение имеет противоточная двухступенчатая абсорбция с рециркуляцией абсорбента (рисунок 7.5).
frame22

На диаграмме X–Y (рисунок 7.6) рабочая линия для всей системы изображается прямой АВ, которая состоит из отрезков АС и СВ, соответствующих рабочим линиям отдельных колонн.





Рисунок 7.6 – Рабочая и равновесная

линии двухступенчатой абсорбции
7.1.6 Конструкции абсорберов


Выбор типа абсорбера определяется видом контакта потоков газа и жидкости. Для создания развитой поверхности контакта фаз газ пропускают через колонну с насадкой, орошаемой жидкостью, – насадочные абсорберы (рисунок 7.7), либо через аппарат, в котором жидкость распыливается форсунками или вращающимися механическими элементами – распыливающие абсорберы (рисунок 7.8). Для хорошо растворимых газов используют поверхностные абсорберы, в которых газ пропускают над поверхностью жидкости или над поверхностью текущей пленки жидкости – пленочные (рисунок 7.9). Кроме того, газ может распределяться в жидкости в виде струек и пузырьков – барбот

а – со сплошным слоем насадки; б – с секционной загрузкой насадки

Рисунок 7.7 – Насадочные абсорберы
ажные абсорберы (рисунок 7.10).

К абсорбционным аппаратам предъявляются следующие требования:

– абсорбер должен обладать развитой поверхностью контакта фаз;

– иметь большие предельные нагрузки по жидкости, газу или пару;

– иметь небольшое гидравлическое сопротивление;

– иметь небольшую стоимость и т.д.

Наиболее широкое распространение получили насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы.
frame25



а б

а – пленочный каскадный абсорбер; б – трубчатый абсорбер

Рисунок 7.9 – Пленочные абсорберы


а – с неорганизованным переливом жидкости;

б – с переливными устройствами

Рисунок 7.10 – Барботажные абсорберы

7.1.7 Насадочные аппараты
Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой. Жидкость стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки. Контакт газа со стекающей жидкостью происходит по поверхности смоченной насадки, поэтому насадка должна иметь как можно большую поверхность в единице объема.

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

– обладать большой поверхностью в единице объема;

– хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

– оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

– равномерно распределять орошающую жидкость;

– быть стойкой к химическому воздействию жидкости или газа, движущихся в колонне;

– иметь малую плотность;

– обладать высокой механической прочностью;

– иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, 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. Практическое значение имеют хордовая и кольцевая насадки, спиральная и сетчатая металлические насадки.

При работе насадочных аппаратов наблюдаются следующие гидродинамические режимы: пленочный, подвисания, эмульгирования и режим захлебывания (рисунок 7.11).

Первый режим – пленочный – жидкость стекает в виде пленки. Этот режим наименее интенсивный, но наиболее распространен из-за низкого гидравлического сопротивления.

Второй – режим подвисания – жидкость задерживается в каналах насадки; скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. Газ и жидкость наиболее турбулизованы, увеличивается коэффициент массопередачи.

Третий – режим эмульгирования – газ пробулькивает через жидкость; жидкость накапливается в свободном объеме насадки, соответствует максимальной эффективности насадочных колонн. Коэффициент массопередачи имеет наибольшее значение. Этот режим обладает недостатками: его трудно поддерживать, резко повышается гидравлическое сопротивление, снижается движущая сила процесса.

Ч


1 – сухая насадка;

2 – орошаемая насадка

Рисунок 7.11 – Зависимость

гидравлического сопротивления насадки от скорости газа
етвертый – режим уноса жидкости – режим нерабочий.

Основным показателем работы насадочной колонны является гидравлическое сопротивление, которое определяет энергетические затраты на перемещение газа через аппарат и служит важным показателем режима работы и состояния насадки в колонне.
1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации