1.4 Выбор типа абсорбера и абсорбента
Выбор типа абсорбера определяется видом контакта потоков газа и жидкости. Для создания развитой поверхности контакта фаз газ пропускают через колонку с насадкой, орошаемую жидкостью (насадочные абсорберы), либо через аппарат, в котором жидкость распыляется форсунками или вращающимися механическими элементами (распыляющие абсорберы). Для хорошо растворимых газов используют поверхностные абсорберы, в которых газ пропускают над поверхностью жидкости или над поверхностью текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). Кроме того, газ может распределяться в жидкости в виде струек и пузырьков (барботажные абсорберы) [3,4].
Наиболее широкое распространение получили насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы.
1.4.1 Насадочные абсорберы
Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал деревянные решетки и т.д.), которую укладывают в один или несколько слоев(рисунок 5) [4].
Рисунок 5 - Насадочный абсорбер – общая схема (слева) и схемы насадочных абсорберов (справа): 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
Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки: жидкость стекает по насадке в виде пленки, газ движется противотоком [3,4].
В насадочной колонне 1 (рисунок 6, 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 колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку 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. 3.3, б), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ееоси [10].
Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, вследствие чего насадочные абсорберы можно рассматривать как разновидность пленочных. В то же время между насадочными и пленочными абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, имеются различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, тогда как в насадочном - лишь по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Некоторая часть жидкости при этом проваливается в виде капель через расположенные ниже слои насадки. При определенных условиях пленочное течение жидкости в насадочных абсорберах нарушается, и контакт между газом и жидкостью осуществляется в режиме барботажа [3].
Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи [3].
В качестве насадок используют кольца, седла, куски кокса или кварца, бруски дерева, полиэтиленовые розетки и др. Некоторые распространенные типы насадок показаны на рисунок 6.
Рис. 6 - Формы элементов насадки: 1 – седло Берля; 2 - кольцо Рашига; 3 – кольцо Палля; 4 - розетка Теллера; 5 – седло «Инталокс»
Выбор насадки определяется как ее химической и механической стойкостью так и характеристиками насадки (удельной поверхностью f (м2м3) и свободным объемом Vc (м2м3)). Обычно в промышленности используют колонны диаметром от 1000 до 3000 мм [3,4].
Поскольку в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:
1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;
2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь возможно большее значение свободного объема или сечения насадки;
3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения ε или;
4) иметь малую плотность;
5) равномерно распределять орошающую жидкость;
6) быть стойкой к агрессивным средам;
7) обладать высокой механической прочностью;
8) иметь невысокую стоимость [10].
Максимальную поверхность контакта на единицу объема образуют седлообразные насадки "Инталокс" и Берля. Они имеют и минимальное гидравлическое сопротивление, но стоимость их выше, чем колец. Из кольцевых насадок наилучший контакт создают кольца Палля, но они сложны в изготовлении и дороже колец Рашига [10].
В абсорберах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3-5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления. К основным достоинствам насадочных колонн следует прежде всего отнести простоту устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам - сложность отвода теплоты, плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, большие объемы насадки вследствие недостаточно высокой ее эффективности (по сравнению с тарельчатыми аппаратами) [10].