konspect_lectsiy-ln_lm

Y Y

Yп

Yк

YкP'

YкP

H=0 H H=Ha

Рис. 18.3. До визначення впливу перемішування на Y ср

При наявності повздовжнього перемішування на вході до апарату відбувається різке зменшення концентрації від Yп доYп' , рис. 18.3, і відповідне підвищення YкP до YкP', що і зумовлює зменшення Y ср.

Для апаратів з безперервним контактом фаз можливо враховувати вплив перемішування шляхом розрахунку приведеного числа одиниць переносу mпр.

1 1 1 ,

mïð my mD

де my – дійсне число одиниць переносу;

mD – число одиниць переносу, яке враховує повздовжнє перемішування.

mD = Ф + Реприв,

де Ф – коефіцієнт, що залежить від критерію Re рідини та my;

Реприв – дифузійний коефіцієнт Пеклє (приведений), залежить від Рерід і тиску газу.

На величину середньої рушійної сили впливає винесення бризок рідини газом. Особливо це явище суттєво впливає на Дср в апаратах з дискретним контактом фаз. Це явище враховується при побудові робочої лінії процеса.

Матеріальний баланс абсорбції. Визначення мінімальних витрат поглинача

Матеріальний баланс процесу абсорбції

Матеріальний баланс процесу абсорбції характеризує процес переносу маси з однієї фази до другої і для випадку прямотечії та протитечії може записуватись рівнянням:

–GdY= LdX,

де L і G – мольні витрати газової та рідкої фаз за інертним компонентом, кмоль/с.

Для всього абсорбера при зміні концентрації в газовій фазі від Yп до Yк (кмоль цільового компонента/кмоль інертного компонента) і в рідкій фазі від Хп до Хк (кмоль цільового компонента/кмоль абсорбента) рівняння матеріального балансу набуває виду:

G (Yп - Yк) = L (Хк - Хп).

Звідки питомі витрати абсорбенту (поглинача) визначаться як:

На діаграмі Y=f(x) питомі витрати поглинача є тангенсом кута нахилу робочої лінії процесу. l =tg =L/G

Рис. 18.4. Схема до виведення робочої лінії абсорбції

Якщо рівняння матеріального балансу абсорбції в диференціальній формі проінтегрувати в межах – низ апарату та перетин І-І.

Y X

GdY LdX ,

Yn Xê

тоді одержимо:

G(Yn Y ) L( X ê X ) ,

звідки

Y GL Õ Yï GL Õê ,

тобто при сталих значеннях Yп, Хк та L і G отримуємо рівняння прямої виду

Y=AX +B,

де – А=L/G=tg

Визначення мінімальних витрат поглинача

Побудуємо робочу лінію на діаграмі Y-X, рис. 18.5.

YР=f(x)

Рис. 18.5. Схема до визначення мінімальних витрат поглинача

Проводимо аналіз щод вибору концентрації цільового компонента на виході з абсорбера Хк.

Розглянемо випадок, коли Хк прямує до Хп, тобто точка В В1, і робоча лінія процесу відобразиться лінією АВ1.

При цьому 90° і tg прямує до . Враховуючи те, що tg =L/G, та при G=const, L . YB1 і Yср також набуває дуже великих значень.

Якщо вважати, що кількість речовин, яка буде поглинена, є заданою, і визначиться, як:

M KY YñðF ,

то, якщо Yср , тоді F 0. Тобто, витрати поглинача повинні бути нескінченно великими, а поверхня контакту фаз – малою, що практично є нездійсненим.

Розглянемо випадок, коли Хк прямує до ХкР, тобто точка В В2, і робоча лінія процесу виразиться лінією АВ2. При цьому кут min і

tg tg min.

M KY YñðF

при Yср 0, F .

Цей випадок є також практично нездійсненим.

Таким чином, для практичної реалізації процесу витрати поглинача вибираються на 20%

більше lmin або Хк=0,8 ХкР.

Оптимальні витрати визначаються на основі техніко-економічного розрахунку.

Визначення оптимальних витрат поглинача

Якщо позначити суму основних витрат через S, грн:

S = S1 + S2 + S3,

де S1 – вартість газу, обслуговування відповідного обладнання (не залежить від розмірів абсорбера);

S2 – ремонт обладнання, вартість електроенергії на подолання гідравлічного опору при переміщенні середовищ (залежить від розмірів абсорбера);

S3 – десорбція, витрати, пов’язані з перекачкою поглинача (залежить від витрат поглинача).

На рис. 18.6 наведено якісний вид цих залежностей.

S , тис.грн.

S 1+S 2+S 3

S 2=f(l)

S 1=f(l)

S 3=f(l)

lопт l, кг/кг.

Рис. 18.6. Визначення оптимальних питомих витрат поглинача

Тепловий баланс абсорбції

Виділення теплоти при абсорбції порушує ізотермічність процесу і переміщує криву рівноваги вверх, зменшуючи при цьому рушійну силу процесу. Різниця температур t = tp – tгазу зумовлює додатковий теплообмін між фазами. Для відведення теплоти застосовують внутрішній і зовнішній теплообмін.

У випадку, коли абсорбція проводиться без відводу теплоти нелетким поглиначем, складемо тепловий баланс абсорбції.

Позначимо витрати інертного газу – носія G, теплоємність газової суміші Сг і температуру газу – tг. Приймаємо, що теплові втрати Qвт=0.

При абсорбції виділяється теплота.

Позначимо через Ф диференційну теплоту поглинання (розчинення), тобто кількість теплоти, яка виділяється при поглинанні 1 кмоль газу в нескінченно великому об’ємі поглинача, що містить х відсотків цільового компоненту.

В процесі абсорбції збільшення значень температури газу від tп до tк відображається різним положенням кривих рівноваги (рис.18.7)

Рис. 18.7. Неізотермічна абсорбція

Крива 1 є лінією рівноваги при температурі tп. Крива 2 є лінією рівноваги при температурі tк. Для побудови реальної кривої рівноваги 3, яка розташовується між 1 і 2 кривими, в межах Хп – Хк.

Для різних значень концентрацій в цьому проміжку Х розраховуємо температуру рідини θх, а потім при цій температурі знаходимо YP.

Температура розчину заданої концентрації знаходиться з теплового балансу абсорбції. Рівняння теплового балансу абсорбції запишеться, як:

Q1+ Q2+ Qвид= Q3+ Q4+ Qвтр,

де Q1 і Q2 – теплота, яка надходить до абсорбера за газовою та рідкою фазами; Q3 і Q4 – теплота, яка відводиться з абсорбера з газом та рідиною;

Qвид – теплота, яка виділяється при абсорбції;

Qвтр – втрати теплоти в навколишньому середовищі, Qвтр =0.

Розв’язуємо рівняння теплового балансу відносно Qвид :

Qвид= (Q3– Q1)+(Q4– Q2),

або

Qвид=GCг(tк– tп)+LCp(θк– θп),

Приймаємо, що теплоємність газу і рідини змінюються не суттєво, а витрати газової та рідкої фаз також не мають суттєвих змін.

Враховуючи, що внаслідок незначної теплоємності газу температура газу зміниться мало, можемо записати:

Qвид= LCp(θк– θп),

Якщо М – це кількість абсорбованої речовини, що може бути розрахована за виразом:

М = L(Хк– Хп),

тоді кількість теплоти, яка виділиться при цьому, визначиться як:

Qвид= МФ=LФ(Хк– Хп) = LCp(θк– θп),

звідки

Ф(Хк– Хп) = Cp(θк– θп)

Розв’язуючи це рівняння відносно θк, одержимо:

ê Ô ( Õê Õï ) ï ,

Ñð

Тобто для будь-якого значення Хі знаходимо θі:

i Ô ( ÕÑi Õï ) ï

ð

Схеми процесу абсорбції

При проведенні процесу абсорбції ступінь вилучення компонента залежить від схеми проведення процесу.

1. Протитечія.

YP=f(x)

А

Yк

Рис. 18.8. Протитечійна абсорбція.

Контакт між газом і рідиною відбувається зі сторони максимальних концентрацій зі сторони газу і мінімальних – рідини. В цьому випадку досягається більша ступінь вилучення цільового компонента, ніж при прямотечії, менше витрати абсорбенту, більше кінцева концентрація газу в рідині і більше розміри апарату.

2. Прямотечія

Рух газової та рідкої фаз відбувається паралельно. Концентрація газу і рідини на вході і виході з абсорбера – різні (Хmin, Ymin) та(Хmax, Ymax). Досягається більш висока ступінь насичення в порівнянні з протитечією. Схема процесу зображена на рис. 18.9.

Наведена схема одноступінчатої абсорбції з частковою рециркуляцією абсорбента. Частина рідини з концентрацією Хк відбирається з нижньої частини абсорбері подається на вхід абсорбера. При цьому ця рідина змішується з абсорбентом, що має початкову концентрації Хп. В результаті утворюється рідина, яка має концентрацію Хсм, яка більша Хп, тобто Хсм > Хп.

Позначимо через "n" кратність циркуляції, що є відношенням числа кіломолей рідини, яка проходять через абсорбер, до числа кіломолей вихідної рідини.

Тоді через скрубер буде проходити nL киломоль і надходить на рециркуляцію (n-1)L кіломоль абсорбента. Відповідно рівняння матеріального балансу запишемо:

звідки кратність циркуляції

Концентрація абсорбера на вході до абсорбера розраховується за виразом:

Лінія АВ відповідає абсорбції без рециркуляції (тобто n=1), тангенс кута нахилу робочої лінії визначається tg =L/G ( рис. 18.10 б).

При наявності циркуляції має більший тангенс кута нахилу tg =nL/G і виражається лінією АС. Кут нахилу робочої лінії може збільшуватись до випадку, коли точка переходить в положення т. D, яка знаходиться на кривій рівноваги. Це положення відповідає максимальній величині "n", коли суміш рідин, яка надходить безпосередньо до абсорбера, знаходиться в рівновазі з відходящим газом.

Застосування схеми з рециркуляцією

По рідкій фазі застосовують:

1)коли основний опір дифузії для масопередачі знаходиться в рідкій фазі;

2)при необхідності охолодження в процесі абсорції;

3)для поліпшення змочування насадки (при малих щільностях зрошення).

Разом з тим, рециркуляція рідини призводить до ускладнення абсорбційних установок і додаткових витрат енергії, яка витрачається на перекачування фази, яка подається на рециркуляцію.

X cм3

Рис. 18.12 Схема багатоступінчатої абсорбції з рециркуляцією по рідкій фазі

Газова фаза проходить послідовно через всі колони в напрямку, протилежному руху рідини. На діаграмі Y – X робоча лінія для всіх трьох колон, якщо замінити одною колоною,

зображається прямою АВ. (рис. 18.12б)

Ця пряма лінія складається з відрізків АС, CD i DB, що відповідало б робочим лініям цих колон, при відсутності рециркуляції рідкої фази.

Тобто, можна було розглядати як один абсорбер, розділений на три частини. У випадку, коли кожна колона працює з рециркуляцією, тоді робоча лінія для кожного апарату зображується відрізками А'С, C'D i D'B. Ця схема широко застосовується в промисловості.

Кількість рідини, яка проходить через абсорбери, які працюють по схемі з рециркуляцією поглинача, при незмінних витратах свіжого поглинача, значно більша, ніж в схемах без рециркуляції. В результаті збільшується коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі βх при деякому зменшенні рушійної сили процесу.

Разом з тим, рециркуляція рідини приводить до ускладнення абсорбційних установок і додаткових витрат енергії, пов’язаних з перекачуванням фази на рециркуляції.

Схема наведених установок відноситься до насадкових скруберів, в яких ускладнена організація внутрішнього відведення теплоти в процесі абсорбції.

В тарільчатих абсорберах пристрої для охолодження (наприклад, змійовики) встановлюються безпосередньо на тарілках, що є суттєвою перевагою цих апаратів.

Конструкції та принцип дії абсорберів

Кількість абсорбату, увібраного абсорбентом, зростає зі збільшенням поверхні поділу фаз, тому абсорбційні апарати – абсорбери – мають забезпечити розвинуту поверхню контакту між рідкою й газовою фазами. За способом утворення цієї поверхні, що безпосередньо пов’язано з конструктивними особливостями абсорберів, їх можна поділити на п’ять основних груп: поверхневі, плівкові, порожнисті (розпилювальні), насадкові й тарілчасті.

Поверхневі абсорбери

У поверхневих абсорберах газ і рідина контактують на вільній поверхні великого об’єму рідини (рис.18.13). Такі апарати використовують лише для легкорозчинних (і, зазвичай, агресивних) газів, наприклад, при одержанні соляної кислоти в керамічних абсорберах.

Рис.18.13. Схема поверхневого абсорбера:

1 – абсорбер; 2 – посудина з охолоджувальною водою

Плівкові абсорбери

У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня рідини, що тече по твердій і найчастіше вертикальній поверхні.

Так, трубчастий абсорбер за конструкцією дуже схожий на кожухотрубчастий теплообмінник. Абсорбент надходить на верхню трубну решітку, розподіляється по трубах і стікає по їхній внутрішній поверхні у вигляді плівки. На вході абсорбенту в трубки часто встановлюють спеціальні розподілювальні пристрої, які формують плівку з певними параметрами. Газ рухається по трубах знизу вгору протитечією з рідкою плівкою. Якщо треба відвести теплоту абсорбції, у міжтрубний простір апарата подають холодоагент

(рис.18.14).

Рис.18.14. Трубчастий плівковий абсорбер

1 – корпус; 2 – трубки; 3 – перегородки

Часто рідинна плівка на внутрішній поверхні труб утворюється за допомогою обертового ротора (так звані роторні абсорбційні колони).

В абсорбері з плоскопаралельною насадкою у вигляді вертикальних листів (металевих, пластмасових, тканинних та ін.) рідина стікає по обох їхніх поверхнях, але в цьому разі, на відміну від трубчастих абсорберів, неможливо відвести теплоту абсорбції

(рис.18.15).

Якщо збільшується швидкість газу, у плівкових абсорберах настає режим захлинання (підвисання), який характеризується різким збільшенням гідравлічного опору й кількості рідини в апараті. Якщо ж швидкість газу зростає і надолі, то рідина разом з обробленим газом викидається з абсорбера і настає перехід до прямотечії фаз. Тому в протитечійних плівкових абсорберах допустима швидкість газу не повинна перевищувати швидкості захлинання й становить зазвичай 3–6 м/с.

Рис.18.15 Плівковий абсорбер з плоскопаралельними листами:

1 – вертикальні листи; 2 – розподілювальний пристрій

Рис.18.16 Плівковий абсорбер з висхідним рухом рідини

1 – корпус; 2, 3 – днища; 4 – трубні решітки; 5 – бризковідбійник; 6 – розподілювальні патрубки; 7 – щілини для проходження абсорбенту; 8 – труби

Плівкові абсорбери з висхідним рухом плівки складаються з вертикального корпуса, двох кришок, двох трубних решіток із закріпленими в них трубками та з розподілюваних пристроїв (рис.18.16). Газ, що рухається із значною швидкістю, захоплює рідину та у вигляді плівки транспортує її в режимі прямотечії у верхню частину трубок. Щоб зменшити бризковинесення, на виході з трубок встановлюють відбійники.

В апаратах з висхідним потоком рідини швидкості газу досягають десятків метрів за секунду, що значно інтенсифікує процес масообміну, але при цьому зростає їхній гідравлічний опір.

Порожнисті (розпилювальні) абсорбери

У порожнистих абсорберах контакт між фазами досягається розпилюванням або розбризкуванням рідини в газовому потоці. Порожнисті (розпилювальні) абсорбери – це порожнисті колони, у яких газ рухається зазвичай знизу вгору, а рідина подається через змонтовані у верхній частині колони форсунки із спрямуванням факела розпилу найчастіше зверху вниз (рис.18.17).

Рис.18.17 Порожнистий (розпилювальний) абсорбер: