konspect_lectsiy-ln_lm

1 – корпус; 2 – кришка; 3 – форсунки

Ці абсорбери вирізняються простотою конструкції й малим гідравлічним опором. Їх можна використовувати при значній концентрації абсорбтиву в оброблюваному газі. Проте вони мають низьку ефективність і значні витрати енергії на розпилення рідини.

Ушвидкісних прямотечійних розпилювальних абсорберах газ, який рухається зі швидкостями до 20–30 м/с, захоплює рідину, взаємодіє з нею, після чого остання відокремлюється від газового потоку в сепараційному просторі апарата (до такого типу апаратів належить абсорбер Вентурі).

Умеханічних розпилювальних абсорберах рідина розбризкується за допомогою механічних обертових пристроїв.

Насадкові абсорбери

Найпоширенішими в хімічній промисловості є насадкові абсорбери, які являють собою колони з контактними пристроями у вигляді насадок – твердих тіл різної форми. У насадковій колоні насадка укладається на опорні решітки, які мають отвори або щілини для проходу газу й рідини, що зрошує насадку за допомогою розподілювального пристрою та стікає по поверхні насадкових тіл у вигляді тонкої плівки (рис.18.17). Унаслідок менш щільного укладання насадкових тіл біля корпуса колони рідина розтікається від центральної частини поперечного перерізу колони до периферії. Тому часто насадку в колоні розташовують секціями (ярусами) заввишки чотири-п’ять діаметрів (але не більше 3–4 м у кожній секції), а між ними встановлюють перерозподілювачі рідини, які спрямовують рідину від внутрішньої стінки корпуса до його поздовжньої осі (рис.18.18 б).

Рис.18.18 Насадкові абсорбери

а – зі щільним шаром насадки; б – із секційним розташуванням насадки; 1 – корпус, 2 – зрошувальний пристрій (розподілювач рідини); 3 – насадка; 4 – опорна решітка; 5 – перерозподілювач рідини; 6 – гідравлічний затвор; в

– розподіл зрошувальної рідини по висоті контактної частини насадкової колони

Поверхнею контакту фаз в насадковій колоні є змочена поверхня насадки, тому бажано, щоб насадка мала більшу питому поверхню. Разом з тим, щоб ефективно працювати, насадка має відповідати таким вимогам: добре змочуватися рідиною, тобто матеріал насадки по відношенню до рідини має бути ліофільним; чинити малий гідравлічний опір газовому потоку та створювати умови для значних навантажень апарата за рідиною й газом, тобто мати можливо більше значення вільного об’єму; рівномірно розподіляти зрошувальну рідину; мати значну механічну міцність і жорсткість, а також хімічну тривкість до оброблюваних середовищ; легко очищатися від забруднень; мати невеликі густину й вартість.

Як бачимо, деякі вимоги іноді суперечать одна одній: так, збільшення питомої

поверхні насадки зазвичай зменшує її вільний об’єм, погіршує її змочування абсорбентом і підвищує гідравлічний опір газовому потоку і т.д. Тому в промисловості використовують значну кількість різноманітних за формою й розмірами насадок, виготовлених з різних матеріалів (металу, кераміки, пластмас та ін.), які задовольняють вимоги того чи іншого процесу. Як насадку також застосовують куски коксу, мармуру, вапняку певного розміру (так звана кускова насадка).

Насадкові тіла завантажують в апарати навалом (нерегулярна насадка) або укладають чи монтують у певному порядку, зокрема в жорстку структуру (регулярна насадка).

Під час роботи насадкової колони в плівковому режимі зазвичай рідина змочує не всю поверхню насадки. У цьому разі поверхня масопередачі буде меншою, ніж поверхня насадки.

(м3/(м2·с)), рівномірності подачі рідини на насадку, а також від розміру елементів насадки ( збільшується зі зменшенням dе).

Тарілчаті абсорбери

Значного поширення для проведення процесу абсорбції набули тарілчасті абсорбери

– колонні апарати з контактними пристроями у вигляді тарілок.

Тарілки служать для розвитку поверхні контакту фаз при направленому русі фаз і для багаторазового руху рідини й газу (пари); при цьому рідина рухається в апараті зверху вниз, а газ (пара) – знизу вгору.

На кожній тарілці, залежно від її конструкції, можна підтримувати той чи інший вид руху фаз: зазвичай перехресну течію або повне змішування рідини.

Тарілки повинні: забезпечувати на їхній основі певний запас рідкої фази (так звану затримку рідини), досягнення необхідної розділювальної здатності при змінюванні навантажень по газу (пару) або рідині, мінімальне бризковинесення (з нижніх тарілок на верхні) для запобігання зниження рушійної сили процесу й зменшення кількості тарілок, а також за необхідності підведення теплоти безпосередньо в зону контакту фаз на тарілці й відведення від неї теплоти (реалізується зазвичай за допомогою спеціальних змійовиків, змонтованих на тарілках або над ними), мати невеликі гідравлічний опір, масу й вартість, а також достатні міцність і жорсткість.

За способом зливання рідини з тарілки апарати поділяють на колони з тарілками, які мають переливи, і колони з тарілками без переливів (з неорганізованим зливом рідини).

Тарілчасті колони з тарілками, які мають переливи. До апаратів цього типу належать колони з ковпачковими, ситчастими, клапанними тарілками, тарілками з S-подібних елементів та ін. Ці тарілки мають спеціальні пристрої для перетоку рідини з тарілки на тарілку (так звані переливи) – зливальні трубки, кармани, тощо. Нижні частини зливальних пристроїв занурені в рідину на нижчерозташованій тарілці для утворення гідрозатвора, який запобігає проходженню газу крізь зливальний пристрій (рис.18.19).

При незначній швидкості газу на тарілках підтримується бульбашковий (барботажний) режим, за якого окремі бульбашки газу рухаються крізь шар рідини.

Рис.18.19 Будова колони й ковпачкових тарілок

а – колона; б – дві сусідні тарілки; в – ковпачок; г – форми ковпачків; 1 – тарілка; 2 – паровий (газовий) патрубок; 3 – круглі ковпачки; 4 – перелив; 5 – гідравлічний затвор; 6 – корпус колони

Пінний режим виникає при збільшенні швидкості газу, коли окремі бульбашки об’єднуються в струминки, які внаслідок опору барботажного шару на деякій відстані від місця витікання руйнуються. При цьому на тарілці утворюється газорідинна система – піна, яка є нестабільною й миттєво руйнується, якщо припиняють подачу газу. Поверхня контакту фаз при пінному режимі є найбільшою, тому цей режим є найдоцільнішим для роботи тарілчастих апаратів.

Струминний (інжекційний) режим виникає при подальшому збільшенні швидкості газу, коли газові струминки виходять з газорідинного шару не руйнуючись і утворюючи значну кількість бризок, що значно погіршує умови масообміну.

Для тарілок з переливами характерна гідродинамічна нерівномірність по довжині тарілки (за ходом рідини), яка пояснюється тим, що коли рідина рухається, її рівень на тарілці збільшується (внаслідок, наприклад, наявності ковпачків або перпендикулярного потоку газу крізь шар рідини на тарілці). Це призводить до того, що більша частина газу починає рухатися крізь частину тарілки, що прилягає до переливу вищерозташованої тарілки. Щоб зменшити гідравлічну нерівномірність у апаратах значного діаметра (від 1–2 м і більше), зменшують шлях проходження рідини (наприклад, встановлюючи кілька переливів на одній тарілці).

Перевага тарілчастих колон з тарілками, які мають переливи, – задовільна робота при значних змінах навантажень за газом і рідиною. Недоліки – складність конструкції, металоємність, значний гідравлічний опір.

Тарілчасті колони з тарілками без переливів. У тарілках без переливів газ і рідина проходять крізь одні й ті самі отвори або щілини в основах тарілок (при цьому відбувається “провалювання” рідини, тому тарілки цього типу часто називають провальними (рис.18.20).

Це процес зворотній сорбції. Десорбція в першому випадку може застосовуватись для регенерації, з другої сторони може здійснюватись як самостійний процес, зокрема вилучення хлору з газів від H2S розчинів Na2CO3 і десорбції СО2 з води при очистці азотно-водневої суміші.

Рис. 18.21 До виведення рівняння матеріального балансу процесу десорбції

Матеріальний баланс процесу десорбції в диференційній формі запишеться:

GdY LdX

Виконавши інтегрування по висоті апарату:

Одержуємо рівняння матеріального балансу в інтегральній формі:

G(Yê Yï ) L(Xï Xê ).

У випадку коли початкова концентрація цільового компонента в газовій yп = 0, рівняння (3.207) запишемо у вигляді:

GYê L(Xï Xê ).

Вважаємо, що витрати фази змінюються незначно. Схема розрахунку апаратів аналогічна схемі розрахунку абсорберів. Основною метою десорбції є повне вилучення цільового компонента з рідкої фази при мінімальних витратах агента, який виконує функцію десорбента.

Для десорбції зазвичай застосовують колонні апарати з протитечією з дискретним або безперервним контактом фаз (насадкові або тарілчасті апарати).

Методи десорбції

1. Десорбція при зниженні тиску рідини

Цей метод використовують після абсорбції під тиском. При абсорбції під атмосферним тиском десорбцію проводять під вакуумом. Процес може бути одночи багатоступінчатим. При розрахунках слід враховувати леткість поглинача.

2. Десорбція в струмені інертного газу

В цьому випадку через рідину пропускають інертний газ (наприклад повітря). Тому розрахункові залежності для ізотермічної абсорбції є придатними. Криві рівноваги абсорбції і десорбції співпадають. Для повного вилучення компоненту витрати повітря більші і тому кінцеві концентрації

yк є низькими.

3. Десорбція гострою парою.

Це десорбція з підведенням теплоти. В нижню частину десорбера подається гостра пара, яка рухається вверх і виконує роль інертного газу з одночасним нагрівом рідини до кипіння. При цьому підвищується рівноважний тиск компонента над рідиною і зростає рушійна сила процесу. При не водяних поглиначах десорбцію, десорбцію гострою парою здійснюють лише у випадках повної нерозчинності води (конденсату) і поглинача.

4. Десорбція при підведенні теплоти через стінку

В цьому випадку в нижній частині десорбера розміщують кип’ятильник (наприклад змійовик). Збіднена рідина кипить в кубі колони і, відповідно, відводиться в кінці процесу.

5. Десорбція з поверненням флегми

У випадку леткого поглинача його пара конденсується в дефлегматорі і повертається до колони у вигляді флегми. Процес дещо нагадує ректифікацію.

На рис. 18.22 наведена схема абсорбційної установки з рециркуляцією рідини і десорбцією.

Рис. 18.22. Схема абсорбційної установки з рециркуляцією рідини і десорбцією

1 – абсорбер, 2,3,4 – збірники рідини, 5,6,7 – насоси, 8 – теплообмінник, 9 – десорбційна

Тема 2.2 Масообмін при адсорбції

Адсорбція (від лат. ad – на, при і sorbeo – вбираю) – це вбирання речовини або речовин із суміші газів, парів або розчинів поверхнею або об’ємом пор твердого тіла – адсорбенту. Вбирану речовину, що знаходиться в об’ємній фазі (газі, парі, рідині), називають

адсорбтивом, а увібрану – адсорбатом.

Розрізняють фізичну й хімічну адсорбцію.

Фізична адсорбція зазвичай обумовлена поверхневими силами міжмолекулярної взаємодії, які діють на відстанях, що значно перевищують розміри адсорбованих молекул, тому на поверхні адсорбенту найчастіше утримуються кілька шарів молекул адсорбату.

При хімічній адсорбції вбирана речовина вступає в хімічну взаємодію з адсорбентом, утворюючи на його поверхні хімічні сполуки.

Процеси адсорбції вибірні й оборотні. Процес, протилежний адсорбції, називають десорбцією. Десорбцію використовують після проведення адсорбції для виділення увібраних речовин і регенерації адсорбенту.

Типовими прикладами адсорбції є осушування газів і рідин, розділення сумішей вуглеводнів, рекуперація розчинників, очищення стічних вод і т.п.

Як адсорбенти зазвичай використовують пористі тіла, які мають значний об’єм пор. Властивості адсорбенту визначаються природою матеріалу, з якого їх виготовлено, і структурою пор.

У промислових адсорбентах основна кількість увібраної речовини сорбується на стінках мікропор (r 10–9 м). Роль перехідних пор (10–9 м< r 10–7 м) і макропор (r > 10–7 м) зводиться переважно до транспортування адсорбованої речовини до мікропор.

Адсорбенти характеризуються вбирною (адсорбційною) здатністю, яка визначається максимально можливою концентрацією адсорбату в одиниці маси або об’єму адсорбенту.

його динамічною активністю.

Рівновага при адсорбції

Рівноважну концентрацію X * (кг адсорбату / кг чистого адсорбенту) вбираної речовини в адсорбенті можна представити як функцію масової концентрації c і температури t :

X * f c,t

або як функцію парціального тиску р і температури t у випадку адсорбції газів:

X * f1 p,t ,

де c – масова концентрація адсорбтиву в об’ємній фазі, кг/м3; р – парціальний тиск адсорбтиву в об’ємній фазі, Па.

адсорбції, що зображаються кривими, форма яких визначається природою адсорбату й адсорбенту та пористою структурою останнього (при цьому початкові ділянки ізотерми зазвичай лінійні (рис. 21.1)).

Найчастіше рівноважні співвідношення при адсорбції виражають рівнянням Ленгмюра:

X * X o k p , 1 k p

де X o – гранична величина адсорбції; k – стала, що залежить від температури,

На рівновагу при адсорбції впливають різні фактори, у першу чергу природа вбираної речовини, температура й тиск, а також домішки в об’ємній фазі.

Так, вважають, що чим більша молярна маса вбираного газу, а у для розчинів – чим менша розчинність вбираної речовини в рідині, тим рівноважна концентрація X * вища (рис. 21.2,а). Також X * збільшується із зростанням тиску об’ємної газової або парової фази, а також зі зменшенням температури (рис. 21.2,б). Нарешті, наявність домішок в об’ємній

фазі зменшує величину X * , оскільки домішки повністю або частково заміщують вбирану речовину в адсорбенті.

У зв’язку з тим, що під час адсорбції можливе значне виділення теплоти, а вбирна здатність адсорбенту зменшується із зростанням температури, то зазначену теплоту необхідно відводити.

Матеріальний баланс адсорбції

У промисловості адсорбцію найчастіше виконують у нерухомому, щільному рухомому та псевдозрідженому шарах адсорбенту.

Матеріальний баланс безперервної адсорбції виражають загальним для всіх масообмінних процесів рівнянням:

M G Yп Yк L Xк Xп ,

де М – масова витрата увібраної речовини; G i L – масові витрати об’ємної фази та адсорбенту відповідно; Yп і

Yк – вихідна й кінцева концентрації адсорбтиву в об’ємній фазі; X п і X к – вихідна й кінцева концентрації адсорбату в адсорбенті.

Адсорбція в нерухомому шарі адсорбенту є періодичним процесом, при якому концентрація вбираної речовини в адсорбенті та об’ємній фазі змінюється в часі та просторі.

Розглянемо елемент шару (рис. 21.3), що має площу поперечного перерізу S і висоту dx. У цьому разі при порозності об’єм суцільної фази становить S dx і дисперсної фази

Кінетика адсорбції

Зміну концентрації вбираної речовини в адсорбенті загалом описують критеріальним рівнянням, отриманим для систем з твердою фазою:

Проте найчастіше при адсорбції дифузійний опір усередині твердої фази дуже малий порівняно із зовнішним дифузійним опором, тому, розраховуючи адсорбційні процеси, зазвичай використовують основне рівняння масопередачі:

MK yV Y Y * V ,

уякому з деяким припущенням беруть K yV yV .

Технологічні схеми адсорбції

Технологічні схеми адсорбції наведено на рис. 21.4. При застосуванні зернистого адсорбенту використовують схеми з нерухомим шаром адсорбенту (рис. 21.4,а) і зі щільним рухомим шаром адсорбенту (рис. 21.4,б). При застосуванні порошкоподібного адсорбенту зазвичай використовують схему з псевдозрідженим шаром адсорбенту (рис. 21.4,в).

G

G P

G

G

G L L

L L

R

P

P

G P

R

Рис. 21.4. Технологічні схеми адсорбції: а – з нерухомим шаром адсорбенту; б – із щільним рухомим шаром адсорбенту; в – із псевдозрідженим шаром адсорбенту: G – потік газу з адсорбтивом; R – потік регенерувального газу (пари)

Розрахування адсорберів

Апарати, призначені для проведення адсорбції, називають адсорберами. За умовами роботи адсорбери поділяють на три групи: з нерухомим шаром адсорбенту (рис. 21.5), із щільним рухомим шаром адсорбенту, із псевдозрідженим шаром адсорбенту.

При розрахуванні адсорберів у разі періодичної адсорбції шуканими величинами є діаметр контактної частини апарата й висота шару адсорбенту при заданому часі процесу або зазначений діаметр і час процесу при заданій висоті шару адсорбенту, а для безперервної адсорбції – діаметр і висота контактної частини апарата, кількість секцій і висота адсорбенту.

Розрахування адсорберів з нерухомим шаром адсорбенту. Тривалість повного циклу процесу цик в адсорбері з нерухомим шаром адсорбенту загалом становить:

цик = + доп = + ( дес + ос + ох),

де – час адсорбції; доп – час допоміжних операцій: дес – час десорбції; ос – час осушування адсорбенту (наприклад, при десорбції адсорбенту гострою водяною парою); ох – час охолодження адсорбенту.

Для проведення в цьому випадку безперервної адсорбції застосовують установки з кількістю адсорберів не менше двох, у яких по черзі відбуваються адсорбція й допоміжні операції. Для роботи таких установок необхідно виконання умови доп (рис. 21.6).