Главная страница
Навигация по странице:

  • Материальный баланс и расход поглотителя

  • Гидродинамика тарельчатых колонн

  • Требования к тарелкам

  • Гидродинамика насадочных колонн

  • 2- Абсорбция. Закон Генри



    НазваниеЗакон Генри
    Анкор2- Абсорбция.doc
    Дата26.04.2017
    Размер246 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла2- Абсорбция.doc
    ТипЗакон
    #3970




    АБСОРБЦИЯ
    Абсорбция - процесс разделение газовых смесей с помощью жидких поглотителей - абсорбентов. Если поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом, то абсорбцию называют физической (не поглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.

    Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

    Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

    В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

    1) для получения готового продукта (например, абсорбция SO3 в производстве серной кислоты); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

    2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

    3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SО2). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

    4) для осушки газов.

    Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

    Равновесие в процессе абсорбции



    Для идеальных газов справедлив закон Генри:



    Закон Генри: парциальное давление компонента газовой смеси над раствором пропорционально мольной доле этого компонента в растворе при достижении равновесия. Константа Генри (Е) увеличивается с ростом температуры.

    По закону Дальтона парциальное давление компонента газовой смеси пропорционально его мольной доле в газовой смеси:

    ,

    где P – общее давление.

    Объединяя законы Генри и Дальтона, можно установить влияние условий на растворимость газа в жидкости: .

    Таким образом, с увеличением давления в абсорбере и понижением температуры растворимость растет.



    Растворимость хорошо растворимых реальных газов меньше, чем по закону Генри, а плохо растворимых соответствует закону Генри.

    Для того чтобы повысить растворимость газа в жидкости нужно:

    1. Уменьшать константу Генри Е за счет снижения температуры;

    2. Если газ плохо растворяется, то повышать давление.

    Чем хуже растворяется газ, тем больше повышают давление.

    При растворении хорошо растворимых газов нет надобности в большом повышении давления, но необходимо отводить тепло, которое в этом случае выделяется в большом количестве.

    Конструкции абсорберов выбираются с учётом растворимости газов. Например, для хорошо растворимых (аммиак-вода) можно использовать абсорберы-теплообменники. Для плохо растворимых необходима развитая поверхность контакта фаз, поэтому применяют насадочные, тарельчатые абсорберы.

    Материальный баланс и расход поглотителя







    При проектировании необходимо знать:

    • Производительность по газу G;

    • Начальную (ун) и конечную (ук) концентрации извлекаемого компонента в газе;

    • Начальную концентрацию извлекаемого компонента (хн) в поглотителе;

    • Степень извлечения ().

    - степень извлечения.

    Если задана или принята проектировщиком степень извлечения (), то можно подсчитать конечную концентрацию извлекаемого компонента газовой смеси по известной ун.

    Как правило, в абсорбционных установках производится регенерация поглотителя, то есть компонент, растворенный в абсорбере, извлекается из жидкости в десорбере. Десорбцию обычно проводят при повышенных температурах, и иногда за счет снижения давления. С учетом возможностей процесса десорбции назначается начальная концентрация извлекаемого компонента в поглотителе хн.

    Материальный баланс по извлекаемому компоненту


    ,

    где G – количество инертного газа;

    L – количество поглотителя.

    Расход поглотителя зависит от степени его насыщения извлекаемым компонентом, то есть от хк. С увеличением хк расход L уменьшается.



    Рабочая линия АВ может занимать различные положения.

    - удельный расход поглотителя.

    Изменяя удельный расход поглотителя, изменяем положение точки В на горизонтали ун.



    где - угол наклона рабочей линии.

    Минимальный тангенс угла наклона рабочей линии соответствует рабочей линии АВпред., при которой рабочая линия пересекается с равновесной.

    ,

    где - равновесная концентрация.

    При минимальном расходе поглотителя требуется бесконечное число тарелок для достижения заданной степени извлечения. Действительный расход поглотителя для абсорбера конечных размеров должен быть больше минимального: ,

    где - коэффициент избытка поглотителя.

    Размеры оборудования и капитальные затраты, расход электроэнергии и теплоносителя для десорбции зависят от выбранного расхода поглотителя. Для определения оптимального значения коэффициента избытка поглотителя необходим технико-экономический расчет. Ориентировочно .

    Многокомпонентная абсорбция



    При разделении Многокомпонентной смеси углеводородных газов коэффициент извлечения компонента увеличивается с повышением его молекулярной массы.

    Коэффициентом извлечения () называется отношение количества извлеченного компонента к его содержанию в исходной смеси: .

    Расчет абсорбции «сухих» газов (извлекается 10 - 15 % от общего количества) по методу Кремсера основан на следующих допущениях:

    1. мольные потоки газа (G) и поглотителя (L) мало меняются по высоте аппарата, их принимают постоянными;

    2. при растворении плохо растворимых газов выделяется небольшое количество тепла, поэтому изменение температуры (t) по высоте колонны не учитывается;

    3. абсорбция проводится при повышенном давлении, по сравнению с которым гидравлическое сопротивление тарелок невелико, поэтому давление (P) в колонне принимается постоянным;

    4. при неизменных Р и t константы равновесия () углеводородных компонентов для всех тарелок колонны одинаковы;

    5. поглотитель, поступающий в абсорбер, не содержит извлекаемых компонентов, т.е. ;

    6. с учетом пунктов 1-4 неизменным по высоте колонны является фактор абсорбции i-ого компонента

    ;

    7. на тарелках достигается равновесие между газом и поглотителем, т.е. тарелки являются теоретическими.

    Уравнение материального баланса по i-ому компоненту для тарелок - первой, второй,... N - ой:



    Изменение концентрации извлекаемого компонента в газе и жидкости в противоточном абсорбере

    (1)

    (2)

    …….

    (3)

    Уравнение равновесия между фазами имеет вид: или.

    Исключая из уравнений (1) - (3) величины , имея в виду, что , , получили:

    (4)

    (5)

    …….

    (6)

    Складываем, правые и левые части (1) – (6) и получаем:

    (7)

    Подставляем последовательно правые части из последующих уравнений в предыдущие:

    (8)

    Находим из (8):

    (9)

    Подставляем (8) в (7):

    (10)

    Находим отношение из (10):

    (11)

    Коэффициент извлечения :

    (12)

    Подставляя (11) в (12) получим уравнение Кремсера:

    (13)

    По уравнению (13) построен график, который широко используется практике проектирования.

    Имея необходимый коэффициент извлечения () одного из компонентов (так называемого ключевого), можно определить по графику фактор абсорбции () для него, задавшись числом (n) теоретических тарелок.

    Затем по известным давлению Р и температуре t находим константы равновесия , для всех компонентов смеси по номограмме.

    Пользуясь равенством вычисляем факторы абсорбции всех других (i) компонентов: .

    По найденным , при том же числе тарелок n находим коэффициенты извлечения компонентов, смеси, рассчитываем ее состав на выходе из абсорбера.

    Расчет абсорбции «жирных» газов выполняется с учетом изменения температуры на тарелках за счет выделения тепла растворения. Используется метод последовательных приближений.
    Гидродинамика тарельчатых колонн
    В диффузионных аппаратах, в которых происходит массообмен между жидкостью и паром (газом), жидкость с тарелки на тарелку может передаваться по специальным сливным устройствам или проваливаться через отверстия. Через отверстия провальных тарелок жидкость и пар (газ) проходят поочерёдно в пульсирующем режиме. Организованный перелив жидкости обеспечивает более равномерную (устойчивую) работу тарелки.



    Колонна с провальными тарелками


    Колонна с ситчатыми тарелками


    1 – отверстия; 2 – переливные устройства

    Провальные тарелки более просты и дешевы. Для массообмена используется всё поперечное сечение тарелки, то есть колонны.

    На тарелках с перетоком жидкость идёт самотёком от одного сливного устройства к другому, и требуется некоторый градиент уровня жидкости на тарелке (разность уровней). При малых расходах сливные устройства выполняют в виде трубы, при больших расходах – в виде сегментов.

    Тарелки бывают одно, двух- и многопоточные (при больших нагрузках по жидкости). Двухпоточные тарелки устанавливаются "пакетами" из двух штук: одна тарелка имеет центральный слив, другая - два боковых.

    Доля сечения колонны, которая участвует в массообмене, для двух- и многопоточных тарелок меньше, чем для однопоточных.

    В ректификационных колоннах в верхней и нижней части нагрузки по жидкости разные, так как в зоне питания добавляется сырьё. Поэтому могут использоваться разные тарелки (по числу потоков и по конструкции).

    Гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле:

    ,

    где - перепад давления на сухой тарелке, Па;

    - перепад давления, необходимый для преодоления сопротивления столба жидкости на тарелке (зависит от уровня жидкости на тарелке, её плотности и от газосодержания пены), Па;

    - перепад давления, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения жидкости (на порядок меньше других и в расчете может не учитываться), Па.

    Перепад давления на сухой тарелке: ,

    где - коэффициент сопротивления тарелки, определяемый опытным путем; зависит от конструкции;

    - плотность газа в рабочих условиях, кг/м3;

    - скорость пара (газа) в отверстиях, м/с.

    где - секундный расход пара (газа), м3/с;

    S – площадь свободного сечения колонны, м2.

    С увеличением расхода паров в колонне (производительности) пропорционально квадрату расхода растёт и гидравлическое сопротивление сухой тарелки, растет и её общее сопротивление.

    рассчитывается с учетом конструкции тарелки, (формулы включают определенные геометрические размеры). С увеличением нагрузки по жидкости растет.

    Просуммировав гидравлические сопротивления всех тарелок, находят давление в кубе колонны, оно необходимо для прочностного расчета.

    Сопротивление столба жидкости в сливном стакане: .

    Высота столба жидкости в сливном стакане зависит от расстояния между тарелками. Если сопротивление тарелки становится больше сопротивления гидрозатвора, то пар идет не через тарелку, а через сливное устройство и работа колонны нарушается.

    При проектировании расстояние между тарелкамипринимается из рекомендуемого ряда значений, а затем проводится проверка: .

    Гидродинамический режим работы тарелки зависит от скорости (расхода) газа (пара) в свободном сечении.

    Так называемый режим развитого барботажа существует в некотором диапазоне скоростей - это диапазон устойчивой работы. В этом режиме газ (пар) равномерно распределяется в жидкости в виде отдельных пузырьков, а на поверхности жидкости образуется слой пены.

    Массопередача происходит эффективно из-за развитой (большой) поверхности контакта фаз.

    При малой скорости газа (пара) происходит образование небольшого числа пузырьков и пена отсутствует. Если рабочая скорость меньше минимальной, то резко ухудшается процесс массопередачи за счет уменьшения поверхности контакта фаз. При рабочей скорости больше максимальной, происходит недопустимо большой унос жидкости.



    КПД тарелки в зависимости от скорости газа (пара) в свободном сечении разные для разных конструкций. В справочной литературе КПД тарелок дается в зависимости от "фактора F"

    Наиболее широкий диапазон устойчивой работы имеют клапанные

    тарелки (для клапанных ), наименьший – ситчатые и провальные.

    Требования к тарелкам:

    1. Высокая эффективность массопередачи.

    2. Низкое гидравлическое сопротивление (особенно для вакуумных колонн).

    3. коррозионная стойкость.

    4. Широкий диапазон устойчивой работы ().

    5. Простота конструкции.

    6. Малая металлоемкость.

    7. Надежность в работе, простота монтажа и ремонта.




    Гидродинамика насадочных колонн
    В насыпной насадке распределение потоков по сечению колонны неравномерное, особенно при больших диаметрах, т.е. жидкость потоком газа постепенно оттесняется к стенкам колонны и её приходится перераспределять.

    Насадку укладывают слоями, между ними устанавливают распределительные тарелки, направляющие жидкость от стенок в центр колонны.



    Схема насадочной колонны

    1 – приспособление для распределения жидкости; 2 – насадка; 3 – устройство для перераспределения жидкости

    В настоящее время переходят к более эффективным блочным или пакетным насадкам с большой долей свободного объема (), удельной поверхностью насадки (σ) и с равномерным распределением жидкости по сечению колонны.



    1 – сопротивление сухой насадки;

    I – плёночный режим (толщина плёнки постоянна);

    II – подвисание (с увеличением скорости происходит накопление жидкости в объёме насадки);

    III – захлёбывание ( жидкость становится сплошной фазой и образуется эмульсия);

    IV – унос жидкости (не рабочий).



    Эмульгационная насадочная колонна

    1 – колонна; 2 - насадка; 3 – газораспределительная тарелка;
    4 - сливная труба; 5 – вентили.

    Общее сопротивление складывается из сопротивления сухой насадки и сопротивления, создаваемого жидкостью.

    При небольших скоростях газа (пара) жидкость распределяется по насадке тонкой пленкой и характер зависимости такой, как и для сухой насадки (1-й режим).

    С увеличением скорости в режиме подвисания толщина пленки жидкости увеличивается, а в свободном объеме появляются капли, пена; гидравлическое сопротивление растет значительно быстрее (2-й режим).

    Когда скорость газа достигнет скорости начала эмульгирования, происходит инверсия (обращение) фаз. Сплошной фазой становится жидкость, а газ - дисперсной (3-й режим).

    Эффективность массопередачи наибольшая при эмульгировании, но этот режим существует в узком диапазоне скоростей и характеризуется резким увеличением гидравлических сопротивлений. При проектировании рабочую скорость выбирают:

    .

    Скорость захлёбывания рассчитывают по критериальным уравнениям, и она зависит от соотношения расходов фаз и жидкости, плотностей жидкости и газа, удельной поверхности насадки и доли свободного объёма.

    Выбор насадки



    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 свободного сечения насадки (Sсв);

    3. создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения или Sсв;

    4. иметь малую плотность;

    5. равномерно распределять орошающую жидкость;

    6. быть стойкой к агрессивным средам;

    7. обладать высокой механической прочностью;

    8. иметь невысокую стоимость.



    написать администратору сайта