Расчёт абсорбционной установки

Схема многоступенчатой противоточной  абсорбции с рециркуляцией 

жидкости в каждом абсорбере

                                                       Рис.1.6

 

Количество жидкости, проходящей через  абсорберы, работающие по схеме с  рециркуляцией поглотителя, при одном и том же расходе свежего абсорбента значительно больше, чем в схемах без рециркуляции. В результате увеличивается коэффициент массоотдачи в жидкой фазе   при некотором снижении движущей силы процесса.

Применение схем с рециркуляцией  поглотителя целесообразно в  следующих случаях:

1) когда основное сопротивление  массопередаче сосредоточено в жидкой фазе;

2) при необходимости охлаждать  поглотитель в процессе абсорбции;

3) для улучшения смачивания насадки  (при малых плотностях орошения). Вместе с тем рециркуляция жидкости приводит к усложнению абсорбционных установок и дополнительным расходам энергии на перекачивание рециркулирующей фазы.

Схемы установок, приведенные на рис.1.5-1.7, относятся к насадочным абсорберам, в которых затруднительна организация внутреннего отвода тепла в процессе абсорбции. В тарельчатых абсорберах охлаждающие устройства (например змеевики) устанавливают непосредственно на тарелках, что является существенным преимуществом этих аппаратов при проведении в них процессов абсорбции, протекающих со значительным выделением тепла.

На рис.1.7 представлена схема абсорбционной  установки с рециркуляцией жидкости и десорбцией. Насыщенный поглощенным  компонентом абсорбент из последнего (по ходу жидкости) абсорбера 1 сливается в сборник 2, откуда насосом 5 через теплообменник 8 подается в десорбционную колонну 9, где освобождается от растворенного газа. Регенерированный поглотитель из колонны 9 поступает в теплообменник 8, где отдает тепло жидкости, направляемой на десорбцию, и далее через холодильник 10 возвращается в цикл орошения первого (по ходу жидкости) абсорбера /1/.

   Схема  абсорбционной установки с рециркуляцией  жидкости и десорбцией

 

1 – абсорбер, 2-4 – сборники, 5-7 – насосы, 8 – теплообменник,

9 - десорбционная колонна, 10 – холодильники

Рис.1.7

 

1.3. Типовое оборудование для  проектируемой установки.

 

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называется абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

1) поверхностные и пленочные; 

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие.

Следует отметить, что аппараты большинства  конструкций, приводимых ниже, весьма широко применяются и для проведения других массообменных процессов /1/.

1.3.1. Поверхностные и пленочные  абсорберы.

В абсорберах этого типах поверхностью соприкосновения фаз является зеркало  неподвижной или медленно движущей жидкости, или же поверхность текущей  жидкой пленки.

Поверхностные абсорберы.

Эти абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рис.1.8). Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.

                               Поверхностный абсорбер

                                               Рис.1.8

 

Более совершенным аппаратом такого типа является абсорбер (рис.1.9), состоящий из ряда горизонтальных труб, орошаемых снаружи водой. Необходимый уровень жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2.

                             Оросительный абсорбер

             1 – элемент абсорбера, 2 – сливные пороги

                                                Рис.1.9

 

Пластинчатый абсорбер (рис.1.10) состоит  из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2 меньшего сечения – охлаждающий агент (как правило вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.

 

                                   Пластинчатый абсорбер

1 – каналы для прохождения газа и абсорбента,

2 - каналы для протекания охлаждающего агента (воды)

                                             Рис.1.10

Поверхностные абсорберы имеют  ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости.

Пленочные абсорберы.

Эти аппараты более эффективны и  компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатый абсорбер (рис.1.11) сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.

                                Трубчатый абсорбер

                        1 – трубная решётка, 2 – трубы

                                             Рис.1.11

 

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рис.1.12). Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

                Абсорбер с плоскопаралеллельной насадкой

           1 – листовая насадка, 2 – распределительное устройство

                                                   Рис.1.12

 

Абсорбер с восходящим движением  пленки (рис.1.13) состоит из труб 1, закрепленных в трубных решетках 2.Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух и более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В аппаратах с восходящим движением пленки, вследствие больших скоростей газового потока (до 30-40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико /1/.

            Абсорбер с восходящим движением  жидкой плёнки

1- трубы, 2 – трубная решётка, 3 – камера, 4 – патрубок для подачи газа,

5 – щель для подачи абсорбента

                                              Рис.1.13

1.3.2. Насадочные абсорберы. 

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.1.14) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом – большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м, и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

В насадочной колонне жидкость течет  по элементу насадки главных образом  в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах – только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

                                           Насадочный абсорбер

1 – насадка, 2 – опорная решётка, 3 – распределитель жидкости,

4 - перераспределитель жидкости

                                                Рис.1.14

 

Основными характеристиками насадки  являются ее удельная поверхность а (м²/м³) и свободный объем ε (м³/м³). Величину свободного объема для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε.

Выбор насадок.

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

1) обладать большой поверхностью в единице объема;

2) хорошо смачиваться орошающей  жидкостью; 

3) оказывать малое гидравлическое  сопротивление газовому потоку;

4) равномерно распределять орошающую  жидкость;

5) быть стойкой к химическому  воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне;

6) иметь малый удельный вес;

7) обладать высокой механической  прочностью;

8) иметь высокую 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 различные по форме и размерам насадки (рис.1.15), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фосфор, сталь, пластмассы) выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

                                              Типы насадок

а – кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом), б – кольца с перегородками, правильно уложенные, в – насадка Гудлое, г – кольца Паля, д – насадка «Спрейпак», е – седла Берля, ж – хордовая насадка, з – седла «Инталлокс»

                                                  Рис.1.5

 

В качестве насадки используют также  засыпаемые навалом в колонну  куски кокса или кварца размерами 25х100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т.д.) кусковую насадку в настоящее время применяют редко.

Широко распространена насадка  в виде тонкостенных керамических колец  высотой, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рисю1.15а). Большие кольца (размерами не менее 50х50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рис.1.15б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку -регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители. Хордовая деревянная насадка (рис.1.15ж) обычно используются в абсорберах, имеющих значительный диаметр. Основное ее достоинство-простота изготовления, недостатки - относительно небольшая удельная поверхность и малый свободный объем.