Расчёт абсорбционной установки

Клапанные и балластные тарелки (рис.1.22). Эти тарелки получают за последнее  время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.

                                     Клапанные тарелки

а,б – с круглыми клапанами, в – с пластинчатым клапаном, г – балластная,

1 – клапан, 2 – кронштейн-ограничитель, 3 – балласт

Рис.1.22

 

Принцип действия клапанных тарелок (рис.1.22б) состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке  круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис.1.22в) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке. Круглые клапаны имеют диаметр 45-50 мм, отверстия под клапаном делают диаметром 35-40 мм при шаге между ними 75-150 мм. Высота подъема клапанов 6,5-8 мм.

Балластные тарелки (рис.1.22г) отличаются по устройству от клапанных тем, что  в них между легким круглым  клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта. Известны разновидности клапанных и балластных тарелок, отличающихся конструкцией клапанов (балластов) и ограничителей.

Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных  выше, работают при однонаправленном движении фаз, т.е. каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз. В колонне с пластинчатыми тарелками (рис.1.23) жидкость (движение которой показано на рисунке сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравлический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку 3, состоящую из ряда наклонных пластин 4. Дойдя до первой цели, образованной наклонными пластинами, жидкость встречается с газом (пунктирные стрелки), которые с большой скоростью (20-40 м/сек) проходит сквозь щели. Вследствие небольшого угла наклона пластин (α_т = 10-15) газ выходит на тарелку в направлении, близком к параллельному по отношению к плоскости тарелки. При этом происходит эжектирование жидкости, которая диспергируется газовым потоком на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где процесс взаимодействия жидкости и газа или пара повторяется. В результате жидкость с большой скоростью движется вдоль тарелки от переливной перегородки 2 к сливному карману 5. В данном случае нет необходимости в установке переливного порога у кармана 5, что уменьшает общее гидравлическое сопротивление тарелки.

                                         Пластинчатая тарелка

1 – гидравлический затвор, 2 – переливная перегородка, 3 – тарелка,

4 - пластины, 5 – сливной карман

Рис.1.23

 

Таким образом, пластинчатые тарелки  работают так, что в отличие от тарелок других конструкций жидкость является дисперсной фазой, а газ – сплошной, и контактирование жидкости и газа осуществляется на поверхности капель и брызг. Описанный гидродинамический режим газо-жидкостной дисперсной системы на контактной тарелке может быть определен как капельный или капельно-брызговой. Этот режим позволяет резко повысить нагрузки по жидкости и газу в колоннах с пластинчатыми тарелками.

Помимо работы пластинчатых тарелок  в интенсивном капельном режиме к числу их достоинств относятся: низкое гидравлическое сопротивление, возможной работы с загрязненными жидкостями, низкий расход материала при их изготовлении. На тарелках этого типа уменьшается продольное перемешивание жидкости, что приводит к увеличению движущей силы массопередачи. Недостатками пластинчатых тарелок являются: трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходах жидкости. В настоящее время разработан ряд других конструкций тарелок с однонаправленным движением жидкости и газа.

Колонны с тарелками без сливных  устройств (рис.1.24). В тарелке без  сливных устройств газ и жидкость проходит через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку – « проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

                       Колонна с тарелками без сливных  устройств

1 – колонна, 2 – тарелки, 3 – распределитель жидкости

Рис.1.24

 

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок. Эти режимы можно установить на основе зависимости их гидравлического сопротивления от скорости газа при постоянной плотности орошения (рис.1.25). При малых величинах w жидкость на тарелке не задерживается (отрезок АВ), так как мала сила трения между фазами. С увеличением скорости газа жидкость начинает накапливаться на тарелке (отрезок ВС) и газ барботирует сквозь жидкость. В интервале скоростей газа, соответствующих отрезку ВС, тарелка работает в нормальном режиме. При этом газ и жидкость попеременно проходят через одни и те же отверстия. Если скорость газа еще больше возрастает, то, вследствие увеличения трения между газом и жидкостью, резко увеличивается накопление жидкости на тарелке и соответственно – ее гидравлическое сопротивление, что способствует наступлению состояния захлебывания (отрезок CD). При небольших расходах жидкости, больших свободном сечении тарелки и диаметре отверстий или щелей перелом в точке С отсутствует.

Зависимость гидравлического сопротивления  провальной тарелки 

от скорости газа в колонне

                                                     Рис.1.25

Дырчатые тарелки (рис.1.26а) аналогичны по устройству ситчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4-10 мм, а суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10-25%. Для нижнего предела работы величина А в уравнении составляет 2,95, для верхнего – 10.

                                          Провальные тарелки

 

       а – дырчатая, б – решётчатая, 1- тарелка, 2 – отверстия, 3 – щели

                                                        Рис.1.26

 

Решетчатые тарелки (рис.1.26б) имеют  отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных щелей шириной 3-8 мм. Значения А в формуле те же, что и для дырчатых.

Трубчатые тарелки представляют собой  чаще всего решетки, образованные из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору. Для нижнего предела работы величина А равна 4, для верхнего – 10.

Волнистые тарелки – гофрированные  металлические листы с отверстиями    4-8 мм.

Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

К достоинству трубчатых провальных тарелок относится легкость отвода тепла от барботажного слоя на тарелке путем пропускания охлаждающего агента по трубам, из которых состоит тарелка. Однако эти тарелки в сравнении с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.

Основной недостаток колонн с дырчатыми, решетчатыми и трубчатыми провальными тарелками – небольшой интервал изменения скоростей газа и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная их работа.

В более широком диапазоне нагрузок работают волнистые провальные тарелки. Однако эти тарелки сложнее, чем  дырчатые и решетчатые провальные тарелки по устройству и монтажу /1/.

1.3.4. Распыливающие абсорберы.

В абсорберах этого типа тесный контакт  между фазами достигается путем  распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

Полый распыливающий абсорбер (рис.1.27) представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.

                        Полый распыливающий абсорбер

                               1 – колонна, 2 – форсунки

                                                Рис.1.27

 

К достоинствам полых распыливающих абсорберов относятся простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта. Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыливание жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями, необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно – поверхности контакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.

Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов, так как вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициента массоотдачи в газовой фазе (β_r) в этих аппаратах достаточно велики.

Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимися с большой скоростью (20-30 м/сек. и более), а затем отделяется от газа в сепарационный камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури (рис.1.28), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1 трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.

                                Распыливающий абсорбер Вентури

1 – конфузор, 2 – горловина, 3 – диффузор, 4 - сепарационная камера

                                                      Рис.1.28

 

К распыливающим относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т.е. с подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью.

Механические абсорберы компактнее и эффективнее распыливающих абсорберов других типов. Однако они значительно сложнее по устройству и требуют больших затрат энергии на осуществление процесса.

Во многих случаях в системах газ-жидкость для диспергирования  одной фазы в другой оказывается  достаточным использование энергии  потока газа, взаимодействующего с жидкостью, и подвод внешней энергии для этой цели нецелесообразен /1/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

В курсовом проекте используется противоточная  технологичная схема процесса абсорбции (рис.2.1). При противоточной схеме  процесса абсорбции газ проходит через абсорбер снизу вверх, а  жидкость стекает сверху вниз. Так  как при противотоке уходящий газ соприкасается со свежим абсорбентом, над которым парциальное давление поглощаемого компонента равно нулю (или очень мало), то можно достичь  более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при прямоточной  схеме, где уходящий газ соприкасается  с концентрированным раствором  поглощаемого газа. Кроме того, при  противотоке можно достигнуть более  высокой степени насыщения поглотителя  извлекаемым компонентом что, в  свою очередь, приводит к уменьшению расхода абсорбента.

Непрерывное действие схемы обеспечивает высокую производительность и меньшие  затраты по сравнению с периодической  схемой /1/.

 В качестве основного оборудования  выбран насадочный абсорбер. Основным  достоинством данного аппарата  является простота устройства  и низкое гидравлическое сопротивление  /1/. В насадочных колоннах тип  насадки выбирается в зависимости  от её механической прочности,  сопротивления коррозии, стоимости,  объёма и эффективности. Среди  насадочных материалов для абсорбции  газов с экономической точки  зрения предпочтительны керамические  кольца размером 12х12 и 25х25 мм, седлообразная  насадка 25х25 мм, спиральная и кольца  с перегородками размером 75х75 мм, блочная и хордовая насадка  из дерева /2/. Тип насадки будет  выбран при расчёте абсорбера.

Процесс абсорбции проводится при  невысокой температуре. Поэтому  перед тем, как попасть в абсорбер, газ и поглотитель охлаждают  в холодильниках, в которые подаётся охлаждающая вода.

В ходе проекта помимо основного  оборудования (насадочного абсорбера) выбрано вспомогательное оборудование: насос и вентилятор. Насос используется для подачи поглотителя на абсорбцию, а вентиляторы для подачи газа.

Так как на абсорбцию подаётся большое  количество неочищенного газа (по заданию), с целью повышения эффективности  работы системы, газовый поток до попадания в абсорбер разбит на два. Процесс абсорбции проводится следующим  образом. С помощью вентиляторов газ сначала подаётся в холодильники Х₁ и Х₂ для предварительного охлаждения, а затем далее в абсорбер. Газ на абсорбцию подаётся в нижнюю часть колонны, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку). Абсорбент из промежуточной ёмкости Е₂ насосом подаётся в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению. Газ после абсорбции выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидразатвор в промежуточную ёмкость Е₁, откуда из колонны насосом направляется на регенерацию.