Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов (стр. 3 )

Недостаточное орошение элементов насадки ведет к недоиспользованию поверхности ее контакта. Значительный избыток жидкости может вызвать частичное затопление насадки, что также ведет к ухудшению контакта фаз на поверхности насадочных элементов. Ориентировочно минимальную плотность орошения ρmin м3/ч на 1 м2 поверхности насадки, можно принять как 0,12 fv, где fv - удельная поверхность насадки, м2/м3, а максимальную плотность орошения - в 4...6 раз выше минимальной.

Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя. При низких расходах газа наблюдается пленочное стекание жидкости. С увеличением подачи газа наступает момент, когда часть жидкости начинает задерживаться и скапливаться в слое насадки, а его гидравлическое сопротивление быстро растет. Такой режим называют началом (точкой) подвисания (или торможения). Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к запиранию потока жидкости и ее эмульгированию. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Соответствующий режим называют началом (точкой) захлебывания. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения контакта фаз, но это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления.

Скорость захлебывания снижается с увеличением отношения расхода жидкости к расходу газа, насыпной плотности насадки и с уменьшением размера насадочных элементов, а также зависит от типа насадки.

Насадочные абсорберы должны работать с максимально возможными скоростями газового потока, при которых насадка не захлебывается. Обычно эта скорость превышает половину скорости захлебывания. Для колец Рашига ее можно принимать до 60...80%, для седлообразных насадок - до 60...85% от скорости захлебывания.

Рис. 3. Конструкция насадочной колонны.

Рис. 4. Конструкции распределительных тарелок.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается.

Диаметр колонны с крупной насадкой будет ниже, несмотря на то что высота насадки несколько увеличится по сравнению с абсорбером, заполненном насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов.

При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку.

5. Расчет насадочных абсорберов

Целью расчета насадочных абсорберов является: определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопро­тивления аппарата.

Расчеты характеристик насадочных абсорберов выполняют в следующем порядке.

1. Определяют количество ингредиентов отбросных газов, составляют материальный баланс, определяют начальные и конечные концентрации загрязнителей в обеих фазах, расход поглотителя.

2. Строят графики равновесной и рабочей линии процесса, для чего вначале концентрации улавливаемого вещества выражают в долях от количества постоянных компонентов - инертной части газового потока по газовой фазе и чистого поглотителя по жидкой фазе. Затем по опытным данным строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции.

В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которая при равновесии системы называется равновесной.

Очевидно, что любой концентрации X соответствует равновесная концентрация Y*, и наоборот, любой концентрации Y соответствует равновесная концентрация Х*, т. е.

В состоянии равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доли в растворе:

или растворимость газа в жидкости при данной температуре пропорционально его парциальному давлению над жидкостью:

,

где E - коэффициент пропорциональности называемый константой Генри; pA* - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию xA (в мол. долях); xA* - концентрация газов в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно pA.

При отсутствии опытных данных можно составить уравнение равновесного распределения поглощаемого компонента в жидкой и газовой фазах по давлению насыщенного пара этого вещества, считая разбавленные растворы идеальными и подчиняющимися закону Рауля. Например, известно, что упругость паров толуола при 20°С составляет около 3000 Па. Отсюда равновесную концентрацию толуола в газовой фазе у* можно приближенно находить по его содержанию в жидкой фазе х из соотношения:

у* = (3.103/1,01.105)x = 0,0296.x,

где у и х выражены в мольных долях.

3. Определяют движущую силу массопередачи. Движущие силы подсчитывают по концентрациям загрязнителей в газовой и жидкой фазах на входе в абсорбер и выходе из него как разность между действительной концентрацией загрязнителя в рассматриваемой фазе и равновесной с контактирующей фазой (последнюю находят по линии равновесия или по конкретному уравнению линии равновесия).

Средние движущие силы процесса абсорбции подсчитывают, исходя из модели идеального вытеснения, по выражению:

ΔYср = (ΔYб – ΔYм)/ln(ΔYб/ΔYм),

или

ΔXср = (ΔXб – ΔXм)/ln(ΔXб/ΔXм)

где DYб(м), DХб(м) - большие (меньшие) движущие силы процесса соответственно по газовой и жидкой фазам.

4. Определяют рабочую скорость газового потока. Тип насадки подбирают исходя из условий обеспечения достаточной площади поверхности массоотдачи, коррозионной стойкости, прочности, долговечности, приемлемого перепада давления в колонне, стоимости, других факторов.

Рабочую скорость газа w принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки.

Скорость газа при захлебывании вычис­ляют из уравнения

,

где w0 - скорость газового потока при захлебывании, м/с; f - удельная поверхность насадки, м2/м3; ρг - плотность газа, кг/м3; ρж - плотность жидкости, кг/м3; εс - свободный объем насадки, м3/м3; g = 9,8м/с2; μж - вязкость жидкости, мПа. с; μж - вязкость стандартной жидкости (воды), мПа. с; G, L - расход газа, жидкости, соответственно, кг/ч (кг/с); А, В - коэффициенты, принимаются в зависимости от типа насадки (приложение 5). Значения μж, ρг, ρж принимаются по параметрам среды в абсорбере.

На практике обычно работают вблизи точек подвисания. Cкорость газа wг принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки:

wг = (0,75…0,9)w0. ()

Для пенящихся жидкостей

wг = (0,3…0,4)w0.

При этом скорость газа, отнесенная к свободному сечению аппарата, равняется 0,5-1,0 м/с и более.

Диаметр абсорбера Dа рассчитывают из уравнения расхода для газовой фазы по рабочей скорости wг, м/с, и объемному расходу газа в колонне Vc, м3/с:

.

Затем выбирают ближайший диаметр Dа из нормализованного ряда диаметров колонн (таблица приложения 6) и уточняют рабочую скорость wp, которая не должна превышать 70...85% от предельной w0.

5. Определяют плотность орошения.

Под плотностью орошения qор понимают объемный расход поглощающей жидкости, приходящийся на единицу площади сечения колонного абсорбера, м3(м2.ч):

qор = L/(ρж.0,785.Dа2),

где L – массовый расход жидкости в колонне, кг/ч.

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи. Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения qmin, выше которой всю поверхность насадки можно счи­тать смоченной.

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плот­ность орошения ρmin определяют по соотношению:

qmin = f.qэф,

где qэф - эффективная линейная плотность орошения, которую можно принимать равной 3,3.10-5 м2/с для крупных колец Рашига (размером более 75 мм) и хордовых насадок с шагом более 50 мм, и 2,2.10-5 м2/с для всех остальных случаев.