Разработка адсорбционной установки для отчистки газовой смеси от паров этилового спирта

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости газа (рис.5). При низких скоростях газа w жидкость на тарелке не задерживается (скорость газа до точки В на рис.5), так как мала сила трения на поверхности контакта жидкости и газа. При достижении скорости газа, соответствующей точке А, происходит скачкообразное увеличение P, так как на поверхности тарелки появляется слой жидкости, и она вступает в режим работы, который продолжается при скоростях газа до точки С. При этом на тарелке могут возникать рассмотренные выше гидродинамические режимы (образование режимов зависит от ряда факторов-размеров отверстий или щелей в тарелке, расходов жидкости и др.). При скорости газа соответствующей точке С и выше, может возникнуть перелом на гафике зависимости P=f(w), который объясняется резким возрастанием количества жидкости на тарелке, при котором наступает захлёбывание тарелки [5].

Рис.5 Зависимость гидравлического  сопротивления провальной тарелки от скорости газа в колонне

При небольших расходах жидкости, большом свободном сечении тарелки и большом диаметре отверстия или размере щели гидравлическое сопротивление тарелки увеличивается монотонно, но при этом существенно возрастает брызгоунос [9].

2.4 Распыливающие абсорберы

 

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается  распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы: 1) полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками; 2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока; 3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями [1].

Полые распыливающие  абсорберы  представляют собой полые колонны. В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны форсунки с направлением факела распыла обычно сверху вниз. Эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. В результате объемный коэффициент массопередачи и число единиц переноса в этих аппаратах невелико. Поэтому распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают на нескольких уровнях [1].

Полые распиливающие абсорберы отличаются простотой устройства, низкой стоимостью, малым гидравлическим сопротивлением, их можно применять для обработки сильно загрязненных газов.

К недостаткам полых  распыливающих абсорберов, помимо их низкой эффективности, относятся также низкие скорости газа (до 1 м/с) во избежание уноса, неудовлетворительная их работа при малых плотностях орошения, достаточно высокий расход энергии на распыление жидкости. Распыливающие полые абсорберы целесообразно применять для улавливания хорошо растворимых газов [2].

Скоростные прямоточные  распыливающие абсорберы отличаются тем, что в случае прямотока процесс можно проводить при высоких скоростях газа (до 20-30 м/с и выше), причем вся жидкость уносится с газом и отделяется от него в сепарационном пространстве 4. К этому типу аппаратов относится абсорбер Вентури (рис. 6), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1, течет в виде пленки и в горловине 2 распыляется газовым потоком. Затем жидкость газовым потоком выносится в диффузор 3, в котором скорость газа снижается и его кинетическая энергия переходит в энергию давления с минимальными потерями. Отделение капель от газа происходит в сепараторе 4 [9].

 

Рис. 6 Устройство бесфорсуночного  абсорбера Вентури: а - с эжекцией жидкости; б - с пленочным орошением; /-коифузоры; 2-горловины; J-диффузоры; 4-сепараторы, 5-циркуляционная труба; 6-гидравлический затвор.

 

В механических распыливающих абсорберах разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т. е. с подводом внешней энергии для развития поверхности фазового контакта. На рис. 16-30 представлен такой абсорбер, в котором разбрызгивание жидкости осуществляется с помощью лопастей или дисков, закрепленных на горизонтальных валах. Разбрызгивающие элементы устанавливают так, что газ движется перпендикулярно или параллельно осям их валов [5].

По сравнению с абсорберами  других типов механические абсорберы более компактны и эффективны, но они значительно сложнее по конструкции и требуют больших затрат энергии для проведения процесса. Поэтому механические распыливающие абсорберы целесообразно применять в тех случаях, когда распыление с помощью форсунок или газом, взаимодействующим с жидкостью, по каким-либо причинам не представляется возможным [1].

 

В заключение раздела  по устройству и принципу действия абсорбционной аппаратуры следует  подчеркнуть, что большинство рассмотренных  выше аппаратов используется и для  проведения других процессов массопереноса, прежде всего для ректификации и  жидкостной экстракции.

 

 

3 Расчет абсорбера

 

Целью расчета абсорберов является определение расхода поглотителя, температуры процесса и количество отводимой теплоты, выбор скорости газа, размеров и гидравлического сопротивления аппаратов.

3.1 Материальный баланс

 

Начальные относительные  массовые составы газовой и жидкой фаз определяется по формулам [2, с. 206]:

Концентрация паров  этилового спирта в газовой смеси  на выходе из абсорбера определяется по формуле [2, с. 207]:

   (3.1)

Конечную рабочую концентрацию паров этилового спирта в жидкости на выходе из абсорбера определяют по формуле [2, с. 207]:

 ,         (3.2)

где х* - равновесная концентрация поглощаемого компонента, которая определяется расчетным путем или находится по справочным данным.

Для определения равновесной  концентрации этилового спирта  и построения линии равновесия выполняем  расчет в такой последовательности: задаваясь рядом значений конечных концентраций этилового спирта в  жидкости, вытекающей из абсорбера, рассчитываем температуру жидкости t₂ и соответствующие   им      коэффициенты Генри   по   эмпирической формуле [6, с. 326]. Далее пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х и по формуле 2.3 находим значение равновесного парциального давления компонента газовой фазы р^* и определяем равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе по формуле 2.4:

,          (3.3)

где Е  – коэффициент Генри.

 

 .    (3.4)

Где Р – общее давление газовой смеси, мм.рт.ст.; р* - равновесное  парциальное давление поглощаемого газа, мм.рт.ст., [5, с. 591]

,    (3.5)

где  Ф – дифференциальная теплота растворения газа в  поглотителе, Дж/кг; с – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К); t₁ и t₂ – температура жидкости на входе в абсорбер и на выходе из него.

Результаты расчета  сведены в таблицу № 1 приложения А.

При парциальном давлении паров этилового спирта в поступающем  газе р_н = 1,013·10⁵·0,12=0,122·10⁵ Па равновесная концентрация этилового спирта в жидкости, вытекающей из абсорбера составит (см. таблицу №1 приложения А):

Конечная концентрация паров этилового спирта в жидкости при степени насыщения составит:

Газовая смесь, поступающая  на установку абсорбции, охлаждается в холодильнике до температуры плюс 20^оС. В этом случае объем газовой смеси равен:

       (3.6)

Количество этилового  спирта, поступающего в колонну:

,      (3.7)

где - плотность насыщенных паров этилового спирта при 20 ^оС [6].

 

Количество воздуха, поступающего в колонну:

      (3.8)

Мольная масса газовой смеси:

Плотность газовой смеси, поступающей в абсорбер:

      (3.9)

Количество поглощенного этилового спирта:

Расход воды в абсорбер:

        (3.10)

3.2 Определение скорости газа  и диаметра абсорбера

 

Принимаем в качестве насадки регулярные керамические кольца Рашига размером 50х50х5 мм. Характеристика регулярной насадки: удельная поверхность 110 м²/м³, свободный объем 0,735 м³/м³, эквивалентный диаметр 0,027 м [7, с.196].

Рабочая скорость газа несколько меньше скорости , при которой наступает инверсия фаз:

        (3.11)

Скорость инверсии фаз  в обычных насадочных колоннах, работающих в условиях затопления насадки и  появления эмульгационного слоя, определяется по формуле [7, с.196]:

,    (3.12)

где σ – удельная поверхность насадки, м²/м³; g – ускорение свободного падения м/с²; V_св – свободный объем насадки м³/м³; ρ_г и ρ_ж – плотности газа и жидкости кг/м³; μ_ж – вязкость жидкости при температуре процесса мПа ·с; μ=1·10^-3 Па·с – вязкость воды при 20^оС; L и G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А=0,022 – коэффициент для насадки из колец и спиралей.

Рабочая скорость газа в  колонне составит:

Диаметр колонны рассчитывают по уравнению расхода для газового потока при рабочей скорости:

      (3.13)

Выбираем стандартный диаметр обечайки, равным 1,6 м.

Определяем оптимальную  плотность орошения:

,           (3.14)

где b = 2,58·10^-5– коэффициент при абсорбции паров органических жидкостей, м³/(м²·с);    f – удельная поверхность насадки, м²/м³ [2, с.213].

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U, которая должна быть не меньше U_опт.:

Так как отношение  действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью, в связи с этим в процессе массопередачи будет участвовать не вся возможная поверхность насадки. Из этого следует, что насадка из колец Рашига размером 50х50х5 не подходит. Для увеличения действительной и уменьшения оптимальной плотности орошения выбираем насадку другого типа с меньшим свободным объемом и меньшей удельной поверхностью.

Принимаем в качестве насадки регулярные керамические кольца Рашига размером 80х80х8 мм со следующими характеристиками: удельная поверхность 80 м²/м³; свободный объем 0,72 м³/м³; эквивалентный диаметр 0,036 м [7, с.196].

Для этой насадки скорость газа при инверсии будет равна:

Рабочая скорость газа в  колонне:

Принимаем диаметр обечайки равным 1,4 м.

Оптимальная плотность  орошения при данной насадке:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 80х80х8:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

И в этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью.

Рассмотрим случай с регулярной насадкой из колец Рашига размером 100х100х10 со следующими характеристиками: удельная поверхность 60 м²/м³; свободный объем 0,72 м³/м³; эквивалентный диаметр 0,048 м [7, с.196].

Для этой насадки скорость газа при инверсии будет равна:

Рабочая скорость газа в  колонне:

Принимаем диаметр обечайки равным 1,4 м.

Оптимальная плотность  орошения при данной насадке:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 100х100х10:

В этом случае отношение  действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

Отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной незначительно меньше 1, однако поверхность насадки смочена не полностью.

В этом случае увеличиваем  плотность орошения, рассчитав рабочую  скорость газа в колонне по соотношению:

Принимаем диаметр обечайки равным 1,2 м.

Уточняем рабочую скорость в колонне:

     (3.15)

Что существенно больше скорости инверсии.

Принимаем нестандартный  диаметр обечайки абсорбера равным 1,3 м.

В этом случае рабочая  скорость в колонне составит:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 100х100х10 с диаметром обечайки 1,3 м: