Расчет насадочного абсорбера

    Задание № 22 

    Исходные  данные:

    Абсорбтив (вещество А) – сероводород.

    Абсорбент (вещество L) – пропиленкарбонат

    Абсорбат (вещество G) – природный газ

    Давление  в абсорбере р – 5 МПа.

    Температура в абсорбере t – 25⁰С.

    Содержание  абсорбтива в исходной газовой смеси у_Н = 15% объем.

    Расход  исходной газовой смеси (н.у.) V₀ = 35 000 м³/ч.

    Степень поглощения = 0,9.

    Размер  колец Рашига N = 35х35х4 мм.

    Отношение скорости газа в абсорбере к скорости захлебывания n = 80%.

    Коэффициент избытка поглотителя r = 1,8. 

    Задание:

    Определить  высоту и диаметр насадочного  абсорбера, работающего в пленочном  режиме, в который поступает V₀ газовой смеси, содержащей у_Н вещества А в инертном носителе G. Степень поглощения . Процесс абсорбции происходит при р и t. Поглотитель L после регенерации вновь подается в абсорбер при концентрации вещества А, соответствующей равновесному составу, причем расход его в r раз превышает минимально необходимый. Абсорбер заполнен керамическими кольцами Рашига (неупорядоченная насадка) размером N. Скорость газа в абсорбере соответствует n % от скорости захлебывания. 
 
 
 

    Введение 

    Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.

    Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

    В абсорбционных процессах участвуют  две фазы – жидкая и газовая  и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель  представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, называют растворителем. Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах.

    Современные абсорбционные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего  устройства, обеспечивающего контакт  пара и жидкости.

    В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением.

    В зависимости от внутреннего устройства:

1. поверхностные и пленочные;
2. насадочные;
3. барботажные (тарельчатые);
4. распыливающие.

    В пленочных абсорберах поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же  

поверхность текущей жидкой пленки.

    Поверхностные абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов. В этих аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. 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.

    Пленочные абсорберы 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 сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю  трубную решетку, распределяется по трубам 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 сверху вниз навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.

    Насадочные  абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

    Насадочный  абсорбер состоит из колонны, в которой помещены поддерживающие решетки, на которые уложены слои насадки. Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства. Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком.

           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1 Насадочный абсорбер

    1-насадка; 2-опорная решетка; 3-разбрызгиватель; 4- перераспределительная жидкость          Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.               

    Виды  насадок 

    Насадки, представляю собой твердые тела различной формы, которые загружают  в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность  насадок создает эффективную  поверхность контакта пара и жидкости.        

    Насадки должны обладать большой удельной поверхностью (поверхностью на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес. 

      
 
 
 
 
 
 
 

    Рис.2 Типы насадок:

а — кольца Рашига; б — кольца с перегородками; в — спиральные кольца; г — шары; д — пропеллерная насадка; е — седлообразная насадка;  ж — хордовая насадка

    Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно  уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки. К регулярным относятся  хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки. К беспорядочным относятся  кольцевая (при загрузке внавал), седлообразная и кусковая насадки.

    Кольцевая насадка - насадочные тела, представляющие собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов.

    Кольца  Рашига представляют собой простые  кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

    Для увеличения поверхности применяются  кольца с перегородкой (кольца Лессинга), кольца с крестообразной перегородкой  и спиральные  кольца, имеющие внутри одну, две или три спирали. При регулярной укладке кольца с крестообразной перегородкой и спиральные применяют размером 75 мм и более.

    В ФРГ предложены кольца с прободенными стенками (Палля). Эти кольца предназначены  в основном для засыпки внавал и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига. Но указанные преимущества нельзя считать весьма существенными, если учесть большую стоимость и сложность изготовления колец Палля. Изготавливают эти кольца из стали и пластических масс.   

    Схема абсорбционной установки

    На  рисунке 3 дана схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 14. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 14, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис.3 Принципиальная   схема абсорбционной установки:

1 —  вентилятор (газодувка); 2 — абсорбер; 3 — брызгоотбойник; 4, 6 — оросители; 5 — холодильник; 7—десорбер; 8—куб абсорбера; 9, 13 — емкости для абсорбента; 10, 12 — насосы; 14 —теплообменник-рекуператор 
 
 

    1. Технологический  расчет 

    Геометрические  размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном  поверхностью массопередачи, необходимой  для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

    Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

    

    где M– количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, кг/с;

- коэффициенты  массопередачи соответственно по  жидкой и газовой фазам, кг/(м^{2 .} с);

  - средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно, кг/кг. 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис.4   Схема материального баланса абсорбера при противотоке фаз 
 

    1.1 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

    Обозначим: А- абсорбтив (сероводород), В – инертный газ (природный газ), С – абсорбент (пропиленкарбонат).

     - начальная  относительная массовая концентрация  абсорбтива в газовой фазе,

     - конечная  относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе,

     - начальная  относительная массовая концентрация  абсорбтива в жидкой фазе,

     - конечная  относительная массовая концентрация  абсорбтива в жидкой фазе.

    Массу абсорбтива (сероводорода), переходящего из газовой смеси в абсорбент, можно найти из уравнения материального баланса: