Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода

В простейшем виде такая колонна состоит из двух вертикальных соосных цилиндров, причем внутренний (ротор) вращается, а внешний неподвижен. Газ поднимается по кольцевому зазору между цилиндрами и, закручиваемый ротором, контактирует с пленкой жидкости, стекающей по внутренней стенке неподвижного цилиндра. В такой колонне интенсифицируется массоотдача в газовой фазе, однако при малых зазорах и больших окружных скоростях ротора наблюдается интенсификация массоотдачи и в жидкой фазе [3, с.323].

Для больших нагрузок применяют аппараты иной конструкции, в которых пленка образуется на поверхности вращающегося ротора под действием центробежной силы. Такие аппараты могут иметь горизонтальный или вертикальный ротор.

 

3.2 Устройство  барботажных абсорберов

 

Многочисленные типы барботажных абсорберов можно разделить на основные группы:

1) Абсорберы со сплошным барботажным  слоем, в которых осуществляется непрерывный контакт между фазами.

2) Абсорберы тарельчатого типа  со ступенчатым  контактом  между  фазами, причем ступени  (тарелки)  размещены в одном аппарате.

3) Абсорберы с подвижной (плавающей) насадкой.

4) Абсорберы с механическим  перемешиванием  жидкости.

 

 

 

3.2.1 Абсорберы со сплошным барботажным слоем

 

Аппараты такого типа в промышленности применяются преимущественно как реакторы для проведения реакций между газом и жидкостью (например, окисление или хлорирование органических веществ) и обычно работают при невысоких скоростях газа (до 0,3—0,4 м/с).

В аппаратах со сплошным барботажным слоем возникает циркуляция жидкости в вертикальном направлении: в центральной части образуются восходящие потоки из пузырьков и увлеченной ими жидкости; последняя стекает вниз по кольцевому сечению у стенок колонны. Циркуляция приводит к тому, что жидкость в значительной степени перемешана по высоте, т. е. концентрация жидкости по высоте мало изменяется и близка к конечной ее концентрации. Именно поэтому способ ввода и отвода жидкости в данном случае не является существенным.

Вредное влияние продольного перемешивания может быть устранено двумя способами. По первому способу аппарат разбивают на ряд ступеней с небольшой высотой барботажного слоя в каждой из них; этот способ наиболее распространен и осуществляется в барботажных абсорберах тарельчатого типа. По второму способу в аппаратах со сплошным барботажным слоем применяют устройства, способствующие уменьшению продольного перемешивания. Данный способ реализован в секционированных барботажных колоннах и в барботажных абсорберах с насадкой [3,с.423].

 

3.2.2 Абсорберы тарельчатого типа

 

Барботажные абсорберы тарельчатого типа  выполняют в  виде колонн   круглого  (иногда   прямоугольного)  сечения,   по   высоте   которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта. Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой  тарелке,  в  зависимости  от  ее  конструкции,  может  осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

Тарелки можно подразделить на три основные группы [3,с.425-426]:

1) Тарелки перекрестного типа, в  которых движение газа  и жидкости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит.

2) Тарелки провального (беспереливного) типа, в которых переливные устройства  отсутствуют, так что газ  и жидкость проходят  через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости.

3) Тарелки с однонаправленным  движением газа и жидкости  (прямоточные). В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения  жидкости по  тарелке;  это вызывает снижение  продольного перемешивания и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента. Эти тарелки обычно имеют переливы, но существуют и конструкции без переливов.

 

3.2.3 Абсорберы с подвижной насадкой

 

В абсорберах с подвижной насадкой легкие насадочные тела поддерживаются током газа во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. В качестве насадочных тел обычно используют полые или сплошные шары из полиэтилена, полипропилена, пенополистирола и других пластических масс, а также из пористой резины. Предложено также использование насадочных тел иной формы, например, колец.

Абсорберы с подвижной насадкой рекомендуются при обработке загрязненных газов и жидкостей, так как вследствие интенсивного движения насадочных тел забивание насадки твердыми частицами не происходит. В частности, сообщается о применении этих абсорберов для поглощения водой газов, содержащих SiF4 или SiCl4 (в этих случаях выделяется твердая SiO2). Кроме того, абсорберы с подвижной насадкой могут работать при больших скоростях газа без наступления захлебывания и обладают высоким коэффициентом массопередачи. Их недостатком является довольно высокое гидравлическое сопротивление, значительный (по сравнению с неподвижной насадкой) брызгоунос и износ шаров в процессе работы [3,с.436].

 

3.2.4 Абсорберы с механическим  перемешиванием жидкости

 

Барботажные абсорберы с механическим перемешиванием жидкости представляют собой сосуды с мешалками, в которых газ барботирует через слой перемешиваемой жидкости. Механическое перемешивание повышает скорость массопередачи, так как касательные напряжения, возникающие в жидкости при перемешивании, вызывают дробление пузырьков газа, что ведет к увеличению поверхности соприкосновения фаз. Сопротивление абсорберов с механическим перемешиванием, определяемое высотой уровня жидкости, велико [3, с.437].

Абсорберы с механическим перемешиванием используют сравнительно редко. Они находят применение при небольших отношениях газ : жидкость, а также, если в поглотителе присутствует мелко измельченное твердое вещество во взвешенном состоянии. Эти абсорберы используют также в случаях, когда требуется значительное время пребывания жидкости в аппарате (например, при протекании в процессе абсорбции химической реакции) или при периодической абсорбции. В процессе поглощения можно отводить выделяющееся тепло при помощи рубашки или змеевика, по которым пропускают охлаждающий агент [3, с.437].

 

 

3.3 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. 3 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 [2].

 

4 Расчет абсорбционной колонны

 

4.1 Материальный баланс

 

Мольная масса газовой смеси:

Плотность газовой смеси, поступающей в абсорбер:

 

Начальные относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяется по формулам [1, с. 206]:

Концентрация диоксида углерода в газовой смеси на выходе из абсорбера определяется по формуле [1, с. 207]:

    (1)

Конечную рабочую концентрацию диоксида углерода в жидкости на выходе из абсорбера определяют по формуле [1, с. 207]:

 ,         (2)

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

Для определения равновесной концентрации диоксида углерода  и построения линии равновесия выполняем расчет в такой последовательности: задаваясь рядом значений конечных концентраций диоксида углерода в жидкости, вытекающей из абсорбера, рассчитываем температуру жидкости t2 и соответствующие   им      коэффициенты  Генри   по   эмпирической  формуле [3]. Далее пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х и по формуле 3 находим значение равновесного парциального давления компонента газовой фазы р* и определяем равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе по формуле:

,          (3)

где Е  – коэффициент Генри.

 

.    (4)

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

,   (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 диоксида углерода в поступающем газе рн = 1,013·105·0,08=0,081·105 Па равновесная концентрация диоксида углерода в жидкости, вытекающей из абсорбера составит (1 мм рт. ст. = 133,3 Па, 8100 па составит 60,77 мм рт.ст; см. таблицу №1 приложения А):

Конечная концентрация диоксида углерода в жидкости при степени насыщения составит:

Газовая смесь, поступающая на установку абсорбции, охлаждается в холодильнике до температуры плюс 21оС. В этом случае объем газовой смеси равен:

      (6)

Количество диоксида углерода, поступающего в колонну:

,      (7)

где - плотность диоксида углерода при 20 оС [4,с.513].

Количество газа, поступающего в колонну:

     (8)

Количество поглощенного диоксида углерода:

Расход воды в абсорбер:

       (9)

Расход воды в адсорбер является главной величиной для подбора циркуляционного насоса.

4.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

 

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет  выбор оптимальной конструкции тарелки. При расчете движущей силы в аппаратах с переточными тарелками (ситчатыми, клапанными, колпачковыми и др.) необходимо учитывать влияние на нее взаимного направления потоков фаз, поперечной неравномерности потока жидкости, продольного перемешивания жидкости, уноса, продольного перемешивания газа и т.д.