Устройство и принцип действия абсорберов

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппараты (абсорберы) - должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами. По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) тарельчатые; 4) распыливающие.

ПЛЕНОЧНЫЕ АБСОРБЕРЫ

Впленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатый абсорбер.По устройству (рисунок 6.32) он аналогичен кожухотрубчатому теплообменнику. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В абсорберах сбольшим числом труб для улучшения распреде- ления абсорбента по трубам применяют специаль- ные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. В случае необходимости отвода теплоты абсорбции в межтрубное пространство абсорбера подают охлаждающий агент (обычно воду).

Рисунок 6.32 - Трубчатый пленочный абсорбер:1-корпус; 2 – трубки; 3 - перегородки

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой.Такой аппарат представлен на рисунок 6.33. Пакет листовой насадки 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы, натянутая на каркас ткань и др.) помещают в колонну (абсорбер). В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для обеспечения равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

Гидродинамика жидкой пленки, текущей по вертикальной стенке, достаточно подробно рассмотрена в гл. 6. Здесь же следует подчеркнуть, что пленочные противоточные колонны работают при скоростях газа, не превышающих скорости захлебывания. Начало захлебывания (подвисания) характеризуется резким возрастанием гидравлического сопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости. При небольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполняться жидкостью, через которую барботирует газ. При дальнейшем повышении скорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку.

В противоточных пленочных аппаратах допустимая скорость газа (т.е. скорость газа до точки захлебывания) достаточно высока - до 3-6 м/с. Гидравлическое сопротивление этих абсорберов мало, поскольку в пленочных абсорберах практически отсутствуют потери напора на преодоление местных сопротивлений. Поэтому пленочные противоточные аппараты целесообразно применять при больших производительностях по газу, необходимости малых гидравлических сопротивлений и сравнительно невысокой степени извлечения компонентов.

Пленочный абсорбер с восходящим движением пленки. Такие аппараты (рисунок 6.34, а, б) состоят из пучка труб труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ проходит через распределительные патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1.

1-пакеты листовой насадки; 2-распределительное устройство

Рисунок 6.33 - Пленочный абсорбер с плоско-параллельной (листовой) насадкой

Абсорбент поступает в трубы через щели 5 (см. узел Б). Движущийся с достаточно высокой скоростью газ увлекает жидкую пленку снизу вверх, т.е. абсорбер работает в режиме восходящего прямотока (см. разд. 6.10). По выходе из, труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для снижения брызгоуноса с отходящим газом в абсорбере устанавливаются брызгоотбойники 3. С целью охлаждения абсорбента в межтрубное пространство подают охлаждающий агент. Для повышения эффективности процесса применяют многоступенчатые абсорберы подобного типа.

На рисунке 6.34, б показан двухступенчатый пленочный абсорбер с восходящим движением жидкости, каждая ступень которого работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком. Применение многоступенчатых абсорберов существенно усложняет их конструкцию.

а-одноступенчатый абсорбер; б-двухступенчатый абсорбер; узел А -схема движения фаз на выходе из труб; узел Б - схема движения фаз на входе в трубы; 7- трубы; 2-трубные решетки; 3-брызгоотбойники; 4-распределительные патрубки; 5-щели для подачи абсорбента

Рисунок 6.34 - Пленочные абсорберы с восходящим движением жидкости

В аппаратах с восходящим потоком жидкости можно создавать очень высокие скорости газа (порядка десятков метров в секунду), коэффициенты массопередачи при этом существенно возрастают, но одновременно с этим сильно растет их гидравлическое сопротивление. Последнее обстоятельство затрудняет широкое применение этих аппаратов для проведения процессов абсорбции при невысоких давлениях в системе.

НАСАДОЧНЫЕ АБСОРБЕРЫ

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рисунок 6.35, а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам (рисунок 6.36). Из этого рисунка следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рисунок 6.35и 6.37), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1-корпуса; 2 -распределители жидкости; 3- насадка; 4 -опорные решетки; 5- перераспределитель жидкости; б-гидравлические затворы; в-эмульгационная насадочная колонна: 1-насадка; 2-сетка, фиксирующая насадку; 3-гидравлический затвор; 4-опорная решетка; 5-распределитель газа

Рисунок 6.35 - Насадочные абсорберы

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перете­кании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.

Рисунок 6.36 - Распределение орошающей жидкости по высоте насадочной колонны

а - конический; б - патрубковый; в - конический с патрубками

Рисунок 6.37 -Перераспределители жидкости между слоями насадки

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность а (м²/м³) и свободный объем ε (м³/м³). Обычно величину ε определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε. Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение S (м²/м²). Принимают, что свободное сечение насадки S равно по величине ее свободному объему, т. е. S = ε.