Поверхностные абсорберы

В группу поверхностных абсор­беров входят аппараты с фиксированной поверхностью, т.е. такие, в которых поверхность контакта в из­вестной степени определяется гео­метрической поверхностью элемен­тов абсорбера.

Эти аппараты, в свою очередь, можно разделить на следующие ос­новные типы:

1)поверхностные абсорберы с го­ризонтальным зеркалом жидкости;

2)пленочные абсорберы;

3)насадочные абсорберы (с неподвижной насадкой);

4)механические пленочные аб­сорберы.

В поверхностных абсорберах с горизонтальным зеркалом жидкости газ проходит над поверхностью не­подвижной или медленно текущей жидкости, причем ее зеркало яв­ляется поверхностью массообмена. Величина этой поверхности незна­чительна, вследствие чего поверх­ностные абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавлива­ют несколько последовательно со­единенных абсорберов с противо­точным движением газа и жидко­сти. Для осуществления самотека жидкости абсорберы располагают ­ступенчато - каждый последующий ­по ходу жидкости аппарат несколько ниже предыдущего.

Для более интенсивного отвода тепла в абсорберах устанавливают ­змеевики, охлаждаемые водой или другим хладагентом. Кроме того, применяют наружное водяное охлаждение, помещая абсорберы в ящики с проточной водой или оро­шая водой их наружные стенки. На рис.3.2.1а. приведен ороситель­ный поверхностный абсорбер с горизонтальным зеркалом жидкости, а на рис.3.2.1б. представлен тот же абсорбер, но выполненный из неметаллического материала (графита), обеспечивающего высокую коррозийную стойкость для хлорсодержащих растворов, кислот и растворов солей.

Рис.3.2.1а. Оросительный поверхностный абсорбер с горизонтальным зеркалом жидкости.

Рис.3.2.1б. Поверхностный абсорбер из графита.

Вышеприведенные абсорберы применяются в ограниченных случаях, так как они весьма материалоёмкий, удельная поверхность фаз ­незначительна. Они используются в основном для абсорбции хорошо ра­створимых компонентов из неболь­ших объемов газа при одновременном отводе тепла. Эти абсорберы применяют, в частности, при по­глощении компонентов из высоко­концентрированных газовых смесей.

В пленочных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки. Те­чение пленки происходит по вертикальным поверхностям, пред­ставляющим собой трубы или пла­стины.

Известны четыре типа пленочных абсорберов:

- трубчатые абсорберы, в ко­торых пленка стекает по внутренней поверхности вертикальных труб;

- абсорберы с листовой (плос­копараллельной) насадкой, в которых пленка стекает по обеим по­верхностям вертикальных пластин;

- абсорберы с восходящим (об­ращенным) движением пленки.

Аппараты первых двух типов работают при противотоке газа и жидкости (газ движется снизу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать также нисходящим прямотоке (газ и жидкость движутся сверху вниз). Абсорберы третьего типа работают при восходящем прямотоке (газ и жидкость движутся снизу вверх). На рис.3.2.1в. приведены аппараты, работающие в режиме нисходящей пленки жидкости.

Рис.3.2.1в. Пленочные абсорберы с нисходящей пленкой: а-трубчатый; в-с листовой насадкой; 1-трубы; 2-трубные решетки; 3-пластины; 4-распределительное устройство.

Трубчатые абсорберы, а также абсорберы с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе тепла в процессе абсорбции; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз и по интенсивности массопередачи эти абсорберы значительно превосходят поверхностные.

Гидравлическое сопротивление трубчатых абсорберов и абсорберов с листовой насадкой даже при сравнительно больших скоростях газа (4-5 м/с) невелико. Абсорберы с восходящим движением пленки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15-20м/с), - высокоинтенсивные аппараты, но и в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением.

В настоящее время пленочные абсорберы применяются сравнительно редко; из них наиболее распространены трубчатые абсорберы, используемые для поглощения хорошо растворимых газов из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла. Перспективными следует считать абсорберы с листовой насадкой, а также абсорберы с нисходящим и восходящим прямотоком, работающие при высоких скоростях газа. ^[4]

Принцип действия аппаратов с восходящей пленкой основан на том, что при достаточно высоких скоростях (более 10м/с) движущийся снизу вверх газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движение, осуществляя, таким образом, восходящий прямоток. Абсорбцию в этих аппаратах ведут при больших скоростях газа (до 40м/с), чем достигаются высокие коэффициенты массопередачи.

Схема абсорбера с восходящим движением пленки показана на рис.3.2.1г., абсорбер состоит из пучка труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. газ подводится из камеры 3 через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Между верхними обрезами патрубков и нижними обрезами труб оставлены щели 5, через которые жидкость поступает в трубы 1. увлекаемая движущимся газом жидкость течет виде пленки по внутренней поверхности этих труб снизу вверх. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из аппарата. В случае необходимости отвода выделяющегося при абсорбции тепла по межтрубному пространству пропускают охлаждающую жидкость.

Рис.3.2.1г. Абсорбер с восходящим движением пленки: а-одноступенчатый; двухступенчатый; 1-трубы; 2-трубные решетки; 3-камера; 4-патрубки; 5-щели.

В описанном абсорбере нельзя осуществить противоточный процесс. Однако в этом случае может быть применен абсорбер, включающий несколько соединенных противотоком ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока.

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т.д.). Соприкосновение газа с жидкостью происходит а 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.

Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, вследствие чего насадочные абсорберы можно рассматривать как разновидность пленочных. В то же время между насадочными и пленочным абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, имеются различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, тогда как в насадочных – лишь по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Некоторая часть жидкости при этом проваливается в виде капель через расположенные ниже слои насадки. При определенных условиях пленочное течение жидкости в насадочных абсорберах нарушается, и контакт между газом и жидкостью осуществляется в режиме барботажа.

Насадочный абсорбер (рис.3.2.1е.) состоит из колонны, в которой помещена поддерживающая решетка 1, на этой решетке уложен слой насадки 2. орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства 3. В показанном абсорбере насадка уложена сплошным слоем по всей высоте. Иногда ее укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. В некоторых случаях при послойной укладке насадки между отделочными слоями устанавливают устройства 4 для перераспределения жидкости.

Рис.3.2.1е. Насадочные абсорберы: а - со сплошной загрузкой насадки; б – с послойной загрузкой насадки; 1-поддерживающие решетки; 2-насадки; 3-устройство для распределения жидкости; 4-перераспределитель; 5-желоб; 6-патрубок.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком, как показано на рис.3.2.1е. Прямоток (нисходящий) применяют довольно редко. Однако в последнее время большое внимание уделяют созданию прямоточных насадочных абсорберов, работающих с большими скоростями газа (до 10 м/с). При таких скоростях, которые в случае противотока недостижимы из-за наступления захлебывания, интенсифицируется процесс, и уменьшаются габариты аппарата; гидравлическое сопротивление при прямотоке значительно ниже, чем при противотоке. Применение таких абсорберов целесообразно в тех случаях, когда направление движения фаз заметно не влияет на движущую силу. Недостаток насадочного абсорберов – трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники. Предложенные конструкции абсорберов с внутренним отводом тепла при помощи помещенных в насадку охлаждающих элементов не получили распространение.

В качестве насадки используют различной формы пустотелые элементы, изготовляемые из керамики, фарфора, пластмасс и металла. На рис.3.2.1ж., приведен ряд насадочных тел, которые формируют в аппарате нерегулярную насадку.

Рис.3.2.1ж. Насадочные тела: а –кольца Рашига; б –кольца с перегородкой; в –кольца с крестообразной перегородкой; г –кольца Паля; д –седла Берля; е –седла «Инталокс»; ж –«Каскад-мини-ринг»; з-«Инталокс металл».

Простейшая регулярная насадка – плоскопараллельная – представляет собой пакеты, набираемые из плоских вертикальных, обычно металлических, пластин толщиной 0,4-1,2 мм, расположенных параллельно, с одинаковым зазором 10-20мм. Высота пакета пластин 400-1000 мм. Наружный диаметр пакета соответствует внутреннему диаметру колонны D_B. Для повышения равномерности распределения жидкости в колонне пакеты устанавливают один над другим взаимно повернутыми на угол 45-90⁰. насадка может устойчиво работать в широком диапазоне производительности по газу [F = 3,5…8 (м/с) * (кг/м³)^-0,5] и по жидкости [L = 0,3…50 м³/(м²*ч)]. В зависимости от производительности насадкаобеспечивает высоту, эквивалентной одной теоретической ступени, в пределах 0,6-1,5 м при гидравлическом сопротивлении 1 м насадки 70-300 Па. Недостатки этой насадки – высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно низкая эффективность. В табл.2.1. дана сравнительная характеристика насадок различных видов.

Таблица 2.1.