Массообменные процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Массообменные процессы

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называют массообменными, а аппараты для проведения этих процессов - массообменными аппаратами.

Классификация массообменных процессов

В пищевой технологии применяют в основном следующие процессы массопередачи: между газовой (паровой) и жидкой, газовой и твердой, а также между двумя жидкими фазами.

Ректификация - разделение жидкой смеси, состоящей из компонентов различной летучести, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Ректификация применяется при получении этилового спирта и разделении эфирных масел. При перегонке и ректификации одни вещества переходят из жидкости в пар, другие - из пара в жидкость.

Абсорбция - избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями - абсорбентами.

Процесс применяется при производстве газированных вод, пива и некоторых сортов вина, сульфитации виноградного сусла и сока с целью предотвращения забраживания, при сатурации свекловичного сока с образованием нерастворимого углекислого кальция.

Адсорбция - избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ поверхностью твердого поглотителя - адсорбента.

Процесс применяется для осветления вина, очистки водноспиртовых растворов от красящих веществ и других примесей, для обесцвечивания соков и сиропов в сахарном производстве.

Обратный процесс - десорбция - проводится после адсорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Сушка - удаление влаги из влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс применяется во всех отраслях пищевой промышленности, где влажные природные вещества до их переработки должны быть обезвожены или должен быть обезвожен готовый продукт. При проведении процесса сушки влага переходит в пар или газ.

Кристаллизация - процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

Процесс применяется при производстве сахара и кристаллической глюкозы, лимонной кислоты, глюканата натрия. В процессе кристаллизации наблюдается перемещение вещества к поверхности кристалла и его переход из жидкого состояния в кристаллическое. Обратный процесс - переход твердой кристаллической фазы в раствор называется растворением.

Основные понятия

Переход вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую через их границу в направлении достижения равновесия называют массообменном, или массопередачей.

Переход вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной фазы, называется массоотдачей.

В массообмене участвуют в большинстве случаев три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.

Назовем первую фазу G (газовая фаза), вторую L(жидкая фаза), а распределяемое вещество М. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы, распределяемое вещество может переходить из фазы G в L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.

Допустим, что распределяемое вещество находится вначале только в фазе G и имеет концентрацию . В фазе L в начальный момент распределяемого вещества нет и, следовательно, концентрация его в этой фазе = 0.

Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, начнется переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и в последней обнаружится определенная концентрация распределяемого вещества > 0. С момента появления вещества М в фазе L начинается и обратный переход его в фазу G, но до некоторого момента число частиц М, переходящих в единицу времени через единицу поверхности соприкосновения из фазы G в фазу L, больше, чем число частиц, переходящих из фазы L в G; конечным итогом процесса является переход М из фазы G в фазу L.

Через определенный промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из фазы G в фазу L и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными. Равновесные концентрации очень важны для определения скорости течения процесса.

Основные законы массопередачи

Законами, которым подчиняется перенос распределяемого вещества из одной фазы в другую, являются закон молекулярной диффузии, массоотдачи и массопроводности.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика). Молекулярная диффузия в неподвижных газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул. В этом случае имеет место перенос молекул распределяемого вещества из областей высоких концентраций в область низких концентраций. Кинетика переноса подчиняется в этом случае первому закону Фика, формулировка которого аналогична закону теплопроводности: количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:

, (1)

где dM - количество продиффундировавшего вещества; D - коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии; C/x - градиент концентрации в направлении диффузии; dF - элементарная площадка, через которую происходит диффузия; d - продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через площадь поверхности 1 м² в течение 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в правой части (1) указывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.

Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии (второй закон Фика). Он выражает закон распределения концентрации данного компонента в неподвижной среде при неустановившемся процессе массообмена

. (2)

Закон массоотдачи (закон Щукарева). Основной закон массоотдачи, или конвективной диффузии, был впервые сформулирован Щукаревым при изучении кинетики растворения твердых тел. Следует заметить, что этот закон является аналогом закона теплоотдачи для твердого тела, сформулированного Ньютоном (как законы Фика являются аналогами законов теплопроводности, сформулированных Фурье).

Закон Щукарева может быть выражен так: количество вещества, перенесенного от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности фазового контакта и времени:

, (3)

где - коэффициент массоотдачи, характеризующий перенос веществ конвективными и диффузионными потоками одновременно; - концентрация в воспринимающей фазе у поверхности раздела фаз; - концентрация в ядре потока воспринимающей фазы - остальные обозначения прежние.

Для установившегося процесса уравнение (30) примет вид

. (4)

Важно отметить, что концентрация на границе рассматривается как равновесная концентрация.

Если принять единицы измерений [M] = [кг], [F] = [м²], [] = [c], []=[кг/м³], то единица измерения будет:

.

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу через 1 м² поверхности фазового контакта в течение 1 с при разности концентраций, равной единице.

Коэффициент массоотдачи является не физической константой, а кинетической характеристикой, зависящей от физических свойств фазы (плотности, вязкости и др.) и гидродинамических условий в ней (ламинарный или турбулентный режим течения), связанных, в свою очередь, с физическими свойствами фазы, а также с геометрическими факторами, определяемыми конструкцией и размерами массообменного аппарата. Таким образом, величина является функцией многих переменных, что значительно осложняет расчет или опытное определение коэффициентов массоотдачи. Величинами последних учитывается как молекулярный, так и конвективный перенос вещества в фазе.

По своему смыслу коэффициент массоотдачи является аналогом коэффициента теплоотдачи в процессах переноса тепла, а основное уравнение массоотдачи идентично по структуре основному уравнению теплоотдачи.

В ряде случаев при расчетах конкретных установившихся процессов принимают, что коэффициент массоотдачи сохраняет постоянное значение вдоль поверхности раздела фаз, и для этих условий уравнение (31) записывают в следующем виде:

. (5)

Движущая сила массообменных процессов

Скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между фактической (рабочей) концентрацией распределяемого вещества в данной фазе и равновесной концентрацией.

Движущая сила массообменных процессов определяется степенью отклонения от равновесия - разностью между рабочей и равновесной концентрациями или равновесной и рабочей концентрациями в фазе в зависимости от того, какие из них больше.

Движущую силу можно выражать либо через концентрации распределяемого вещества в фазе G, т. е. через , либо через концентрации его в фазе L, т. е. через .

На рис. 9 показаны возможные варианты выражения движущей силы массообменных процессов при различных направлениях перехода распределяемого вещества.

Из изложенного следует, что основное уравнение массопередачи можно записать так:

, (6)

Или

. (7)

Индексы у коэффициента массопередачи К показывают, какие концентрации приняты для выражения движущей силы. В общем случае и , но, очевидно, всегда

, (30)

т. к. только в этом случае обеспечивается равенство левых частей уравнений (6) и (7).

Как видно из рис. 1, движущая сила меняется с изменением рабочих концентраций вдоль поверхности контакта, поэтому для всего процесса массообмена, протекающего в пределах изменения концентраций от начальных до конечных, должна быть определена средняя движущая сила ( и ).

С учетом средней движущей силы процесса основное уравнение массопередачи для всей поверхности контакта фаз может быть записано в виде

(8)

Или

. (9)

Рис. 1 Варианты выражения движущей силы диффузионных процессов

В случае, когда между равновесными и рабочими концентрациями существует прямолинейная зависимость, для определения средней движущей силы могут быть выведены более простые соотношения. Подобно тому, как она рассчитывается для теплообменных аппаратов, т. е. как средняя логарифмическая величина из движущих сил массопередачи у концов аппарата:

, (10)

Или

, (11)

где - движущая сила в начале поверхности фазового контакта; - движущая сила в конце поверхности фазового контакта.

Критерии массообменных процессов

Диффузионное число Нуссельта

. (12)

Число характеризует интенсивность массообмена на границе фаз.

Диффузионное число Фурье Fo_Д характеризует изменение потока диффундирующей массы во времени; оно необходимо только для характеристики нестационарных процессов диффузии.

, (13)

Диффузионное число Пекле Ре_Д, характеризующее скоростное подобие, обычно преобразуют и представляют в виде произведения двух чисел подобия:

(14)

где Re - число Рейнольдса, а Pr_Д - диффузионное число Прандтля, которое находится лишь по физическим параметрам и характеризует подобие полей физических величин:

. (15)

Критериальное уравнение массоотдачи можно представить

. (16)

По найденным из уравнений подобия значениям определяют коэффициенты массоотдачи

, (17)

а по ним - коэффициенты массопередачи.

Взаимосвязь коэффициентов массоотдачи и массопередачи

(18)

И

(19)

левые части представляют собой общее сопротивление переносу вещества из фазы в фазу, т. е. сопротивление массопередаче, а их правые части - сумму сопротивлений массоотдаче в фазах.

Доля диффузионного сопротивления каждой фазы зависит от гидродинамических условий и величины коэффициента диффузии D в ней, а также от условий равновесия. В некоторых случаях диффузионное сопротивление одной из фаз может быть пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением другой. Пусть, например, столь невелико сопротивление жидкой фазы L. Тогда коэффициент массоотдачи _X очень велик, а диффузионное сопротивление 1/_X соответственно очень мало. При данном А_р член А_р/_X в уравнении (18) - величина незначительная. Пренебрегая им, получим, что , т. е. в данном случае скорость массопередачи ограничена сопротивлением в фазе G, которое является определяющим.

В противоположном случае, когда очень мало сопротивление фазы G, величина _Y - весьма большая, а величина 1/_YA_p - незначительна. При этом из уравнения (19) коэффициент , т. е. определяющим является сопротивление в фазе L.

В этих случаях для интенсификации массопередачи надо по возможности увеличить значение того коэффициента массоотдачи , который ограничивает величину К, т. е. общую скорость процесса. Возрастание может быть достигнуто при прочих равных условиях путем увеличения скорости потока соответствующей фазы с учетом того, что увеличение скорости обычно необходимо ограничивать в виду одновременного возрастания расхода энергии на проведение процесса.

абсорбция массообменный массоотдача диффузионный

Общие сведения о процессе абсорбция, область практического применения

Абсорбция - поглощение газа или пара жидкостью. Вследствие различий химических и физических свойств газы и пары имеют разную растворимость в жидкостях. На этом различии основано широкое распространение абсорбции как метода разделения газовых смесей с целью извлечения ценного компонента или удаления вредной примеси. Если жидкость и поглощаемый ею газ вступают в химическое взаимодействие, то процесс называется хемосорбцией.

Абсорбция относится к обратимым процессам. Выделение газа, поглощенного жидкостью, называется десорбцией. Последовательное проведение абсорбции и десорбции позволяет многократно использовать абсорбент и выделять газовый компонент.

В промышленности применяют абсорбцию для получения растворов кислот серной, соляной, азотной; выделения ценных компонентов из газовых смесей; очистки газовых выбросов от вредных примесей и неприятно пахнущих веществ, осушки газов.

Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называются абсорберами.

Понижение температуры и повышение давления в аппарате положительно влияют на процесс абсорбции. Вместе с тем эксплуатация аппаратуры под высоким давлением в промышленных условиях нежелательна, поэтому в большинстве случаев абсорбцию осуществляют при атмосферном или небольшом избыточном давлении (0,05…0,30 МПа). Возрастание температуры способствует интенсификации процесса десорбции, поэтому, чтобы уменьшить расход поглотителя, температуру необходимо поддерживать на возможно низком уровне.

Статика процесса абсорбции

Как известно, молекулы жидкости и газа постоянно находятся в хаотическом движении, обладая определенной кинетической энергией, причем молекулы газа более подвижны и амплитуда элементарных перемещений молекул газа больше по сравнению с молекулами жидкости. На границе контакта фаз системы газ_жидкость молекулы газа непрерывно переходят в жидкость и обратно. Скорость абсорбции зависит от концентрации поглощаемого компонента или его парциального давления в газовой фазе. Если скорости обоих процессов равны, то имеет место динамическое равновесие. Такому состоянию системы соответствуют определенные концентрации компонента в газовой и жидкой фазах, называемые равновесными концентрациями. Зависимость между ними устанавливается законом Генри, согласно которому парциальное давление компонента в газе, равновесном с жидкостью р_x, пропорционально его мольной доле х в жидкости

. (1)

От растворимости газа в том или ином абсорбенте зависит расход последнего, что влияет на себестоимость процесса наряду со стоимостью абсорбента, его токсичностью, доступностью, пожаро- и взрывоопасностью.

Величина Е зависит от природы абсорбента, поглощаемого газа и температуры и не зависит от общего давления в системе.

Зависимость константы Генри от температуры подчиняется уравнению

, (2)

где q - дифференциальная теплота растворения газа; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура, К; с - постоянная, зависящая от природы газа и абсорбента.

Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента в смеси р_к равно

, (3)

где р - общее давление; у - мольная концентрация компонента в газе (мольная или объемная доля).

При абсорбции паров хорошо растворимых веществ, образующих в жидкости идеальные растворы, справедлив закон Рауля

р^* = Рх, (4)

где P - давление насыщенного пара поглощаемого вещества при температуре абсорбции.

Материальный и тепловой баланс абсорбции

При составлении материального баланса концентрации компонента в газовой и жидкой фазах выражают в относительных концентрациях: Y, кг/кг, инертного газа, Х, кг/кг, растворителя:

и , (5)

где M_к, M_uн,,М_р - молекулярные массы растворяемого компонента, инертного газа и растворителя.

Уравнение материального баланса имеет следующий вид:

, (6)

где М - количество поглощаемого компонента в единицу времени; G_ин - расход газовой фазы, проходящей через аппарат; L_o - расход абсорбента; Y_н, Y_к, Х_к, Х_н - концентрации компонента в газовой и жидкой фазе соответственно.

На практике конечную концентрацию компонента в растворе необходимо максимально увеличивать, т. к. это позволяет снизить расход абсорбента, а конечную концентрацию компонента в газе максимально понижать, увеличивая тем самым полноту извлечения. При этом следует учитывать, что при приближении к максимальной возможной конечной концентрации раствора и максимальному извлечению компонента из газа, т. е. к равновесному состоянию системы, движущая сила процесса стремится к нулю.

Это приводит к уменьшению скорости процесса, увеличению размеров аппарата и неоправданным затратам. Поэтому на практике не допускают равновесных состояний, а конечные концентрации компонента в газовой и жидкой фазах определяют технико-экономическими расчетами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 1 представлена противоточная схема процесса абсорбции.

Особый интерес для оценки энергетических затрат представляет тепловой баланс процесса. Теплота, выделяемая при абсорбции, существенно влияет на температуру процесса, поэтому необходимо учитывать зависимость равновесного состояния от температуры.

Тепловой баланс абсорбера может быть записан уравнением

, (7)

где t_н, t_к, и_н, и_к - температуры жидкости и газа на входе в аппарат и на выходе; с_г и с_ж - удельные теплоемкости жидкости и газа; Q_т - тепловые потери и охлаждение абсорбента; Q_абс - теплота, выделяющаяся при абсорбции.

При отсутствии отвода теплоты (Q_т = 0) и допущении, что все выделившееся в результате абсорбции тепло остается в абсорбере, т. е. при условии t_н = t_к, нагрев становится максимальным, тогда

, (8)

, (9)

где Ф - теплота растворения газа.

Теплота при абсорбции паров веществ равна сумме теплоты парообразования и теплоты растворения жидкого целевого компонента в поглотителе Ф_ж. Если жидкая фаза - идеальный раствор, то Ф_ж=0. Проводя расчеты, необходимо сравнить предельные значения насыщения поглотителя, достигаемые при температурах и_н и и_к max.

Составляя тепловой баланс, допускают, что теплота абсорбции полностью идет на нагрев абсорбента. Учитывая, что теплоемкость газа значительно меньше теплоемкости жидкости, можно пренебречь также изменением температуры газовой фазы, и тепловой баланс абсорбера примет следующий вид:

, (10)

где L_н, L_к - расход жидкой фазы на входе и выходе из аппарата, кг/с, с учетом количества поглощенного вещества; с_н и с_к - удельная теплоемкость жидкой фазы на входе и выходе из абсорбера, Дж/(кг^оС).

Удельная теплоемкость рассчитывается по правилу аддитивности. При незначительных изменениях концентрации абсорбтива в газовой фазе можно пренебречь изменением массы абсорбента и удельной теплоемкости жидкой фазы и принять:

L_н = L_к = L и с_н = с_к = С.

Q_абс рассчитывают по формуле:

, (11)

где q_абс - удельная теплота абсорбции, Дж/кг, жидкой фазы.

Тепловой баланс следует представить так:

, (12)

Тогда

, (13)

где с - средняя удельная теплоемкость жидкой фазы, Дж/кг, которая определяется как среднее арифметическое величин с_н и с_к..

При незначительном изменении температуры жидкой фазы (t_н = t_к) абсорбцию можно считать изотермической. Сильное изменение температуры жидкости вызывает смещение равновесного состояния системы, что следует учитывать при построении равновесной линии. Увеличение температуры жидкой фазы приводит к уменьшению движущей силы процесса. Для сохранения стабильных характеристик процесса в таких случаях необходимо поддерживать постоянную температуру абсорбента путем отвода теплоты, выделяющейся в процессе в специальных охлаждающих устройствах.

Кинетика абсорбции

Процесс абсорбции (рис. 2) характеризуют тремя стадиями:

- подходом молекул абсорбируемого компонента из основной массы газа непосредственно к поверхности раздела фаз;

- растворением молекул газа в поверхностном слое жидкости;

Размещено на http://www.allbest.ru/

- переходом растворенных молекул из поверхностного слоя в основную массу жидкости.

Движущая сила первой стадии - разность концентраций абсорбируемого компонента в основной массе газа у и в газе, непосредственно контактирующем с жидкостью , причем . Этот переход компонента имеет диффузионную природу, его скорость выражается уравнением

, (14)

где - количество поглощаемого компонента, переносимого в единицу времени из газа к поверхности жидкости; - коэффициент массоотдачи в газовой фазе; - площадь поверхности соприкосновения фаз (поверхность жидкости).

Вторая стадия процесса абсорбции (растворение) идет с высокой скоростью и не влияет на суммарную скорость процесса, лимитируемую наиболее медленной стадией. Принимают, что на поверхности раздела фаз существует состояние равновесия и выполняется равенство

. (15)

Движущая сила третьей стадии - разность концентраций растворенного газа в поверхностном слое и в основной массе жидкости х, аналогично первой стадии скорость процесса описывается выражением

, (16)

где М₂ - количество поглощаемого компонента, переносимого в единицу времени с поверхности жидкости в основную ее массу, кг/(м²с); - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, кг/(см²мол. доля).

Для установившегося процесса справедливо М₁ = М₂ = М. В противном случае (М₁М₂) концентрация абсорбируемого компонента будет возрастать или уменьшаться на границе раздела фаз до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие и М₁=М₂.

При равновесии, учитывая уравнения (14) и (15), получим

, (17)

. (18)

Сложим левые и правые части этих уравнений и получим уравнение массопередачи

. (19)

В уравнении (19) у - mх = у - у ^/ =у - разность концентраций компонента в газе и соответствующей равновесной концентрации - движущая сила процесса. При уу^/ у0 система газ-жидкость приближается к состоянию равновесия.

В формуле (19) множитель представляет коэффициент массопередачи, кг/(см²мол. доля).

Выражение (19) целесообразно представить в следующем виде:

М = К_yF(у - mх) = К_y F(у - у ^/). (20)

Коэффициент массопередачи К_y характеризует скорость процесса. Численно он равен количеству газа, абсорбируемому жидкостью в единицу времени на площади поверхности контакта 1 м² при разности концентраций у - у ^/ =1.

Общее сопротивление массопередачи - .

Для газов с малой растворимостью величина m достаточно велика. В этом случае в выражении (19) величиной можно пренебречь, и тогда , при этом

. (21)

У малорастворимого газа различие в концентрациях у поверхности и в основном потоке невелико, следовательно, можно принять, что у у ^/ mx. Тогда уравнение (22) запишем как

. (22)

При малой растворимости газа, как это следует из (22), скорость абсорбции определяется скоростью массоотдачи в жидкой фазе. Для хорошо растворимых газов величина m мала. Поэтому в выражении (19) можно пренебречь величиной m/ по сравнению с 1/. Тогда К_у и .

В данном случае на скорость абсорбции преимущественно влияет скорость диффузии в газовой фазе.

Для повышения скорости абсорбции на практике зачастую достаточно интенсифицировать ту или иную стадию. У газов со средними значениями растворимости необходимо учитывать скорость первой и третьей стадии процесса.

Факторы, влияющие на коэффициенты массоотдачи

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе зависит от коэффициента диффузии, физических свойств газовой смеси (плотности, вязкости) и гидродинамических условий движения газа: чисел Re, Ar, Eu, Pe, Fo. В справочной литературе приводятся эмпирические зависимости для вычисления величины , справедливые лишь для конкретных условий.

Следует учитывать, что установить значения коэффициентов массоотдачи непосредственными измерениями нельзя, т. к. нет возможности точно измерить концентрации компонента на границе раздела фаз. Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе проводят опыты по абсорбции или десорбции плохо растворимого газа, например О₂ в воде, пренебрегая сопротивлением газовой фазы согласно (19). Коэффициент массотдачи в газовой фазе находят, или исследуя абсорбцию хорошо растворимого газа, например NH₃ в воде, или по испарению чистого растворителя (воды), пренебрегая сопротивлением жидкой фазы.

Средняя движущая сила абсорбции

Движущая сила любого процесса определяется степенью отклонения системы от состояния равновесия.

В уравнениях (19) и (20) разности (у - у^/) и (х - х^/ ) являются движущей силой абсорбции в газовой и жидкой фазах, выраженной через концентрации поглощаемого компонента.

На входе газа в абсорбер и выходе из него при противотоке движущая сила равна

?у_нач= у_н - y^/_к и ?у_кон = у_к - у^/_н, и ?х_нач = х_н - х^/_к и ?х_кон = х_к -х^/_н, (23)

где у^/ и х^/ - концентрации компонента в газе, равновесном с жидкостью, и в жидкости, равновесной с газом в начале и конце процесса.

В процессе абсорбции происходит изменение концентрации поглощаемого компонента в газовой и жидкой фазах по всей длине (высоте аппарата). Следовательно, будет изменяться и степень отклонения системы от состояния равновесия.

При расчете площади поверхности F, требуемой для поглощения заданного количества газа, необходимо вычислить среднее для всего аппарата значение движущей силы:

_. (24)

Для определения значений ?у_ср и ?х_ср рассмотрим бесконечно малый участок аппарата с площадью поверхности dF (см. рис. 1). Количество компонента, поглощаемого этим элементом поверхности за единицу времени, согласно уравнению материального баланса (19) равно:

dM = - Gdy = Ldx. (25)

Сравнивая уравнения (19) (20) и (25) запишем:

-Gdy=K_ydF(y - y^/) (26)

И

Ldx=K_xdF(x^/ - x). (27)

Решая (26) и (27) относительно dF и интегрируя полученное решение в соответствующих пределах, определим значение F по формуле

. (28)

Используя значения G и L из уравнения материального баланса, получим

. (29)

Сравнивая (29) с уравнением (24), среднюю движущую силу можно выразить следующим образом:

, (30)

. (31)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интегралы правых частей уравнений (30) и (31) сложно найти аналитически, т. к. равновесная линия для реальных систем газ-жидкость отклоняется от линейной зависимости и ее аналитическое выражение в большинстве случаев заранее неизвестно. На рис. 3, а, в координатах у-х построена кривая равновесия у = f(x) и рабочая линия АВ. В произвольно взятом рабочем сечении аппарата движущая сила процесса (у - у^/) определяется величиной отрезка се (рис. 3, а). Знаменатель правой части уравнения (15) находят обычно методом графического интегрирования, как это представлено на рис. 3, б. Площадь поверхности, ограниченная кривой с обязательным учетом масштабных множителей по координатным осям и значениями у_н и у_к (заштрихована на рис. 3, б), равна истинному значению интеграла правой части уравнения (30). Аналогичным образом определяют значение знаменателя правой части уравнения (31).

Принимая расходы фаз по высоте абсорбера постоянными, выражение материального баланса для части аппарата, лежащей слева от сечения z-z, имеет вид

G(y_н - y_z) = L (x_к - х_z),

Тогда

.

По этому уравнению может быть построена рабочая линия процесса абсорбции в системе координат у-х. Тангенс угла наклона рабочей линии к оси х равен L/G.

В инженерной практике широко используют следующие приближенные выражения для определения средней движущей силы процесса абсорбции:

, (32)

, (33)

где ?х_н, ?х_к, ?у _н, ?у _к - движущая сила в начале и конце процесса абсорбции, выраженная через разности концентрации поглощаемого компонента в соответствующих фазах.

Следует помнить, что при выводе уравнений (32) и (33) использовано адаптированное выражение для линии равновесия у^/= mx. Таким образом, линия равновесия представлена в виде прямой, что не соответствует реальному положению.

На практике уменьшаемым берут разность концентраций на том конце абсорбера, где она больше. Тогда по газовой и жидкой фазам получим следующие выражения для ?у_ср и ?х_ср:

и , (34)

где ?х_б, ?х_м, ?у_б, ?у_м - большие и меньшие значения соответствующих движущих сил.

При < 2 или < 2 приближенно можно использовать среднюю арифметическую разность.

Концентрации компонентов в газе можно заменить парциальными давлениями, тогда

. (35)

Если , то .

Величина средней движущей силы процесса различна для прямоточной и противоточной организации движения газа и жидкости при равных концентрациях поглощаемого компонента на входе в аппарат и на выходе из него. При таком условии движущая сила при прямотоке оказывается больше, чем при противотоке, и тогда в соответствии с основным законом массопередачи площадь поверхности массообмена при прямотоке меньше, чем при противотоке, что приводит к уменьшению размеров аппарата. Однако в промышленных условиях более предпочтительна противоточная схема организации абсорбции, т. к. при этом обеспечивается максимальная степень извлечения из парогазовой смеси поглощаемого компонента.

Основные типы абсорбционных аппаратов

В зависимости от способа организации фазового контакта абсорберы подразделяют на следующие группы: поверхностные (пленочные и насадочные), барботажные, распыливающие.

Выбор типа аппарата зависит от ряда факторов: допустимой величины гидравлического сопротивления, производительности по газу, соотношения между объемными расходами фаз, характера ограничений по загрязнениям контактирующих сред, химической агрессивности фаз.

Тарельчатые колонны предпочтительны при высоких требованиях к эффективности абсорбции. При необходимости организации отвода тепла в процессе абсорбции они обеспечивают высокую эффективность при значительных колебаниях расхода газа.

Насадочные колонны стабильно работают при больших нагрузках по жидкости. Они просты в изготовлении и монтаже, имеют низкое гидравлическое сопротивление, что положительно влияет на процесс при давлениях, близких к атмосферному. Однако потеря давления в газовом потоке должна быть минимальной по экономическим соображениям.

Основные критерии при выборе абсорбера:

1. Максимальная площадь поверхности контакта между газовой и жидкой фазами при максимальной эффективности массообмена.

2. Максимальная пропускная способность по газовой и жидкой фазам, обеспечивающая высокую производительность аппарата при минимальном гидравлическом сопротивлении.

3. Устойчивость и равномерность работы по всему сечению и высоте в широком диапазоне изменения нагрузок по фазам.

4. Низкая стоимость, простота монтажа, обслуживания и ремонта.

5. Прочность, долговечность и коррозионная устойчивость.

Характеристика насадочных абсорберов. Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - мелкими твердыми телами различной формы (рис. 4 а, б). Насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и оттока жидкости, которая распределяется с целью равномерного орошения насадки распределителем.

Стекая по поверхности насадочных тел тонкой пленкой, на расстоянии четырех-пяти диаметров от ввода абсорбента, жидкость практически полностью оттесняется к периферии - возникает пристеночный эффект, препятствующий равномерному распределению жидкости по насадке (рис. 5). Возникновение пристеночного эффекта связано с тем, что в центральной части аппарата динамический напор поднимающегося вверх газа оказывается максимальным за счет близкого к параболическому распределения скоростей этого потока. Для предотвращения отрицательного влияния пристеночного эффекта насадку загружают в колонну секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3 м в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости, направляющие жидкость от периферии колонны к ее оси.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При пленочном режиме течения поверхностью контакта фаз в насадочных абсорберах является смоченная поверхность насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой происходит разрушение пленки жидкости и образование новой пленки на нижерасположенном элементе насадки.

Переход жидкости происходит в виде струек, брызг, капель. В местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом жидкость зачастую неподвижна и образует застойные зоны.

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность а (м²/м³), свободный объем (порозность) е (м³/м³) и свободное сечение S (м²/м²). Величину порозности определяют путем заполнения объема пустот в насадке водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому всей насадкой, дает величину е. Принимают, что свободное сечение насадки равно по величине ее свободному объему.

Насадочные колонны изготовляют в двух исполнениях: царговые - диаметром 0,4…0,8 м и цельносварные большего диаметра с насыпной и регулярной насадкой. Высота слоев определяется технологическим расчетом аппарата. Каждый слой регулярной насадки состоит из нескольких пакетов, высота которых определяется типом насадки.

Характеристика и конструктивные элементы барботажных абсорберов. В барботажных абсорберах контакт фаз осуществляется в результате диспергирования газа на струйки и пузырьки, барботирующие, пробулькивающие через слой жидкости.

Наиболее распространенные барботажные абсорберы - тарельчатые вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны располагаются горизонтальные тарелки, служащие для развития поверхности контакта фаз. В тарельчатых колоннах процесс массопередачи осуществляется в газожидкостных системах, образуемых на тарелках.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Колпачковые, ситчатые, клапанные тарелки снабжены специальными устройствами для перетока жидкости с одной тарелки на другую - сливными трубками, карманами и другими приспособлениями. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство (рис. 6). В тарельчатых абсорберах жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Переливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала во взаимно противоположных направлениях. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (отверстия, щели) и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется высотой сливного порога. При этом газ в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой собственно и происходит процесс массопереноса.

На рис. 6, б показана регулировка высоты слоя жидкости переливными трубами или перегородками. Иногда переливные трубы устанавливают снаружи колонны. Размеры переливных стоков рассчитывают в зависимости от скорости движения в них жидкости. Для обеспечения стока поверхностного слоя пены эту скорость принимают в пределах 0,15…0,20 м/с. Во избежание накапливания слоя пены на тарелке периметр перелива верхнего края стока должен быть максимальным.

Образовавшаяся пена нестабильна, и при подходе ее к сливному устройству разрушается, и жидкость осветляется. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата. Колонны обычно представляют цельносварной кожух или набор царг, соединенных на фланцах. Высота колонны складывается из количества тарелок и расстояния между ними. Диаметр колонны определяется производительностью по газу. Размеры колонны могут варьировать в широких пределах. Колонны диаметром от 0,4 м до 3,0 м нормализованы. Конструкции и устройства тарелок абсорбционных аппаратов, а также способы организации барботажа достаточно разнообразны.

Размещено на Allbest.ru