6.2. Устройство и расчет абсорбционных аппаратов

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами.

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на поверхностные, распыливающие и барботажные.

Поверхностные абсорберы поглощают газ пленкой жидкости, образующейся на поверхностях, смачиваемых жидкостью и омываемых газом. В таких абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Примером такого пленочного абсорбера может служить трубчатый абсорбер, в котором жидкость стекает сверху вниз по внутренней поверхности труб, омываемых поднимающимся снизу вверх газом.

В качестве насадочных абсорберов широкое распространение получили колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, но течение жидкости происходит только по высоте элемента насадки, а не по высоте аппарата. При перетекании жидкости с одного элемента на другой пленка жидкости разрушается. Характеристики насадок приведены в таблице 6.2.

Барботажные абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания жидкости в газовом потоке.

Полый распыливающий абсорбер представляет собой колонну, в верхней части корпуса которой имеются форсунки для распыливания жидкости. Эти аппараты применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов.

Прямоточные распыливающие абсорберы более эффективные аппараты, в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимся с большой скоростью (20-30 м/сек и более), а затем отделяется от газа в сепарационной камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури, основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор трубы, течет в виде пленки и в горловине распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор, в котором постепенно снижается скорость газа. Сепарация капель происходит в нижней части абсорбера.

Расчет абсорберов

При расчете абсорберов обычно задаются следующие параметры: расход газа, его начальная и конечная концентрации (или задается степень извлечения ), начальная концентрация абсорбента.

Основными определяемыми величинами являются: расход абсорбента, диаметр и высота абсорбера, его гидравлическое сопротивление.

Для очистки газов от вредных газообразных компонентов в металлургии применяются, как правило, полые распылительные и насадочные абсорберы (основы расчета которых излагаются ниже). Барботажные абсорберы в металлургии применяют очень редко, и их расчет излагается в специальной литературе.

Расход абсорбента определяют из уравнения материального баланса абсорбера по формуле (6.3).

Конечная концентрация поглощаемого газа задается меньше равновесной, вычисленной на основании закона Генри.

Диаметр аппарата можно определить из выражения:

, (6.11)

где w₀ - фиктивная или приведенная скорость газа при абсорбции, то есть скорость, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с; V – объемный расход газа через аппарат, м³/с.

Скорость газа в абсорберах лимитируется ростом каплеуноса и гидравлического сопротивления. В полых аппаратах без каплеуловителей скорость обычно не превышает 1-1,5 м/с, в насадочных абсорберах и полых абсорберах с каплеуловителями 5-5,5 м/с. Необходимо выбирать оптимальную скорость газа: с одной стороны, при увеличении скорости потока возрастают коэффициенты массопередачи и, следовательно, уменьшается объем аппарата, с другой стороны, при увеличении скорости потока возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к увеличению расхода энергии на проведение процесса.

Скорость газа находят следующим образом. Сначала рассчитывают фиктивную скорость газа w_з в точке «захлебывания» (инверсии) из выражения:

, (6.12)

где f₀ - удельная поверхность насадки, м²/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; V_с - свободный объем насадки, м³/м³; _г и _ж - плотности газа и жидкости, кг/м³; _ж - динамический коэффициент вязкости жидкости, МПас; М_ж и М_г - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А - эмпирический коэффициент (А = 0,022 для насадки из колец и спиралей).

Необходимый объем абсорбера или поверхность насадки определяют из уравнения массопередачи. Для полых распыливающих аппаратов уравнение массопередачи применяют в следующем виде:

, (6.13)

где М - масса поглощенного компонента, кг/ч; V_а - рабочий объем абсорбера, м³; _V - объемный коэффициент массопередачи, кг/(м³Пач).

Величина _V принимается на основании опытных данных, полученных по промышленным абсорберам, работающим в аналогичных условиях.

В том случае, если соотношение у_н и у_в находятся в пределах: , то среднюю движущую силу в абсорбере можно рассчитывать по упрощенной формуле:

(6.14)

Для насадочных аппаратов необходимую поверхность насадки определяют из уравнения (6.9). Коэффициент абсорбции (массопередачи) можно найти по формуле (6.8). Необходимый объем насадки V_н рассчитывают, исходя из величины удельной поверхности насадки f₀ (см. таблицу 6.2.) по формуле:

. (6.15)

Рабочую высоту абсорбера Н рассчитывают на основании принятого диаметра и необходимого рабочего объема абсорбера или насадки по формуле:

. (6.16)

Для полого абсорбера величина Н представляет собой высоту расположения нижнего пояса форсунок, для насадочного абсорбера толщину слоя насадки.

Гидравлическое сопротивление полых абсорберов невелико и, в зависимости от плотности орошения, составляет 0,2-0,4 кПа. В насадочных абсорберах основным является гидравлическое сопротивление насадки, которое может быть определено по формуле:

, (6.17)

где Н - толщина слоя насадки, м;  - коэффициент сопротивления (см. таблицу 6.2.).