Главная | Обратная связь

Рівновага під час абсорбції

 

Під час абсорбції склад газу в розчині залежить від властивостей газу і рідини, тиску, температури і складу газової фази (парціального тиску газу, розчиненого в газовій суміші).

У разі розчинення в рідині бінарної газової суміші (компонент, що розподіляється – , носій – ) взаємодіють дві фази , кількість компонентів дорівнює трьом і, згідно з правилом фаз , кількість ступенів вільності системи дорівнює трьом.

.

Для цієї системи “газ – рідина” змінними є температура, тиск і концентрації в обох фазах. Відповідно, в стані рівноваги за сталих температури і загального тиску залежність між парціальним тиском газу (або його концентрацією) і складом рідкої фази є однозначною. Ця залежність виражається законом Генрі: парціальний тиск розчиненого газу є пропорційним до його мольної частки у розчині:

(2.1)

або розчинність газу (компоненту , що поглинається) в рідині за заданої температури є пропорційною до його парціального тиску над рідиною

, (2.1a)

де – парціальний тиск поглинутого газу, який знаходиться в рівновазі з розчином та має концентрацію в ньому (у мольних частках); – концентрація газу в розчині (у мольних частках), що є рівноважним з газовою фазою, в якій парціальний тиск поглинутого компонента дорівнює ; – коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом, або константою Генрі.

Числові значення коефіцієнта Генрі для заданого газу залежать від природи поглинача і газу і від температури, але не залежать від загального тиску в системі.

Рівняння залежності від температури запишеться:

, (2.2)

де – диференційна теплота розчинення газу; – газова стала; – стала, що залежить від природи газу та поглинача.

Для ідеальних розчинів на діаграмі (рис. 2.1) залежність рівноважних концентрацій від тиску зображається прямою, що має нахил, який дорівнює – коефіцієнту Генрі.

З риc. 2.1 та рівняння (2.2) видно, що з підвищенням температури (за інших рівних умов) збільшується значення і відповідно зменшується, згідно з рівнянням (2.1a), розчинність газу в рідині. Якщо – мольна частка вилученого компонента в газовій суміші і – загальний тиск в системі, то парціальний тиск , за законом Дальтона, виражають залежністю

. (2.3)

 

Рис. 2.1. Розчинність газу в рідині за різних температур (t1 > t2 > t3 і відповідно Е1 > E2 > E3)

Підставимо значення в рівняння (2.1) і отримаємо

, (2.4)

або закон Генрі можна представити у формі

, (2.5)

де – коефіцієнт розподі­лення, або константа фазової рівноваги.

Рівняння (2.5) вказує, що за­лежність між концентраціями певно­го компонента в газовій суміші і в рівноважній з нею рідині виража­ється прямою лінією, що проходить через початок координат та має кут нахилу, тангенс якого дорівнює .

Числові значення залежать від температури і тиску в системі: зменшуються зі збільшенням тиску і зменшенням температури. Отже, розчинність газу в рідині збільшується з підвищенням тиску та зменшенням температури.

Коли в рівновазі з рідиною знаходиться суміш газів, закону Генрі підпорядковується кожен з компонентів суміші окремо.

Закон Генрі застосовується до розчинів газів, критичні температури яких є вищими від температури розчину, і є дійсним тільки для ідеальних розчинів. Тому цей закон з достатньою точністю можна застосовувати за незначних концентрацій розчиненого газу або за його низької розчинності. Для добре розчинних газів за великих концентрацій їх у розчині розчинність є меншою, ніж за законом Генрі. Для систем, що не підлягають цьому закону, коефіцієнт в рівнянні (2.5) є величиною змінною, і лінія рівноваги є кривою, яку будують згідно з дослідними даними.

Для опису рівноваги між газом і рідиною рівняння (2.5) застосовують тільки за помірних тисків, невисоких температур і відсутності хімічної взаємодії між газом і поглиначем.

За підвищених тисків (понад десять атмосфер) рівновага між газом і рідиною не підпорядковується закону Генрі, тому що зміна об’єму рідини внаслідок розчинення в ній газу стає співрозмірною зі зміною об’єму цього газу. За таких умов константу фазової рівноваги можна визначити так:

, (2.6)

де – фугітивність (леткість) поглинутого газу, що виражається в одиницях тиску.

Для бінарних розчинів величину f₀ можна знайти так:

, (2.7)

де А – стала (значення А див., наприклад: [13]).

У разі вираження складу фаз не в абсолютних, а у відносних концентраціях видозмінюється і запис закону Генрі. Так, наприклад, у разі використання відносних мольних концентрацій вираз (2.5) можна записати у вигляді:

,

звідси за правилом пропорцій

,

або

. (2.8)

Отже, у разі вираження закону Генрі у відносних концентраціях рівновага в системі “газ – рідина” зображується також кривою лінією. Однак для сильно розведе­них розчинів (низькі концентрації Х газу в рідині) можна прийняти (1 – m)×Х » 0. Тоді знаменник рівняння (2.8) перетворюється на одиницю, і рівняння набуває вигляду:

. (2.9)

У разі такого запису закон Генрі зображається прямою лінією.

Отже, рівняння (2.1), (2.1а), (2.5), (2.8) і (2.9) є різними виразами закону Генрі.

Під час абсорбції багатокомпонентних сумішей рівноважні залежності є значно складнішими, ніж під час абсорбції одного компонента, особливо тоді, коли розчин сильно відрізняється від ідеального. За таких умов парціальний тиск кожного компонента в газовій суміші залежить не тільки від його концентрації в розчині, а й від концентрації в розчині інших компонентів, тобто є функцією великої кількості змінних. Тому зазвичай у подібних випадках рівноважні залежності ґрунтуються на дослідних даних.

 

Вплив тиску пари абсорбенту на рівновагу. У наведених залежностях не враховувався вплив тиску пари поглинача на рівновагу, що допустимо, якщо цей тиск є низьким порівняно з парціальним тиском газу, який абсорбується.

Якщо ж тиск пари поглинача є високим, то його вплив на рівновагу під час абсорбції враховують у такий спосіб.

Згідно із законом Рауля, парціальний тиск компонента в розчині дорівнює тиску пари чистого компонента, помноженому на його мольну частку в розчині, тобто для поглинача:

. (2.10)

Парціальний тиск абсорбенту в рівноважній газовій фазі р_n дорівнює:

. (2.11)

З рівнянь (2.10) і (2.11) одержимо:

. (2.12)

У цьому разі концентрація газу, що абсорбується в газовій фазі, відносно концентрації інертного газу становитиме:

. (2.13)

За такого вираження концентрації як загальний тиск приймають різницю Р – р.

 

2.3. Матеріальний баланс та витрата абсорбенту

Приймемо витрати фаз по висоті апарата сталими і подамо склад газу, що поглинається, у відносних мольних концентраціях. Позначимо G – витрата інертного газу, кмоль/с; Y_п, Y_к – початкова і кінцева концентрації абсорбтива в газовій суміші, кмоль/кмоль інертного газу; L – витрата абсорбенту, кмоль/с; X_п, X_к – початкова і кінцева концентрації абсорбтива в абсорбенті, кмоль/кмоль абсорбенту. Тоді рівняння матеріального балансу матиме вигляд

. (2.14)

Загальна витрата абсорбенту

, (2.15)

а його питома витрата

. (2.16)

Це рівняння можна переписати у такому вигляді

. (2.17)

Рівняння (2.17) показує, що зміна концентрації в абсорбційному апараті відбувається прямолінійно і, відповідно, в координатах Y – X робоча лінія процесу абсорбції є прямою з кутом нахилу, тангенс якого дорівнює l=L/G.

Між питомою витратою абсорбенту і розмірами апарата існує певний зв’язок. Принцип такого зв’язку зображено на рис. 2.2. Через точку В з координатами X_n ,Y_к проведемо згідно з рівняннями (2.17) робочі лінії ВА, ВА₁, ВА₂, ВА₃, які відповідають різним концентраціям або питомим витратам абсорбенту.

Рис. 2.2. До визначення питомої витрати абсорбенту

При цьому точ­ки А, А₁, А₂, А₃ лежати­муть на одній горизон­тальній прямій відпо­відно до заданої кон­ценрації Y_п газу в суміші.

У розчинах не­великої концентрації за будь-якого значення X та заданої величини l рушійну силу процесу виражають різницею ординат Y-Y^*, які зображені вертикаль­ними відрізками, що з’єднують відповідні точки робочої лінії і

лінії рівноваги Y^*=f(X). Для всього апарата можна прийняти середнє значення , величина якого, наприклад, для робочої лінії ВА₁, зображена на рис. 2.2 відрізком .

Величина буде тим більшою, чим крутіший нахил робочих ліній і, відповідно, чим більшою є питома витрата абсорбенту. Якщо робоча лінія ВА збігається з вертикаллю, то рушійна сила процесу має максимальну величину, проте питома витрата абсорбенту l буде нескінченно великою (тому що X_к= X_n ). Якщо робоча лінія ВА₃ торкається лінії рівноваги, то питома витрата абсорбенту l буде мінімальною, а рушійна сила в дотичній точці дорівнюватиме нулеві, оскільки в цій точці робоча концентрація дорівнює рівноважній. У першому випадку висота абсорбційного апарата буде мінімальною за нескінченно великої витрати абсорбенту; в другому – витрата абсорбенту буде мінімальною за нескінченно великої висоти апарата. Отже, два випадки є теоретичними та практично нездійсненими.

У реальному абсорбційному апараті рівноваги між фазами не досягається, і завжди , де – концентрація поглинутого газу в рідині, яка знаходиться в рівновазі з газом, що надходить. Саме тому величина l завжди повинна бути більшою за мінімальне значення l_min, що відповідає граничному положенню робочої лінії (лінія ВА₃ на рис. 2.2). Значення l_min можна визначити згідно з рівнянням (2.16), змінюючи X_к на :

. (2.18)

Варто зазначити, що збільшення питомої витрати l абсорбенту одночасно із зниженням висоти апарата призводить до збільшення його діаметра. Це поясню­ється тим, що із збільшенням l зростає також витрата поглинача L, і при цьому знижуються припустимі швидкості в апараті, за якими знаходять його діаметр. Тому коли питома витрата абсорбенту не задана технологічними умовами, необхідно вибирати таке співвідношення між розмірами апарата та питомою витратою l абсорбенту, за якого величина l і розміри апарата будуть оптимальними.

Оптимальну питому витрату поглинача l_опт можна знайти тільки за техніко-економічними розрахунками.

 

2.4. Тепловий баланс

Якщо абсорбція відбувається без відведення теплоти або з неповним її відведенням, то температура підвищується внаслідок виділення тепла під час розчинення газу у рідині, що необхідно враховувати під час розрахунку. Підвищення температури призводить до підвищення рівноважного парціального тиску компонента і до зміщення лінії рівноваги догори. Рушійна сила при цьому зменшується, й умови абсорбції погіршуються.

Кількість тепла, що виділяється під час абсорбції, становить

, (2.19)

де q – диференційна теплота розчинення (у Дж/кг), тобто кількість тепла, що виділяється при поглинанні 1 кг компонента в розчині цієї концентрації; М – кількість поглиненого компонента, кг/с.

Якщо абсорбція ведеться без відведення тепла, можна вважати, що усе тепло, яке виділяється, йде на нагрівання рідини:

, (2.20)

де c – питома теплоємність рідини, Дж/(кг · град); t₁ i t₂ – температури рідини на вході і виході з абсорбера.

Порівнюючи праві частини рівнянь (2.19) і (2.20), одержимо рівняння теплового балансу абсорбера, що працює без відведення тепла:

. (2.21)

Для частини абсорбера, яка розташована вище перетину, в якому склад рідини дорівнює X, а температура t, це рівняння набуде вигляду:

,

звідси температура рідини в будь-якому перетині абсорбера при складі рідини Х становитиме:

. (2.22)

Під час побудови лінії рівноваги для кожного значення Х треба визначити t за рівнянням (2.22), а потім знайти Y^* для цих значень Х і t ( по рівнянню (2.4)).

 

2.5. Швидкість фізичної абсорбції

 

Швидкість процесу абсорбції характеризується основним рівнянням масоперенесення, якщо рушійну силу виражати в концентраціях газової фази:

.

Якщо в концентраціях рідкої фази, то рівняння має вигляд

.

У таких рівняннях коефіцієнти масоперенесення K_x, K_y визначаються за рівняннями (1.47) і (1.48):

,

,

де – коефіцієнт масовіддачі від потоку газу до поверхні контакту фаз; – коефіцієнт масовіддачі від поверхні контакту фаз до рідини.

Для добре розчинних газів величина m і дифузійний опір рідкої фази є незначними. Тоді і можна прийняти, що

Для погано розчинних газів можна знехтувати дифузійним опором газової фази. Тоді значення та є великими. Звідки та можна прийняти, що .

У рівнянні (1.46) мольні концентрації газової фази можна замінити парціальними тисками газу, вираженими в частках загального тиску. Тоді

, (2.23)

де Dp_сeр – середня рушійна сила процесу, виражена в одиницях тиску; K_p – коефіцієнт масоперенесення, віднесений до одиниці рушійної сили, що виражається через парціальні тиски газу, що поглинається.

Якщо лінія рівноваги є прямою, то середня рушійна сила процесу, подібно до рівняння (1.54), виражається рівнянням

, (2.24)

де Dр_б = р_{п –} р^*_к і Dр_м = р_{к –} р^*_п – рушійна сила на кінцях абсорбційного апарата; р_п і р_к – парціальні тиски газу на вході в апарат і виході з нього; р^*_к і р^*_п – рівноважні парціальні тиски газу на вході в апарат і виході з нього.

Якщо парціальний тиск виражено у частках загального тиску Р, то коефіцієнти масоперенесення K_p i K_y чисельно однакові.

Якщо ж парціальні тиски виражені в одиницях тиску, то

. (2.25)

Швидкість абсорбції, що супроводжується хімічною реакцією. У багатьох практично важливих процесах абсорбції поглинання газу рідиною супроводжується хімічною взаємодією фаз. Якщо реакція відбувається в рідкій фазі, то частина газоподібного компоненту переходить у зв'язаний стан. При цьому концентрація вільного (тобто не зв'язаного з газом, що поглинається) компонента в рідині зменшується, що приводить до прискорення процесу абсорбції порівняно з абсорбцією без хімічної взаємодії фаз, оскільки збільшується рушійна сила процесу. Загалом швидкість хемосорбції залежить як від швидкості реакції, так і від швидкості масоперенесення між фазами. Залежно від того, яка швидкість визначає загальну швидкість процесу перенесення маси, розрізняють кінетичну і дифузійну області перебігу хемосорбційних процесів.

У кінетичній області швидкість власне хімічної взаємодії є меншою від швидкості масоперенесення і тому лімітує швидкість усього процесу.

У дифузійній області лімітуючою є швидкість дифузії компонентів у зоні реакції, яка залежить від гідродинаміки і фізичних властивостей фаз і яку визначають за загальним рівнянням масоперенесення.

У тих випадках, коли швидкості реакції і масоперенесення є співмірними за ве­личиною, процеси абсорбції проходять у змішаній, або кінетично-дифузійній області.

Під час розрахунку необхідної поверхні контакту фаз в умовах хемосорбції прискорення процесу можна врахувати збільшенням коефіцієнта масовіддачі b_р, якщо вважати рушійну силу процесу такою самою, як за фізичної абсорбції. Тоді коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі b^`_р під час перебігу хімічної реакції

, (2.26)

де Ф – чинник прискорення масообміну, що показує, у скільки разів збільшується швидкість абсорбції внаслідок протікання хімічної реакції.

 

2.6. Будова абсорбційних апаратів

Апарати, в яких здійснюється процес абсорбції, називають абсорберами. Як інші процеси масоперенесення, абсорбція відбувається на границі розділення фаз. Тому абсорбери повинен мати розвинену поверхню контакту між рідиною та газом. За способом утворення такої поверхні абсорбери умовно поділяють на такі групи: 1) поверхневі та плівкові; 2) насадкові; 3) барботажні (тарілчасті); 4) роз­пилювальні.

Варто зазначити, що конструкції абсорберів, наведені нижче, часто використовують також для проведення інших масообмінних процесів.

2.6.1. Поверхневі та плівкові абсорбери

У поверхневих та плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є дзеркало нерухомої або повільно рухливої рідини, або поверхня рідкої плівки.

Поверхневі абсорбери. Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів. У таких апаратах газ проходить над поверхнею повільно рухомої або нерухомої рідини (рис. 2.3). Оскільки поверхня контакту в таких абсорберах є незначною, то встановлюють декілька послідовно з’єднаних апаратів, в яких газ та рідина рухаються протитоком. Для того, щоб рідина сама переміщувалася абсорберами, кожен наступний апарат розміщують нижче від попереднього. Для відведення тепла, що виділяється під час абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, які охолоджуються водою або іншим холодоагентом, або занурюють абсорбери в ємності з проточною водою.

Рис. 2.3. Поверхневий абсорбер

Досконалішим апаратом та­кого типу є зрошувальний абсорбер (рис. 2.4), що складається з великої кількості горизонтальних труб, які ззовні зрошуються водою. Необ­хідний рівень рідини в кожному елементі 1 такого апарата підтри­мується за допомогою порога 2.

Пластинчатий абсорбер (рис. 2.5) складається з двох систем каналів: канали 1 більшого перерізу рухаються протитоком газ та абсор­бент, канали 2 меншого перерізу – холодоагент, зазвичай – вода. Пластинчаті абсорбери виготовляють з графіту, оскільки він є хімічно стійким матеріалом, що добре проводить тепло.

Поверхневі абсорбери застосовуються обмежено через їх низьку ефективність та великі габарити.

Рис. 2.4. Зрошувальний абсорбер: 1 – елемент абсорбера; 2 – зливні пороги	Рис.2.5. Пластинчатий абсорбер: 1 – канали для проходження газу та абсорбенту; 2 – канали для протікання охолоджуючого агента (води)

Плівкові абсорбери. Ці апарати ефективніші та компактніші, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня текучої плівки рідини. Апарати такого типу поділяються на: 1) трубчасті абсор­бери; 2) абсорбери з плоско-паралельною або листовою насадкою; 3) абсорбери, в яких плівка рідини рухається догори.

Трубчастий абсорбер (рис. 2.6) за конструкцією нагадує вертикальний кожухотрубний теплообмінник. Абсорбент надходить на верхню трубну решітку, розподіляється по трубам та стікає їх внутрішньою поверхнею тонкою плівкою. В апаратах з більшою кількістю труб для рівномірнішої подачі використовують спеціальні розподільні пристрої. Газ рухається трубами знизу догори назустріч плівці рідини, що стікає. Для відведення тепла абсорбції міжтрубним простором циркулює вода або інший холодоагент.

Абсорбер з плоскопаралельною насадкою (рис. 2.7). Цей апарат є колоною з листовою насадкою 1 у вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластмаса та ін.) або натягнутої тканини. В верхній частині абсорбера знаходяться розподільчі пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.

Абсорбери з висхідним рухом плівки (рис. 2.8) склада­ється з труб 1, що закріплені в трубних решітках 2. Газ з камери 3 проходить патрубками 4, які розміщені на одній осі з трубами 1. Абсорбент надходить в труби крізь щілини 5.

Рис. 2.6. Трубчастий абсорбер

Газ з великою швидкістю захоплює плівку рідини у напрямку свого руху (знизу догори). Тобто апарат працює в прямо­течійному режимі, напрямленому догори. На виході з труб 1 рідина зливається на верхню трубну решітку та виводиться з абсорбера. Для відведення тепла абсорбції в міжтрубний простір подається холодоагент. Для збільшення ступеня вилучення застосо­вуються абсорбери, які складаються з двох або більше ступенів, кожен з яких працює за прямотечійним принципом, тоді як загалом в апараті рідина і газ рухаються проти­течійно один до одного. У таких апаратах можна досягти великих швидкостей – 30–40 м/с, що сприяє збільшенню коефіцієнтів масопере­несення, але, разом з тим, гідравлічний опір таких апаратів є доволі великим.

 

 

Рис. 2.7. Абсорбер з плоскопаралельною насадкою: 1 – листова насадка; 2 – розподільний пристрій	Рис. 2.8. Абсорбер з висхідним рухом плівки: 1 – труби; 2 – трубна решітка; 3 – камера; 4 – патрубок для подачі газу; 5 – щілина для подачі абсорбенту

2.6.2. Насадкові абсорбери

У промисловості поширені абсорбери, заповнені насадкою – тверді тіла різної форми. У насадковій колоні (рис. 2.9) насадка 1 вкладається на опорні решітки 2, що мають отвори або щілини для проходження газу або стоку рідини. Рідина за допомогою розподілювача 3 рівномірно зрошує насадкові тіла та стікає донизу. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілу рідини зазвичай не досягається, що пояснюється наявністю пристінкового ефекту – більшою густиною укладки насадки в центральній частині колони, ніж біля її стінок. Як наслідок – рідина розтікається від центральної частини колони до периферії. Тому для кращого змочування насадки в колонах великого діаметра насадку вкладають секціями висотою 2–3 м та під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють розподілювачі рідини 4.

Рис. 2.9. Насадковий абсорбер: 1 – насадка; 2 – опорна решітка; 3 – розподілювач рідини; 4 – перерозподілювач рідини	Рис. 2.10. Залежність гідравлічного опору насадки від швидкості газу в колоні (витрата рідини стала): 1 – суха насадка; 2 – зрошувана насадка

 

У насадковій колоні рідина стікає елементом насадки зазвичай тонкою плівкою, тому поверхнею контакту фаз є змочувана поверхня насадки, тобто насадкові апарати можна розглядати як різновид плівкових. Однак, в останніх плівковий рух рідини відбувається вздовж всього апарата, а в насадкових абсорберах – тільки по висоті елемента насадки. Під час перетікання рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується і на нижчому елементі утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить крізь розміщені нижче шари насадки у вигляді струменів, крапель або бризок. Частина поверхні насадки може бути змоченою застійною рідиною.

Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м²/м³) і вільний об`єм (м<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>). Величину вільного об`єму для непористої насадки здебільшого визначають заповненням об`єму насадки водою. Відношення об`єму води до об`єму, що займає насадка – величиною e. Еквівалентний діаметр насадки

. (2.27)

Гідродинамічні режими. Насадкові абсорбери можуть працювати у різних гідродинамічних режимах.

Перший режим – плівковий – спостерігається за невеликих густин зрошування і малих швидкостей газу. Кількість рідини, що затримується в насадці, за цього режиму практично не залежить від швидкості газу. Плівковий режим закінчується в першій перехідній точці (точка А, рис.2.10), що називається точкою підвисання.

Другий режим – режим підвисання. Під час протитоку фаз внаслідок збільшення сил тертя між газом і рідиною на поверхні контакту фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. У результаті цього швидкість стікання рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість рідини, що затримується в насадці, збільшується. У режимі підвисання зі зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно – інтенсивність процесу масоперенесення. Цей режим закінчується в другій перехідній точці (точка В, рис. 2.10), причому в режимі підвисання спокійний рух плівки порушується: з`являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботажу. Усе це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.

Третій режим – режим емульгування – виникає в результаті нагромадження рідини у вільному об`ємі насадки. Нагромаджується рідина доти, доки сила тертя між рідиною, яка стікає, і газом, що піднімається колоною, не зрівноважить силу ваги рідини, що знаходиться в насадці. При цьому настає інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ – дисперсною). Утворюється газорідинна дисперсна система, що за зовнішнім виглядом нагадує барботажний шар (піну) або рідинно- газову емульсію. Режим емульгування починається в самому вузькому перетині насадки, щільність засипання якої, як сказано вище, є нерівномірною по перерізу колони. Ретельним регулюванням подачі газу режим емульгування можна встановити по усій висоті насадки. Гідравлічний опір колони при цьому різко зростає. (На рис. 2.10 цей режим характеризується майже вертикальним відрізком ВС).

Режим емульгування відповідає максимальній ефективності насадкових колон, насамперед внаслідок збільшення поверхні контакту фаз, що у цьому разі визначається не тільки (і не стільки) геометричною поверхнею насадки, а поверхнею бульбашок і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об`єм насадки. Однак під час роботи колони в такому режимі її гідравлічний опір є відносно великим.

У режимах підвисання й емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, у процесах абсорбції, проведених за підвищених тисків). Для абсорберів, що працюють за атмосферного тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великою, що викликає необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найефективніший гідродинамічний режим у кожному конкретному випадку можна встановити тільки за техніко-економічними розрахунками.

Рис. 2.11. Емульгаційна насадкова колона: 1 – колона; 2 – гідравлічний затвор; 3 – вентиль; 4– розподільна тарілка

У звичайних насадкових колонах підтримування режиму емульгування є складним завданням. Існує конструкція насадкових колон із затопленою на­садкою, що називаються емульгацій­ними (рис. 2.11). У колоні 1 режим емульгування встановлюють і підтри­мують за допомогою зливної труби, виконаної у вигляді гідрав­лічного за­твора 2. Висоту емульсії в апараті регулюють вентилями 3. Для рівно­мір­нішого розподілення газу по перетину колони в ній є тарілка 4. Емульгаційні колони можна розглядати як насадкові тільки умовно. В цих колонах механізм взаємодії фаз наближається до барботажного.

 

Межею навантаження насадкових абсорберів, що працюють у плівковому режимі, є точка емульгування або інверсії. У звичайних насадкових колонах плівковий режим є нестійким і відразу переходить у захлинання, тому цю точку називають точкою захлинання насадкових колон.

Четвертий режим – режим винесення, або оберненого руху рідини, що виноситься з апарата газовим потоком. Цей режим на практиці не використовується.

Вибір насадок. Для того, щоб насадка працювала ефективно, вона повинна задовольняти такі основні вимоги: 1) мати велику поверхню в одиниці об’єму;
2) добре змочуватися зрошувальною рідиною; 3) створювати невеликий гідравлічний опір газовому потоку; 4) рівномірно розподіляти зрошувальну рідину; 5) бути стійкою до хімічного впливу рідини і газу, що рухаються в колоні; 6) мати малу питому вагу; 7) мати високу механічну міцність; 8) мати невисоку вартість.

Насадок, що цілком задовольняють усі зазначені вимоги, не існує, тому що, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки спричиняє збільшення гідравлічного опору апарата і зниження граничних навантажень. У промисловості застосовують різноманітні за формою і розмірами насадки (рис. 2.12), що тією чи іншою мірою задовольняють вимоги, що є основними під час проведення конкретного процесу абсорбції. Насадки виготовляють з різноманітних матеріалів (кераміка, порцеляна, сталь, пластмаси й ін.), вибір яких диктується величиною питомої поверхні насадки, змочуваністю і корозійною стійкістю.

Як насадку використовують засипані навалом у колону шматки коксу або кварцу розміром 25 – 100 мм. Однак внаслідок багатьох недоліків (низька питома поверхня, високий гідравлічний опір і т. д.) шматкову насадку сьогодні застосовують рідко.

Поширена насадка у вигляді тонкостінних керамічних кілець з висотою, яка дорівнює діаметру (кільця Рашіга), що змінюється в межах 15–150 мм. Кільця малих розмірів засипають в абсорбер навалом (рис. 2.12а). Великі кільця (розмірами не менше ніж 50 х 50 мм) вкладають правильними рядами, зміщеними один відносно одного (рис. 2.12б). Цей спосіб заповнення апарата насадкою називають завантаженням в укладання, а одного таким способом насадку – регулярною. Регулярна насадка має багато переваг перед нерегулярною, засипаною в абсорбер навалом: створює менший гідравлічний опір, допускає великі швидкості газу. Проте для покращання змочування регулярних насадок необхідно застосовувати складніші за конструкцією зрошувачі. Хордову дерев'яну насадку (рис. 2.12 ж) зазвичай використовують в абсорберах, які мають значний діаметр. Основна її перевага – простота виготовлення, недоліки – відносно невелика питома поверхня і малий вільний об’єм.

 

а б в г

 

д е ж з

Рис. 2.12. Типи насадок:

а – кільця Рашіга, безладно вкладені (навалом); б – кільця з перегородками, правильно вкладені; в – насадка Гудлоє; г – кільця Паля; д – насадка “Спрейпак”; е – сідла Берля; ж – хордова насадка; з – сідла “Інталлокс”

 

Нещодавно почали застосовувати спіральні насадки, виконані з металевих стрічок і дроту, різні металеві сітчасті насадки (рис. 2.12 д), а також насадки зі скловолокна. Характеристику насадок деяких типів наведено нижче в табл. 2.1.

Під час вибору розмірів насадки варто враховувати, що чим більшими є розміри її елемента, тим вищою допустима швидкість газу (і відповідно – продуктивність абсорбера), і нижчий його гідравлічний опір. Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижчою внаслідок зменшення діаметра апарата, незважаючи на те, що його висота трохи збільшиться порівняно з висотою апарата, що має насадку менших розмірів (внаслідок зниження величини питомої поверхні насадки й інтенсивності масоперенесення).

Дрібна насадка є кращою також під час проведення процесу абсорбції під підвищеним тиском, оскільки в цьому разі гідравлічний опір абсорбера не має істотного значення. Крім того, дрібна насадка, що має більшу питому поверхню, краща, ніж велика, тоді, коли для абсорбції необхідна велика кількість одиниць перенесення або теоретичних ступенів зміни концентрацій.

Основними перевагами насадкових колон є простота конструкції і низький гідравлічний опір. Недоліки: труднощі відводення теплоти, погана змочуваність насадки за низьких густин зрошення. Відведення тепла з цих апаратів і покращання змочуваності досягають рециркуляцією абсорбенту, що ускладнює і здорожує абсорбційну установку. Для проведення цього самого процесу є необхідними насадкові колони дещо більшого об`єму, ніж барботажні.

Таблиця 2.1