Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

18. АБСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ

В абсорбционных процессах участвуют две фазы – газовая и жидкая. Га-

зовая фаза состоит из непоглощаемого газа – носителя и одного или несколь-

ких абсорбируемых компонентов. Жидкая фаза – раствор абсорбируемого

компонента в жидком поглотителе.

Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое уста-

навливается при продолжительном соприкосновении фаз и зависит от соста-

ва фаз, темп

ературы, давления и термодинамических свойств компонента

и абсорбента. Закон равновесия газ–жидкость – закон Генри.

Растворимость или молярная доля газа в растворе при заданной темпе-

ратуре пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

iii

X K P ⋅=

∗

, (18.1)

где

∗

– парциальное давление i-го компонента в газе в условиях равновесия;

– молярная доля (концентрация) i-го компонента в жидкости;

– коэффициент пропорциональности (константа Генри) i-го компо-

нента.

Согласно закону Дальтона

= Y

Р, (18.2)

где Y

– молярная доля i-го извлекаемого компонента в газовой смеси;

Р – общее давление в системе.

Тогда из уравнений (18.1) и (18.2) получим

aX X

Y ==

∗

, (18.3)

где

∗

– молярная доля i-го компонента в газовой фазе при равновесии;

a – константа фазового равновесия.

В расчетах абсорбционных аппаратов часто пользуются относительными

молярными концентрациями, которые связаны с концентрациями, выражен-

ными в молярных долях:

- y

;

-x

, (18.4)

Подставив в (18.3) вместо молярных долей относительные молярные

концентрации, получим

()

−+

∗

. (18.5)

Линия равновесия строится по уравнениям (18.3) и (18.5). Если закон Генри

не применим – линию равновесия строят по экспериментальным данным.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Материальный баланс записывается для любого выбранного сечения

в кг на 1 кг абсорбента. Для всего абсорбера уравнение материального баланса:

ккнн

LXYGLXYG

⋅

+⋅

, (18.6)

откуда

))(

нккн

XL(XYYG

−

. (18.7)

Преобразуем (18.7)

нк

кн

−

==l

, (18.8)

где

– удельный расход абсорбента в кг на кг сухого газа.

Если записать уравнение (18.7) для сечения выше, получим

(

)

(

)

нк

XXLYYG

−

. (18.9)

В этом случае Y и X зависят от выбранного сечения. Уравнение (18.9)

– уравнение оперативной линии. В прямоугольной системе координат Х, Y

уравнение (18.9) – прямая линия АВ, наклон которой зависит от удельного

расхода абсорбента:

l=⋅

. (18.10)

Для графического расчета числа теоретических тарелок абсорбера не-

обходимо располагать кривой равновесия фаз, которая строится на основа-

нии экспериментальных или расчетных данных. Для газожидкостных систем,

подчиняющихся закону Рауля–Дальтона в условиях равновесия и для систем

отличающихся от закона Рауля–Дальтона,

Y' = КХ', (18.11)

где Р – давление насыщенных паров извлекаемого компонента при данной t°;

общ.

– общее давление системы;

К – константа фазового равновесия.

18.1. Расчет числа теоретических тарелок в тарельчатом абсорбере

Такой расчет может быть проведен как в ректификации. Точка В – на

оперативной прямой соответствует неравновесному состоянию газовой

и жидкой фаз под нижней тарелкой абсорбера. Очевидно, что в результате

контакта жидкости с газом на нижней 1-ой тарелке состав газа определяется

ординатой точки 1, лежащей на кривой равновесия фаз (см. рис. 32).

Проведя из точки 1 горизонталь для пересечения с оперативной линией

в точке 2, найдем состав жид

кости (абсцисса точки 2) стекающей со второй

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

тарелки на первую. Подобное построение необходимо проводить до тех пор,

пока последняя горизонталь (11 - А) не достигнет заданной концентрации из-

влекаемого компонента в отходящем сухом газе Y

. Из рис. 32 число теорети-

ческих тарелок равно 6. Если последняя горизонталь пройдет ниже точки А –

это свидетельствует о том, что в отходящем газовом потоке концентрация

извлекаемых компонентов ниже заданной величины Y

Рис. 32. Диаграмма равновесия при абсорбции

Из графика видно, что необходимое число тарелок зависит от положения

оперативной линии АВ. При увеличении удельного расхода абсорбента

−

точ-

ка В перемещается влево и оперативная прямая займет положение АВ

, АВ

т. е. оперативная линия удаляется от равновесной кривой, а необходимое

число тарелок при этом будет уменьшаться. При заданной степени извлече-

ния, определяемой положением точки А, минимальный удельный расход аб-

сорбента будет соответствовать такому положению оперативной линии, при

котором прямая АВ станет касательной к кривой ОС.

В"

В' В

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

18.2. Расчет десорбции

Уравнение математического баланса при десорбции сохраняет тот же

вид, что при абсорбции. В случае десорбции Х

> Х

и Y

> Y

. Величина G –

расход десорбирующего агента, например водяной пар.

Уравнение (18.7) приобретает вид

нк

кн

−

==l

, (18.12)

где

– расход десорбирующего агента, кг/кг.

Число тарелок в десорбере рассчитывают также графическим методом,

однако в этом случае оперативная линия АВ располагается правее кривой

равновесия фаз ОС.

Порядок расчета дан на (рис. 33). Наклон линии АВ при десорбции зави-

сит от расхода десорбирующего агента

, с увеличением последнего точка В

перемещается вниз, линия АВ удаляется от кривой равновесия фаз, а необхо-

димое число тарелок уменьшается. Минимальному количеству десорбента

соответствует бесконечно большое число тарелок, линия АВ становится каса-

тельной к кривой равновесия фаз. При повышении температуры или пониже-

нии давления кривая равновесия фаз становится более крутой и необходимое

число та

релок уменьшается. Повышение температуры или понижение давле-

ния при десорбции при неизменном числе тарелок позволяет сократить рас-

ход десорбирующего агента.

Рис. 33. Диаграмма равновесия при десорбции

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Из приведенного ранее анализа следует, что одна и та же степень извле-

чения в процессе абсорбции может быть достигнута при изменении таких ос-

новных параметров процесса абсорбции, как давление, температура, число

тарелок и расход абсорбента.

Повышение давления при абсорбции желательно, так как это позволяет

уменьшить расход абсорбента и число тарелок в абсорбере. Однако, когда

повышение давления в абсо

рбере связано с предварительным сжатием газа,

необходимо учитывать, что при этом возрастает расход энергии, что часто

лимитирует величину выбранного давления в аппарате.

Понижение температуры при абсорбции желательно, так как при этом

также снижается расход абсорбента или уменьшается необходимое число та-

релок. В промышленных условиях выбор температуры абсорбции зависи

главным образом от начальной и конечной температуры охлаждающего аген-

та. При использовании в качестве охлаждающего агента воды температура

абсорбции обычно находится в пределах 30

÷40 °С, так как охлаждение газа

и абсорбента до более низкой температуры требует чрезмерно высокого рас-

хода воды и большей поверхности охлаждения.

В некоторых случаях экономически оправдывается ведение процесса аб-

сорбции при пониженных температурах с использованием специальных хла-

доагентов: испаряющегося аммиака, пропана и т. д. В этом случае затраты на

сооружение и эксп

луатацию специальных холодильных установок меньше,

чем затраты, связанные с повышением давления в абсорбере или увеличени-

ем расхода абсорбента.

Необходимое число тарелок и расход абсорбента взаимосвязаны: увели-

чением числа тарелок в абсорбере можно добиться некоторого снижения

расхода абсорбента и наоборот. Увеличение числа тарелок вызывает увели-

чение высоты абсорбера, а следовательно, и расх

ода металла на аппарате.

При увеличении расхода абсорбента увеличиваются также затраты на

сооружение теплообменников, нагревателей и холодильников.

Наиболее выгодные условия абсорбции могут быть установлены техни-

ко-экономическими расчетами. Обычно целесообразным оказывается вари-

ант предусматривающий применение абсорбера с повышенным числом таре-

лок и сравнительно небольшим удельным расходом абсорбента, несколько

превышающим минимальное его количест

во.

Технико-экономическая эффективность работы десорбера зависит от

температуры десорбции, числа тарелок, расхода десорбирующего агента

и давления в аппарате. Эти величины также взаимосвязаны.

Повышение температуры десорбции позволяет сократить расход десор-

бирующего агента, уменьшить число тарелок в десорбере. Однако при уве-

личении температуры десорбции требуется увеличение расхода теплоты на

нагрев абсорбента и увеличение расхо

да охлаждающей воды, увеличивается

также поверхность нагревателей, теплообменников и холодильников. Опти-

мальный вариант работы может быть установлен только путем технико-

экономического сопоставления нескольких вариантов работы десорбера.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

При выборе давления в десорбере необходимо учитывать, что снижение

давления желательно, так как это позволяет сократить расход десорбирующего

агента и уменьшить число тарелок, однако это может оказаться нецелесообраз-

ным, так как из-за пониженного давления затрудняется конденсация продуктов

десорбции, появляется необходимость дополнительного их сжатия.

Из приведенного анализа следует, что при выборе оптимального режима

процесса в абсорбции-десорбции требуется всесторонн

ий учет основных

факторов, влияющих на эти процессы, и вопрос должен решаться для каждо-

го конкретного случая сопоставлением нескольких вариантов работы.

18.3. Тепловой баланс абсорбера

Поглощение извлекаемых компонентов из газа абсорбцией сопровожда-

ется выделением теплота, величина которая равна теплоте растворения дан-

ного компонента в абсорбенте q

(кДж/кг), и при отсутствии более точных

данных принята равной скрытой теплоте конденсации этого компонента.

Соответственно десорбция, т. е. переход данного компонента из раство-

ра в газовую фазу, сопровождается поглощением теплоты.

Количество теплоты, выделившейся при абсорбции, равно

(

)

aaa

qMqYYGQ

⋅

−

. (18.13)

Теплота, выделившаяся при абсорбции, повышает температуру абсор-

бента, что ухудшает протекание абсорбции.

Температура абсорбента t

при выходе из абсорбера приближенно может

быть вычислена из следующего выражения:

⋅

+≈

нк

, (18.14)

где t

– температура абсорбента при входе в аппарат в °С;

С – средняя теплоемкость в пределах температур (t

– t

), кДж/(кг град).

Средняя температура абсорбции

кн

ср

. (18.15)

При жидком газе, когда количество теплоты Q

сравнительно велико,

величина t

существенно отличается от t

и средняя температура абсорбции

может превысить желаемую величину. В этом случае во избежание дополни-

тельного расхода абсорбента или значительного ухудшения условий абсорб-

ции целесообразно предусмотреть в одном или нескольких сечениях аппара-

та отвод выделяющейся теплоты в холодильниках.

При отводе тепла температура на выходе из абсорбера определится из

выражения:

СL

⋅

−

+≈

нк

где Q – количество теплоты, отводимой из абсорбера.

Аналогично составляется тепловой баланс десорбера, на основе которого

определяется температура «тощего» абсорбента, отходящего с низа десорбера.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

19. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ

Явление адсорбции, т. е. поглощение вещества поверхностью, объясня-

ется наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и молекулами

адсорбируемого вещества.

Различают два вида адсорбции: физическую адсорбцию и хемосорбцию.

При физической адсорбции молекулы поглощенного вещества удерживаются

на поверхности адсорбента, не вступая с ним в химическое взаимодействие.

При хемосорбции молекулы поглощаемого вещества химически взаимодей-

ствуют с адсорбентом.

При физической ад

сорбции связь молекул адсорбата (поглощенное веще-

ство) с адсорбентом менее прочна, при хемосорбции эта связь значительно

прочнее. Физическая адсорбция является процессом экзотермическим.

Теплота адсорбции из газовой и паровой фаз – величина того же поряд-

ка, что и теплота конденсации, теплота адсорбции из растворов несколько

меньше. Различные вещества по отношению к данному адсорбенту обладают

различно

й способностью адсорбироваться (различной энергией адсорбции),

и поэтому, когда в слой адсорбента вводится смесь веществ, то преимущест-

венно будут адсорбироваться те компоненты смеси, которые обладают наи-

большей адсорбируемостью. Это свойство – избирательность и является ос-

новой адсорбционного разделения.

Процесс адсорбцоинного разделения прекращается, когда активная по-

верхность адсорбен

та оказывается заполненной слоем молекул адсорбата.

Если в слой адсорбента ввести сравнительно небольшое количество раз-

деляемой смеси, то в этом случае адсорбируются все ее компоненты. Это

происходит до тех пор, пока вся поверхность адсорбента не будет заполнена.

Дальнейшее поступление в слой адсорбента исходной смеси приведет к тому,

что молекулы вещества, от

личающиеся более высокой адсорбируемостью

будут частично вытеснять с поверхности адсорбента молекулы вещества

с меньшей адсорбируемостью и установится равновесие между адсорбиро-

ванной и неадсорбированной средами.

При прохождении исходной смеси через определенный слой адсорбента

процесс протекает послойно в направлении движения исходной разделяемой

смеси. Адсорбционное разделение в данном слое адсорбента будет заверше-

но, когда в потоке, выходящем из слоя адсорбента, появится компонент, под-

леж

ащий извлечению из исходной смеси, т. е. когда поверхность адсорбента

в соответствии с состоянием равновесия заполнится извлекаемым компонен-

том и наблюдается «проскок» этого компонента с уходящим потоком.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

19.1. Изотермы адсорбции. Скорость адсорбции

Изотерма адсорбции связывает при данной t° количество адсорбирован-

ного вещества единицей веса адсорбента с составом или парциальным давле-

нием разделяемой смеси. Изотермы адсорбции обычно строятся на основа-

нии экспериментальных данных. Количество адсорбируемого вещества воз-

растает с увеличением его концентрации (или парциального давления)

и с понижением температуры адсорбции (рис. 34).

Рис. 34. Изотермы адсорбции

Среди предложенных уравнений адсорбции наибольшее распространение

получили уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха:

вс

св

Ка

⋅

cКа

где а – количество адсорбированного вещества на единицу веса адсорбента;

с – концентрация адсорбируемого вещества (для газовых смесей могут

быть заменены парциальным давлением Р);

К, в – константы, зависящие от природы адсорбента, адсорбата и темпе-

ратуры.

Размеры аппаратуры определяет скорость адсорбции. В общем случае

скорость адсорбции слагается из скоростей следующих основных стадий:

а) скорости подв

ода вещества к внешней поверхности зерен адсорбента

– внешняя диффузия;

б) скорости перемещения вещества внутри зерен адсорбента – внутрен-

няя диффузия;

в) скорости собственно адсорбции.

количество адсорбированного вещества г/г

концентрация С или парциальное давление Р

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Собственно адсорбция практически протекает мгновенно и поэтому не

лимитирует скорость процесса в целом. Скорость процесса адсорбции может

лимитироваться только скоростью внешней диффузии, скоростью внутрен-

ней диффузии или зависит одновременно от обеих этих стадий. В связи

этим в зависимости от стадии, лимитирующей адсорбцию, скорость процес-

са адсорбции подразделяется на внешнедиффузионную, внутридиффузион-

ную и смешанную.

Внешнедиффузионная скорость процесса зави

сит от гидродинамическо-

го режима (скорости потока), температуры, диаметра зерен адсорбента, ко-

эффициента диффузии в среде между зернами, вязкости и плотности среды.

Внутридиффузионная скорость процесса определяется сложным процес-

сом внутренней диффузии в среде между зернами, вязкостью и плотностью

среды. Перемещение молекул в объеме пор зависит от диаметра пор, размера

гра

нул и размеров адсорбированных молекул, температуры и других факторов.

Наряду с перемещением молекул в объеме пор происходит перемеще-

ние молекул по поверхности адсорбента от одного активного центра к дру-

гому (фольмеровская или поверхностная диффузия). Это явление объясняет-

ся следующим образом. При достаточно низких температурах молекулы ад-

сорбирую

тся на наиболее активных центрах, совершая при этом колебания.

С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает и молекулы

перемещаются на соседние незанятые центры. Для этого требуется опреде-

ленная энергия активации. Скорость процесса возрастает с увеличением тем-

пературы.

Вследствие сложности явлений внешней и внутренней диффузии эти

процессы не нашли общепринятого математического выражения. Во многих

случ

аях скорость процесса удовлетворительно описывается следующим

уравнением Лэнгмюра:

)1(

τk

eаа

−

∞

−=

где а – величина адсорбции в момент времени τ;

∞

– величина равновесной адсорбции;

К – константа скорости адсорбции, зависящая от температуры и концен-

трации адсорбата.

19.2. Десорбция

В тех случаях, когда в газовом потоке или в растворе, проходящем через

слой адсорбента, концентрация (парциальное давление) адсорбируемого

компонента ниже равновесной, то данные компоненты десорбируются с по-

верхности и переходят в газовый поток или раствор до тех пор, пока не уста-

новится новое состояние равновесия.

На промышленных установках, предназначенных для разделения сме-

сей, вс

лед за стадией адсорбции протекает десорбция поглощенных компо-

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

100

нентов с поверхности адсорбента, при этом происходит восстановление его

адсорбционных свойств.

Процесс десорбции – регенерация адсорбента может осуществляться

следующими основными способами:

1. Вытеснением с поверхности адсорбента поглощенных компонентов

другим веществом, обладающим более высокой адсорбируемостью, после-

дующее отделение которого от адсорбента не представляет существенных

трудностей. Так, например, при адсорбционном разделении газообразной уг-

леводородной смеси в ка

честве десорбирующего агента можно использовать

водяной пар, который вытесняет углеводороды, занимая их место, так как

обладает большой адсорбируемостью, чем эти углеводороды. При этом про-

исходит конденсация водяного пара.

Когда десорбция углеводородов закончена, для полного восстановления

адсорбционных свойств адсорбента, его необходимо высушить. Десорбция

при помощи водяного пара сопровождается разогревом адсорбента за сч

ет

теплоты конденсации водяного пара, что облегчает сам процесс.

2. Вытеснением адсорбируемых компонентов веществом, обладающим

меньшей адсорбируемостью (неполярные растворители), когда процесс де-

сорбции осуществляется за счет нарушения состояния равновесия между ад-

сорбированной фазой и протекающим через слой адсорбента раствором

вследствие меньшей концентрации данных компонентов в растворе, чем это

следует по условиям равновесия с адсорбиров

анной фазой. Например, при

адсорбционном разделении различных нефтепродуктов, десорбирующим

агентом может быть бензиновая фракция, отличающаяся по температурам

кипения от пределов кипения исходной смеси, что позволит в последующем

отделить эту бензиновую фракцию обычной перегонкой.

3. Испарением адсорбированных элементов при нагреве адсорбента или

понижением общего или парциального давления в сист

еме. Такой метод де-

сорбции может быть использован при разделении смесей сравнительно лету-

чих компонентов.

4. Окислительной регенерацией, при которой адсорбированное вещество

выжигают с поверхности адсорбента. Метод применим, когда вещество от-

личается высокой адсорбируемостью, а значительной ценности не представ-

ляет – не является целевым.

Десорбция облегчается с повышением температуры и увеличением рас-

хода десорбирующего агент

а. Десорбция газообразных и легколетучих ком-

понентов облегчается с понижением давления в системе.

При десорбции – регенерации адсорбционная способность адсорбента

может восстанавливаться полностью или частично в зависимости от адсор-

бируемости десорбирующих компонентов, выбранного метода десорбции,

режима процесса температуры, расхода десорбирующего агента и др.

В ряде случаев оправдано частичное (неполное) восстановление ад

сорб-

ционной способности адсорбента, так как при этом сокращаются эксплуата-

ционные затраты.