Устройство выпарных аппаратов
Разнообразие свойств выпариваемых растворов; различие в' производительности и в применяемых теплоносителях обусловливают разнообразие в конструктивном оформлении выпарных аппаратов.
В зависимости от организации .процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты. Второму типу аппаратов, особенно для больших производительностей, всегда отдается предпочтение. Различают аппараты прямоточные — с однократным прохождением растворов через них — и аппараты с многократной циркуляцией. Циркуляция растворов может осуществляться за счет
143
различия плотностей в отдельных точках аппаратов и обеспечивать тем самым естественную циркуляцию раствора; для ее усиления устанавливают насосы, обеспечивающие более энергичную, принудительную, циркуляцию.
Втор ичный. ~~ пар |
Теплообменные поверхности аппаратов с обогревом водяным паром изготавливаются из трубных элементов, которые позволяют в малом объеме развивать значительные поверхности теплообмена.
. Упаренный \раствор |
Упаренный растВор |
Раствор на шпаридание |
Вторичный
Рис. 129. Аппарат с со-осиой греющей камерой:
/ — корпус греющей камеры, 2— теплообменная поверхность, 3 — сепаратор, 4 — брызгоуловитель, 5 — циркуляционная труба, 6—отвод конденсата
Рис. 130. Аппарат с вынесенной греющей камерой:
/ — греющая камера, 2 — сепаратор, 3— брызгоуловитель, 4 — циркуляционная труба, 5 — нижняя камера
|
|
Аппарат с соосной греющей камерой и естественной циркуляцией раствора (рис. 129) состоит из стального корпуса /, трубчатой теплообменной поверхности 2, сепаратора 3 с брызгоуловителем 4 и циркуляционой трубы 5. Раствор поступает на выпаривание в нижнюю часть трубчатой поверхности 2 и вскипает в трубках.за счет теплоты греющего пара, поступающего в межтрубное пространство. Образующийся в трубках вторичный пар отделяется в сепараторе 3, брызгоуловителе 4 от образующихся капель и удаляется из верхней части аппарата. В растворе за счет разности плотностей в трубчатке и'циркуляционной трубе возникает циркуляция, интенсифицирующая процесс теплообмена. Упаренный раствор удаляется из верхней части циркуляционной трубы. Аппараты изготавливаются с поверхностями нагрева от 10 до 800 м2.
Аппарат с вынесенной греющей камерой (рис. 130) состоит из греющей камеры /, выполненной из труб, сепаратора 2 с брызгоуло-
144
вителем 3 и циркуляционной трубы 4, соединенной с нижней камерой 5. Греющий пар поступает в межтрубноё пространство трубной камеры и обогревает трубки, заполненные жидкостью. Кипящая жидкость образует парожидкостную смесь, разделяемую в сепараторе на вторичный пар и жидкость, поступающую в циркуляционную трубу 4. За счет увеличения высоты трубок до 4—5 м создается
|
|
Вторичный. |
^ Упаренны й раствор |
Упаренный 2 раствор Греющий |
раствор |
Раствор на
^■^----------------------------------------------------
выпарку
Рис. 131. Аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной зоной кипения:
/—греющая камера, 2— сепаратор, 3—
труба вскипания, 4— отбойник, 5 — брыз-
гоуловнтель, 6 — циркуляционная труба,
7 — осевой насос
Рис. 132. Выпарной аппарат пленочного типа:
1 — греющая камера, 2 — сепаратор, . 3 — отбойник, 4 — брызгоуловнтель
значительная разность.давлений парожидкостного столба в трубках / и столба жидкости в циркуляционной трубе 4, что обеспёчива-: ет интенсивную естественную циркуляцию. Для улучшения отделения пара и брызг жидкости парожидкостная смесь вводится из греющей камеры в сепаратор тангенциально, по касательной. Капли, как более тяжелые частицы, ударяясь о внутренние стенки сепаратора, собираются и стекают в его нижнюю часть, а.вторичный пар поступает в брызгоуловнтель 3, где очищается дополнительно.
Преимущество этих аппаратов заключается также в том, что греющая камера расположена отдельно; это позволяет легко осматривать ее, чистить внутреннюю поверхность или заменять камеру. Аппараты могут иметь поверхность нагрева от 25 до 800 м2.
|
|
Аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенной зоной кипения (рис. 131) состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2 с трубой вскипания 3, отбойника 4, брызгоуловителя 5, циркуляционной трубы 6 и осевого насоса 7.
По сравнению с рассмотренными ранее аппарат этого типа имеет некоторые особенности. Скорость жидкости в трубах за счет работы осевого насоса поднимается до 2—2,5 м/с, что обеспечивает
145
более интенсивную циркуляцию. Помимо улучшения коэффициента теплопередачи за счет большей скорости омывания теплопередаю-щей поверхности выпариваемым раствором в этом случае уменьшается возможность отложения кристаллов и накипи на поверхности, что также улучшает условия теплопередачи. Кипение раствора в трубах теплопередающей поверхности незначительно, раствор пере--гревается за счет дополнительного гидростатического давления, и основное парообразование происходит в трубе вскипания 3, когда перегретый раствор поднимается и дополнительное гидростатическое давление падает. Поверхности нагрева аппаратов .от 25 до 1000 м2. *
|
|
. Пленочный выпарной аппарат (рис. 132) состоит из греющей камеры /, сепаратора 2, отбойника 3 и брызгоуловителя 4. Греющий пар поступает в межтрубное пространство,- отдает скрытую теплоту парообразования трубкам и удаляется- в виде конденсата из нижней части межтрубного пространства. Трубки греющей камеры длиннее (5,0—7,0 м), чем в рассмотренных выше конструкциях, и принцип действия этого аппарата существенно отличается от других типов.
Раствор поступает в нижнюю часть аппарата и заполняет трубки на 20—25% их высоты. Он энергично вскипает, и парожидкост-ная эмульсия в виде пленки жидкости, соприкасающейся с внутренней стенкой трубки и центральной частью потока—г вторичным паром, с большой скоростью поднимается по трубкам вверх, обеспечивая малое время пребывания жидкости в аппарате. Из верхней части трубок смесь выбрасывается, поступает на отбойник 3, жидкость стекает вниз, а пар дополнительно освобождается от капель жидкости в брызгоуловителе 4. Поскольку плотность парожидкост-ной смеси очень мала, гидростатические потери в этом аппарате, несмотря на большую высоту труб, не учитываются, аппарат работает при однократном прохождении жидкости, циркуляция в нем отсутствует. Поверхности нагрева аппаратов изменяются в широком диапазоне — от 63 до 2500 м2.
Существует также аппарат, в котором выпаривание раствора осуществляется за счет подвода теплоты при сгорании газа непосредственно в растворе с помощью погруженных горелок. Аппараты этого типа выгодно отличаются от рассмотренных тем, что не имеют поверхности нагрева и теплота, образующаяся при сгорании газов, непосредственно генерируется в растворе. Однако условия работы аппарата не обеспечивают полноты сгорания топлива, и поэтому их можно применять в тех случаях, когда не требуется высокой чистоты получаемого раствора.
Вопросы для повторения. 1. Что называется процессом.выпаривания? Почему необходимо принимать меры, обеспечивающие экономное ведение процесса? 2. Как осуществляется выпаривание в одиокорпусной установке? В чем его пре* имущества? 3. Из каких стадий прихода и расхода складывается тепловой баланс простого выпаривания? 4. Опишите устройство и работу многокорпусных выпарных установок. 5. Чем определяется число корпусов в многокорпусной выпарной установке? 6. Как устроен и работает аппарат с вынесенной греющей камерой? 7. Каковы особенности работы пленочного выпарного аппарата?
146
глава12. Кристаллизация
Общие сведения
Кристаллизацией называют выделение твердой фазы в виде кристалла из растворов или расплавов. В химической технологии процесс кристаллизации используют для получения веществ в чистом виде. Кристаллизацию проводят обычно из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры или удаления части растворителя. Кристаллизацию ведут также из расплавов путем их охлаждения.
В условиях производства процесс кристаллизации складывается из отдельных операций: собственно кристаллизации, отделения кристаллов от раствора (называемого в этом случае маточным), промывки кристаллов и их последующей сушки. В качестве предварительной операции, предшествующей кристаллизации и обеспечивающей необходимую концентрацию раствора, как правило, проводят выпаривание.
Растворимость большинства веществ при повышении темпера
туры увеличивается, и, следовательно, для выделения кристаллов
из раствора (насыщенного) необходимо охлаждение вещества.
В тех случаях, когда растворимость- мало зависит от температуры,
для проведения процесса кристаллизации следует удалить часть
имеющегося растворителя. ■ .. —
Скорость кристаллизации зависит от ряда факторов: степени пересыщения раствора*, интенсивности перемешивания, наличия примесей и других причин. Кристаллизация начинается с возникновения зародышей, или центров кристаллизации, вокруг которых происходит рост кристаллов. Скорость образования зародышей зависит от температуры, механических воздействий (перемешивание, встряхивание), степени шероховатости стенок и др. Скорость кристаллизации не является постоянней величиной: вначале она увеличивается, а затем падает. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, поскольку при этом ускоряется диффузия, облегчается подход из раствора новых молекул вещества, из которых складывается структура кристалла. На свойства получаемых кристаллов влияют условия, при которых происходит процесс кристаллизации (скорость охлаждения, перемешивание и др.).
, Форма кристаллов определяется природой кристаллизующего-ся вещества и в некоторой степени зависит от наличия примесей в растворе. Размер кристаллов зависит от скорости'роста кристаллов. Более крупные кристаллы получаются при медленном росте и
* Пересыщенным называется раствор в таком неустойчивом состоянии, при котором концентрация растворенного вещества, превышает равновесную концентрацию. При внесении зародышей кристаллов в такой раствор, а также вследствие трения или других причин происходит быстрое выпадение кристаллов до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.
147
небольшом пересыщении раствора. Крупные кристаллы получают, вводя предварительно в раствор затравочные кристаллы и удаляя из зоны кристаллизации мелкие фракции.
Чистота получаемого продукта (кристаллов) зависит от ряда факторов, в том числе от размеров кристаллов. Мелкие кристаллы имеют большую наружную поверхность, на которой задерживается маточный раствор, и, следовательно, продукт в этом случае содержит больше примесей, чем при образовании крупных кристаллов. Однако и крупные кристаллы могут содержать включения раствора в' трещинах, полостях или адсорбировать его гранями. При получении'особо чистых веществ их подвергают перекристаллизации, с удалением маточного раствора, промывкой и сушкой полученного продукта.
Фракционный состав кристаллов регулируют сужением пределов температуры и концентрации раствора, обеспечивающим уменьшение содержания мелких фракций.
Способы кристаллизации
Кристаллизацию с изменением температуры раствор* проводят из растворов, у которых растворимость веществ с увеличением температуры растет (положительная растворимость). Для выделения кристаллов в этом случае необходимо охладить раствор. Охлаждение проводят путем отбора теплоты через стенку водой или охлаждающими рассолами либо обдувом воздухом. При охлаждении воздухом отводить теплоту труднее, чем при охлаждении водой или раесолом. Поэтому процесс кристаллизации протекает медленнее, но образуются более крупные и однородные кристаллы.
При отрицательной растворимости веществ, когда с повышением температуры их растворимость падает, кристаллизацию осуществляют путем нагрева теплой водой или водяным паром.
Кристаллизацию с удалением части растворителя проводят при его частичном испарении или вымораживании. Часто это заключительная фаза процесса удаления основной массы растворителя (процесса выпаривания). Основные затруднения, которые возникают в заключительной стадии процесса выпаривания, заключаются в 'отложении кристаллов — инкрустации теплопередающих поверхностей, вызывающей ухудшение теплопередачи. Для уменьшения твердых отложений на стенках выпарных аппаратов и кристаллизаторов увеличивают скорость движения раствора, применяя принудительную циркуляцию и механическое перемешивание раствора. Отделение кристаллов от маточного раствора проводят на центрифугах или фильтрах.
В некоторых случаях применяют комбинированные способы кристаллизации с испарением части растворителя и одновременным охлаждением раствора, а также кристаллизацию под вакуумом и дробную кристаллизацию. В этом случае создают условия для последовательного осаждения находящихся в растворе веществ
148
частичной дробной кристаллизацией и таким образом последовательно извлекают из раствора содержащиеся в нем вещества.
Кристаллизации из расплавов подвергают такие вещества, как натфалин, сера, паранитроанилин и др., когда в процессе участвует зся масса расплавленного продукта.
Устройство кристаллизаторов
Кристаллизаторы с охлаждением раствора. Качающийся кристаллизатор (рис. 133) представляет собой длинное, неглубокое металлическое корыто 2 с загнутыми внутрь бортами, на котором укреплены полукруглые бандажи 3,
катающиеся по опорным роликам /. раствор
Кристаллизатор немного наклонен по оси и снабжен приводом, сообщающим ему медленные маятниковые движения (на рисунке привод не показан).
Горячий раствор подается в верх
нюю часть кристаллизатора и, медлен
но перетекая по нему, охлаждается за ^
счет теплопотерь в окружающую сре
ду и частичного испарения раствори
теля. Медленное охлаждение при сдают
слабом движении раствора способст
вует Образованию отдельных круп- Рнс. 133. Качающийся кристал-
ных кристаллов, не срастающихся меж- лизатор:
* о 1 — полнки, 2 — металлическое KQ-
ДУ СОбОИ, Как В НеПОДВИЖНОМ рЭСТВО- Р рыто, 3 - бандажи
ре. При работе аппарата кристаллы
почти не откладываются на стенках. Полученная суспензия выгружается из нижнего конца 'кристаллизатора. Далее кристаллы отделяются от маточного раствора на центрифугах или фильтрах и ■ поступают на сушку. Производительность качающихся кристаллизаторов невелика, а выделяющиеся пары, попадая в цех, сильно загрязняют атмосферу. Увеличения производительности достигают в кристаллизаторах других типов.
Кристаллизатор с ленточной мешалкой (рис. 134) состоит из корпуса 2, снабженного водяной рубашкой / и тихоходной мешалкой 3. Раствор, подлежащий кристаллизации, и охлаждающая.вода подаются противотоком, что обеспечивает по всей длине аппарата приблизительно одинаковую разность температур. Мешалка имеет ленточные лопасти, близко подходящие к стенкам аппарата и препятствующие образованию на них кристаллов. Форма лопастей мешалки на выходе охлажденной суспецзии способствует выгрузке кристаллов. Аппараты могут быть открытыми или с крышками, препятствующими попаданию паров в рабочее помещение.
Барабанный кристаллизатор с водяным охлаждением (рис. 135) —широко распространенный аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса 3, снабженного рубашкой 4 и вращающегося на бандажах 1 и опорных роликах 5. Привод осуществляется через
149
Вода |
Соковый |
Суспензия |
Раствор |
ЖЩГ |
нив (g^nai ими ®
Рис. 134. Кристаллизатор с ленточной мешалкой:
Раствор |
Вода |
Суспензия |
/—рубашка, 2— корпус аппарата, 3 — мешалка
Рис. 1'35. Барабанный кристаллизатор:
/ — бандажи, 2 —венцовая шестерня, 3 — корпус, 4 — рубашка, 5 — опорные 'ролики
Рис. 136. Выпарной аппарат
с кристаллизацией
раствора:
/ — фильтры, 2 — выпорной аппарат с подвесной греющей камерой
венцовую шестерню 2. Охлаждающая вода и раствор также движутся противотоком. Недостатком этой конструкции является налипание кристаллов на внутренней поверхности; в некоторых конструкциях для устранения налипания в кристаллизатор помещают цепи, сбивающие кристаллы со стенок.
Применяются также барабанные кристаллизаторы без водяной рубашки, в которых продукт охлаждается вдуваемым воздухом при частичном испарении растворителя, что увеличивает количество теплоты, отбираемой от раствора.
Рис. 137. Вальцевый кристаллизатор: 1 zr - корыто, 2 — барабан, 3 — нож для съема осадка
Кристаллизаторы с удалением части растворителя. Выпарной аппарат-кристаллизатор (рис. 136) состоит из выпарного аппарата 2 с подвесной греющей камерой и двух фильтров /, работающих поочередно. Образующиеся в аппарате при выпаривании раствора кристаллы скапливаются в его нижней конической части и периодически отводятся на один из фильтров, где их отделяют от маточного раствора и промывают.
Кристаллизаторы для расплавов. Вальцовый кристаллизатор для расплавов (рис. 137) состоит из барабана 2 с двойными стенками, вращающегося в цапфах, нижняя часть которого погружена в корыто /, снабженное рубашкой для парового обогрева. Барабан медленно вращается и своей нижней частью захватывает расплав, образующий на охлаждаемой стенке барабана корку кристаллов. При вращении барабана и охлаждении полученные кристаллы снимаются с барабана ножом 3.
Для увеличения производительности и поверхности охлаждения в настоящее время разрабатываются конструкции барабанов с ребристой боковой поверхностью. В некоторых случаях барабаны не имеют двойных стенок и охлаждающая вода поступает в общую внутреннюю полость. Хорошо отрегулированные кристаллизаторы этого типа не требуют постоянного надзора и обеспечивают хорошую производительность.
Вопросы для повторения. 1. Что называется процессом кристаллизации и с какой целью этот процесс проводится в промышленности? 2. От каких факторов зависят форма и размер получаемых кристаллов? 3. Как проводится кристалли-
151
зация веществ, растворимость которых увеличивается с повышением температуры? 4. В каких случаях процесс выпаривания совмещается с процессом кристаллизации?. 5. Как устроен качающийся кристаллизатор и в чем его преимущества? 6. Как устроены вальцовые кристаллизаторы и в каких случаях оии применяются?
ГЛАВА13. ОСНОВЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В химической технологии большое значение имеют процессы "массопередачи, которые заключаются в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую. Причиной, вызывающей перераспределение жидкого или газообразного компонента между фазами, является различное содержание этого компонента в фазах. Применяя процесс массопередачи, можно осуществлять разделение смесей различных веществ на компоненты. Эти смеси могут представлять собой неодг нбродные — гетерогенные или однородные — гомогенные системы, разделение которых представляет' наибольшую трудность.
Массообменные процессы происходят при разделении двухком-понентных и многокомпонентных смесей на отдельные компоненты или реже "при смешении компонентов.
Процессы теплопередачи и массопередачи во многом аналогичны, хотя между ними есть существенные различия. Движущей силой процессов теплопередачи является разность температур между обменивающимися теплотой средами, движущей силой процессов массопередачи— разность концентраций между фазами. Однако если в процессах' теплопередачи поверхность теплообмена, как правило, известна, то определить при массообмене поверхность контакта между фазами в виде отдельных струй газа или пара с пузырьками, брызгами, пеной жидкости или твердыми частицами крайне трудно,. так как величина этой поверхности постоянно меняется.
В химической промышленности применяются следующие процессы, основанные на явлениях массопередачи.
Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс, при котором вещество переходит из газовой фазы в жидкую и растворяется в ней. Обратный процесс удаления из жидкости растворенного в ней газа называется десорбцией.
. Перегонка и ректификация — разделение гомогенных жидких смесей путем испарения компонента, обладающего более высокой летучестью, с последующей конденсацией этого компонента.
Экстракция — извлечение растворенного в жидкости вещества с помощью другой жидкости, не смешивающейся в первой и способной лучше растворять это вещество.
Адсорбция — поглощение твердым пористым поглотителем одного компонента из многокомпонентной' смеси газов, паров или жидкостей. Обратный процесс называется десорбцией и служит для выделения адсорбированного вещества и регенерации поглотителя.
Сушка — удаление влаги из твердых тел путем испарения. .
Кристаллизация — выделение одного или нескольких компонентов в виде кристаллов из раствора или расплава.
152
Все гетерогенные процессы массопередачи включают стадии переноса вещества в пределах одной фазы, перехода вещества из одной фазы в Другую через поверхность раздела и стадии распределения вещества в другой фазе. При рассмотрении механизма массопереноса через границу раздела фаз в системах газ — Жидкость, газ — твердое тело или жидкость — твердое тело различают центральную часть потока, или ядро потока, и диффузионный слой, непосредственно соприкасающийся с поверхностью.
В большинстве случаев массообменные процессы сопровождаются теплообменом, который оказывает влияние на их скорость. Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т. е. способности одного вещества самопроизвольно проникать в другое за счет беспорядочного теплового движения молекул. В движущейся среде массопередача может осуществляться также за счет конвективного переноса массы. Суммарный процесс, который складывается из молекулярной диффузии и конвективного переноса, иосит название конвективной диффузии.
Состав вещества необходимо знать для определения направления и скорости массообменного процесва. Его выражают в массовых процентах (мае. %) и массовых долях лли чаще в молярных процентах (мол. %) или молярных долях. Если рассматривать смесь, состоящую из двух компонентов — Л и В, и принять, что и — массовой процент легколетучего компонента Л; 6 = 1—а — массовый процент компонента В; МА— молекулярная масса компонента А; Мв— молекулярная масса компонента В; ХА— молекулярная доля легколетучего вещества А в растворе, то связь между массовыми а, 6 и молярными Ха и Хвдолями компонентов выражается формулами
х---------------- ум *-------- 3.1)
a/MA+(l-a)/MB K '
Хв=~------- " J ?*»----- __. (13.2)
Числитель определяет число молей компонентов Л и В, а знаменатель— сумму молей двух веществ. Формулы позволяют рассчитать отношение числа молей веществ Л и В к общему числу молей, т. е. выражают состав в долях моля.
Процесс переноса массы из одной фазы в другую осуществляется до тех пор, пока в фазах не будут достигнуты условия равновесия. Условия равновесия определяются предельными, или равновесными, концентрациями, при которых не происходит перехода вещества из фазы в фазу, т. е. движущая сила процесса становится равной нулю. В условиях равновесия концентрация распределенного вещества в одной фазе соответствует строго определенной концентрации в другой фазе. Равновесные концентрации рассчитывают с помощью уравнения равновесия либо определяют по графику линии равновесия.
153
Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной. Так, в процессе абсорбции распределяемое вещество переходит из газовой фазы в жидкую. В процессах перегонки и ректификации двухкрмпонентной смеси более летучее вещество переходит из жидкой фазы в паровую до тех пор, пока не наступит равновесие между фазами по содержанию этого компонента.
Уравнение массопередачи выражает зависимость между количеством вещества М, передаваемого из одной фазы в. другую, поверхностью раздела фаз F и продолжительностью процесса т:
M = KFbx , . (13.3)
где К — коэффициент массопередачи; Д — средняя движущая сила процесса.
Коэффициент массопередачи равен количеству вещества, переданного из одной фазы в другую через единицу поверхности контакта фаз при единице движущей силы процесса за единицу времени:
' K = M /( FLxy ' (13.4)
ГЛАВА 14. АБСОРБЦИЯ
Общие сведения
Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ не взаимодействует химически с поглощающей жидкостью. Изменяя условия ведения процесса, можно из жидкости выделить растворенный газ, т. е. провести процесс десорбции. Сочетание процессов абсорбции и десорбции позволяет многократно использовать растворитель и получать растворенный газ в чистом виде. Если между газом и жидкостью происходит химическое взанмедействие, процесс называется хёмосорбцией.
Процессы абсорбции широко распространены в химической про
мышленности. При получении важных химических продуктов про
цесс абсорбции является основной технологической стадией произ
водства (например, абсорбция газообразного НС1 водой при полу
чении соляной' кислоты, абсорбция БОз в производстве серной
кислоты, поглощение паров бензола маслом). Кроме того, процес
сы абсорбции применяются при санитарной очистке выбросных га
зов для улавливания вредных продуктов во избежание попадания
их в атмосферу. *
Для системы газ — жидкость переменными, влияющими на процесс, являются температура, давление и концентрации компонента в обеих фазах. Зависимость между составом газа (его концентрацией) и составом жидкости, находящихся в равновесии, выражается
154
законом Генри, по которому парциальное давление растворенного газа ра пропорционально его мольной доле Ха в растворе:
ра=ЕХа. - (14.1)
В этом уравнении величина Е — коэффициент пропорциональности — иосит название константы Генри. Числовые значения константы Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе. Используя также закон Дальтона, можно установить зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в жидкости.
Зависимость в координатах давление — состав жидкости выражается прямыми линиями, проходящими через начало координат.
Рис. 138. К определению удельного расхода абсорбента и значения движущей силы: а — схема работы аппарата, б — график зависимости расхода жидкости и значения движу щей силы |
Материальный баланс абсорбера и расход абсорбента. Если обозначить G — расход инертного газа (рис. 138, а); Ув, Ух — начальную и конечную концентрации данного компонента в газе; L — расход абсорбента (жидкости.); Хв, хк— начальную и конечную концентрации компонента в жидкой фазе, то уравнение материального баланса абсорбера при подаче противотоком
G ( yB - yK )= L ( xK - x »), (14.2)
откуда общий расход абсорбента составит
У и — У к |
(14.3) |
1=0
хк— хв
Удельный расход абсорбента / выражается следующим образом:
t = L / G =( yH - yK )/( xK - xs ). ^ (14.4)
Это уравнение может быть цредставлено также в виде
Уи—Ук=Цхк~хя). - (14.5)
Уравнение (14.5) показывает, что концентрация меняется в абсорбере прямолинейно и, следовательно, в координатах: состав газа у и состав жидкости х рабочая линия процесса ""абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого l = L / G . Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата существует зависимость, связанная со значением движущей силы процесса.
На рис. 138, б по оси абсцисс х отложены мольные концентрации компонента в жидкой фазе, а по оси ординат у^в газообразной. Начальные концентрации ув, уки хвобычно бывают заданы.
155
Через точку В (хп, ук) можно провести несколько прямых АВ, А\В, АлВ, А3В с заданной ординатой уа, но эти линии имеют различные углы наклона и, следовательно, различные удельные расходы абсорбента. Конечные концентрации xs , Х\, Х2, хз также различны. Очевидно, чем меньше угол наклона рабочей линии, тем выше его конечная концентрация х и меньше удельный расход абсорбента: l = L / G . Однако при уменьшении угла наклона рабочей линии она приближается к равновесной кривой «/=/(*) и движущая сила процесса Ау уменьшается ( Ay 3 < Ayi ). Но исходя из основного уравнения массопередачи M = KyFAyx , если уменьшается движущая сила Ау, для передачи того же количества вещества необходимо увеличить поверхность контакта между фазами, т. е. увеличить размеры аппарата.
Очевидно, при реализации процесса поглощения в промышленном масштабе удельный расход поглотителя не должен быть слишком большим, но и размеры аппарата также не должны быть неоправданно велики. При проектировании это оптимальное соотношение определяют технико-экономическим расчетом.
Скорость процесса абсорбции. При применении процессов абсорбции имеют дело как с хорошо, так и с плохо растворимыми газами. В зависимости от этого механизм переноса массы видоизменяется, что непосредственно влияет на значение коэффициента массопередачи, а следовательно, и на интенсивность процесса. При абсорбции хорошо растворимых газов сопротивление массопе-редаче при прохождении газа через границу контакта невелико и им можно пренебречь. Напротив, при абсорбции плохо растворимых газов основное сопротивление массопередаче сосредоточено на-границе перехода газообразного вещества в жидкую фазу. Такое разделение газов на хорошо и плохо растворимые условно, но оно имеет большое значение для подбора аппаратуры при реализации процесса.
Процессы физической абсорбции в ряде случаев сопровождаются тепловыми эффектами растворения, и это обстоятельство также следует учитывать при организации процесса. Растворимость газов в жидкостях при увеличении температуры уменьшается, и поэтому в тех случаях, когда теплота растворения газа в жидкости значительна, необходимо при выборе абсорбционной аппаратуры предусматривать возможность отведения образующейся теплоты для полноты проведения процесса.
При проведении процессов десорбции необходимо нагревать смесь, тем самым заставляя выделяться абсорбированный газ.
Плотность орошения. В большинстве случаев для абсорбции используются аппараты колонного типа. В этих аппаратах жидкость подается в верхнюю часть, стекает вниз, газ подается противотоком, поступая в нижнюю часть и поднимаясь вверх. Скорости подачи жидкости и газа могут изменяться в зависимости от конструкции внутренних устройств. Количество жидкости, поступающее на единицу сечения колонны в единицу времени, обычно выражается в кг/(м2-ч), и эта величина называется плотностью орошения.
156
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 351; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!