ответы. процессы и аппараты. 1 вопрос. Виды процессов массопередачи
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Поверхностные абсорберы. Эти абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рисунок 5). Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.  Рисунок 5-Поверхностный абсорбер Более совершенным аппаратом такого типа является абсорбер (рисунок 6), состоящий из ряда горизонтальных труб, орошаемых снаружи водой. Необходимый уровень жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2.  Рисунок 6-Оросительный абсорбер: 1-элемент абсорберов; 2-сливные пороги Пластинчатый абсорбер (рисунок 7) состоит из двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент, по каналам 2 меньшего сечения —— охлаждающий агент (как правило, вода). Пластинчатые абсорберы обычно изготавливаются из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим тепло.  Рисунок 7-Пластинчатый абсорбер: 1-каналы для прохождения газа и абсорбента; 2-каналы для протекания охлаждающего агента (воды). Поверхностные абсорберы имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости. Пленочные абсорберы. Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: трубчатые абсорберы; абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; абсорберы с восходящим движением пленки жидкости. Трубчатый абсорбер (рисунок 8) похож по устройству на вертикальный кожухотрубчатый теплообменник. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или охлаждающий агент.  Рисунок 8-Трубчатый абсорбер: 1-трубная решетка; 2-трубы Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рисунок 9). Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.  Рисунок 9-Абсорбер с плоскопараллельной насадкой: 1-листовая насадка; 2-распределительное устройство Абсорбер с восходящим движением пленки (рисунок 10) состоит из труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух или более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В аппаратах с восходящим движением пленки вследствие больших скоростей газового потока (до 30-40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико.  Рисунок 10-Абсорбер с восходящим движением жидкой пленки: 1-трубы; 2-трубная решетка; 3-камера; 4-патрубок для подачи газа; 5-щель для подачи абсорбента Насадочные абсорберы Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой-твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рисунок 11) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом — большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.  Рисунок 11-Насадочный абсорбер: 1-насадка; 2-опорная решетка; 3-распределитель жидкости; 4-перераспределитель жидкости В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах-только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2/м3) и свободный объем ε (м3/м3). Свободный объем для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину  . В соответствии с формулой (49) эквивалентный диаметр насадки равен: (49)Гидродинамические режимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Эти режимы видны из графика (рисунок 12), выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне. Первый режим — пленочный —— наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка А, рисунок 12), называемой точкой подвисания. Второй режим —— режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно —— интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок 12), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена. Третий режим-режим эмульгирования-возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ—дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газо- жидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает (на рисунке 12 этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС). Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только геометрической поверхностью насадки, но поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико. В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный режим гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.  Рисунок 12-Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне: 1-сухая насадка; 2-орошаемая насадка В обычных насадочных колоннах поддержание режима эмульгирования представляет большие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн с затопленной насадкой, называемых эмульгационными (рисунок 13). В колонне 1 режим эмульгирования устанавливают и поддерживают с помощью сливной трубы, выполненной в виде гидравлического затвора 2. Высоту эмульсии в аппарате регулируют посредством вентилей 3. Для более равномерного распределения газа по сечению колонны в ней имеется тарелка 4. Эмульгационные колонны можно рассматривать как насадочные лишь условно. В этих колоннах механизм взаимодействия фаз приближается к барботажному.  Рисунок 13-Эмульгационная насадочная колонна 1-колонна; 2-гидравлический затор; 3-вентиль; 4-распределительная тарелка Четвертый режим-режим уноса, или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется. Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные. Насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями. Для таких жидкостей в последнее время стали применять абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют главным образом легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. В абсорберах с «плавающей» насадкой допустимы более высокие скорости газа, чем в абсорберах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к большему расширению слоя шаров и, следовательно, к незначительному увеличению гидравлического сопротивления аппарата. Барботажные (тарельчатые) абсорберы Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки — тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с тарелок барботажные абсорберы можно подразделить на колонны: с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств. Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств—сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство. Принцип работы колонн такого типа виден из рисунка 14‚ где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны. Переливные трубки располагают на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних тарелках протекала во взаимнопротивоположных направлениях. За последнее время все шире применяют сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных порогом—переливом. К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.  Рисунок 14-Таркльчатая колонна со сливными устройствами: 1-тарелка; 2-сливные устройства Колонны с тарелками без сливных устройств (рисунок 15). В тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку-«проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.  Рисунок 15-Колонна с тарелками без сливных устройств: 1-колонна; 2-тарелки; 3-распределитель жидкости Распыливающие абсорберы В абсорберах этого типа тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке. Полый распыливающий абсорбер (рисунок 16) представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.  Рисунок 16-Полый распыливающий абсорбер: 1-колонна; 2-форсунки К достоинствам полых распыливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта. Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыливание жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями, необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно — поверхности коитакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости. Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов, так как вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициенты массоотдачи в газовой фазе (βг) в этих аппаратах достаточно высоки. Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающце абсорберы, 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 абсор6ер Вентури (рисунок 17)‚ основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1 трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.  Рисунок 17-Распыливающий абсорбер Вентури: 1-конфузор; 2-горловина; 3-диффузор; 4-сепарационная камера К распыливающим относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т.е. с подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью. Механические абсорберы компактнее и эффективнее распыливающих абсорберов других типов. Однако они значительно сложнее по устройству и требуют больших затрат энергии на осуществление процесса. Вопрос 21. Равновесие в системе жидкость-пар. Закон Рауля В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случае – из двух, например, из компонентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит, главным образом, от природы составляющих ее веществ и давления. В идеальных растворах сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. при данной температуре парциальное давление каждого компонента, например, низкокипящего компонента А в паре (pA), пропорционально мольной доле (xA) этого компонента в жидкости (закон Рауля):   Где  -мольная доля компонента B, давление насыщенного пара которого над чистой жидкостью при данной температуре равно  .Вопрос 22. Диаграммы р-х, t-x, у-х  Рисунок 18-Изотермы парциальных давлений компонентов и общего давления для идеальных растворов (диаграмма p-x) На рисунке 18 при t=const прямые OB и СА изображают изменения парциальных давлений компонентов (  и  ), а прямая АВ — изменение общего давления над раствором. Вертикальные отрезки СВ и ОА выражают давления насыщенных паров чистых компонентов ( и ). Температура кипения смеси заданного состава (  ) является функцией давления пара. Для того чтобы ее определить, строят по значениям давлений насыщенных паров чистых компонентов (из справочников) изотермы АВ, A1B1, A2B2 и т.д., выражающие общее давление паров при температурах t1, t2, t3 и т.д. Линии парциальных давлений и получают, соединяя прямыми точки А, А1, А2 и т.д. с точкой С и точки В, В1‚ В2 и т.д.— с точкой O. Далее проводят горизонтальную прямую МN, соответствующую внешнему давлению. Из точки на оси абсцисс, отвечающей , восстанавливают вертикаль до пересечения с прямой MN в точке D, через которую проходит изотерма t=const. При этой температуре общее давление пара смеси равно внешнему давлению, и, следовательно, смесь состава кипит при температуре t; Аналогично можно определить, что температура кипения смеси состава  равна t1, смеси состава  -t2 и т.д.Парциальное давление низкокипящего компонента над смесью при температуре кипения t выражается вертикальным отрезком, полученным при проведении вертикали из точки, соответствующей смеси состава , до пересечения с прямой парциальных давлений в точке Е. Вместе с тем, в соответствии с законом Дальтона парциальное давление данного компонента А пропорционально его мольной доле  в паре: Где P-общее давление пара над смесью. Зависимость между составами равновесных фаз:    Рисунок 19-Зависимость температур Рисунок 20-Диаграмма равновесия кипения и конденсации от состава фаз пар-жидкость (диаграмма y-x) (диаграмма t-x-y) Для построения зависимости температур кипения и конденсации соответственно от состава жидкости или пара, то есть диаграммы t-x-y (рисунок 19), откладывают на оси ординат при постоянном внешнем давлении, температуры кипения t1, t2, t3, соответствующие составам жидких смесей x1, x2, x3, отложенным на оси абсцисс. Через полученные точки и точки, отвечающие температурам кипения чистых компонентов tA и tB, откладываемых на крайних ординатах диаграммы, проводят линию кипения АА1A2A3B. Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля равновесные составы паров  ,  ,  и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами, отвечающими температурам t1, t2, t3. Соединив точки пересечения В1, B2, B3…, с точками А и В плавной кривой, получают линию конденсации AB1B2B3B. При пользовании диаграммой на оси абсцисс откладывают состав жидкой смеси и проводят из соответствующей точки вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее из точки пересечения проводят горизонталь вправо до пересечения с линией конденсации. Абсцисса точки пересечения указывает состав равновесного пара. На фазовой диаграмме у—х (рисунок 20) наносится линия равновесия, выражающая в данном случае зависимость между равновесными составами (по низкокипящему компоненту) жидкой ( ) и паровой ( ) фаз. Процессы перегонки осуществляют обычно при постоянном внешнем давлении. Поэтому диаграмма строится при P=const, т.е. для переменных температур кипения, изменяющихся в зависимости от изменения состава жидкой смеси.С жидкостью, представляющей собой чистый низкокипящий компонент, находится в равновесии пар, в котором содержится 100 % того же компонента. Соответственно крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата (рисунок 20). Выпуклость кривой равновесия относительно диагонали квадрата в общем случае зависит от отношения теплот испарения компонентов смеси  . При  с увеличением давления кривая равновесия становится менее выпуклой, т.е. приближается к диагонали квадрата (пунктир на рисунке 20). Для идеальных растворов уравнение линии равновесия  : Где  – относительная летучесть компонентов смеси, равная отношению давлений паров чистых компонентов при одинаковом внешнем давлении.Таким образом, зная  , т.е. давления насыщенных паров чистых компонентов, можно рассчитать и построить кривую равновесия для идеальных смесей. В действительности идеальных растворов не существует, однако в промышленности приходится разделять перегонкой многие растворы, приближающиеся по свойствам к идеальным. К числу их относятся близкие по химическим свойствам вещества, например, бензол и толуол, для которых построена диаграмма у—х на рисунке 20. Вопрос 23. Простая перегонка. Виды простой перегонки Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом. Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки низкокипящего компонента (НК) содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой. В периодически действующей установке для фракционной перегонки (рисунок 21) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком обогрева, и доводят до кипения. Пары отводят в конденсатор-холодильник 2. Фракции дистиллята поступают через смотровой фонарь 3 в отдельные сборники 4-6. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь.  Рисунок 21-Схема установки для фракционной перегонки: 1-перегонный куб; 2-конденсатор-холодильник; 3-смотровой фонарь; 4-6-сборники фракций дистиллята |