История развития науки о процессах и аппаратах

5.1.4. ТАРЕЛКИ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И НАСАДКИ НАСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ
Частные конструктивные особенности массообменных аппаратов рассматриваются в соответствующих разделах курса. Здесь мы рассмотрим основные конструктивные особенности тарелок ректификационных аппаратов и насадок насадочных аппаратов (скрубберов).
Тарелки. Наиболее распространены тарелочные ректификационные аппараты. На рисунке 33.9 приведены тарелки ректификационных колонн.
Наиболее проста по конструкции ситчатая тарелка. Жидкость на ее перфорированной поверхности (сите) удерживается давлением пара и при его понижении «проваливается». Для чистых жидкостей (не содержащих твердых частиц) размеры отверстий сит равны 2...3 мм, а при наличии твердых частиц увеличиваются до 7...8 мм. Для выравнивания уровня жидкости тарелки устанавливают с наклоном в сторону течения жидкости по их поверхности. Недостаточное выравнивание приводит к прорыву пара в местах меньшего ее уровня. Этого недостатка лишены провальные тарелки. Они не имеют сливных стаканов, и жидкая фаза стекает в них через те же отверстия, через которые барботируется пар.
Отверстия таких решеток могут иметь различную форму; наиболее технологичны прямоугольные отверстия. Ширина их составляет З...4мм для чистых жидкостей и больше —для жидкостей, содержащих твердые частицы. Недостаток провальных решеток – узкий диапазон регулирования по скоростях движения пара, при отклонении от которых режим работы тарелки нарушает и эффективность ее падает.
В чешуйчатых тарелках чешуйки направляют пар в сторону движения жидкости по поверхности тарелки. Это способствует выравниванию уровня жидкости на них.
Насадки. Характерные насадки масообменных аппаратов приведены на рис. 33.10


5.2. Абсорбция

Абсорбция осуществляется в массообменных аппаратах, в которых абсорбент и абсорбат приводят в тесный контакт. Схема абсорбера представлена на рисунке 38.1. На вход аппарата снизу подается инертный непоглощаемый газ, содержащий некоторое количество поглощаемого компонента (расход V, кмоль/с, концентрация у_н, кмоль/кмоль инертного газа), на вход сверху — жидкий сорбент (расход W, кмоль/с), содержащий некоторое количество поглощаемого компонента (х_н, кмоль/кмоль) чистого абсорбента. Таким образом обеспечивается противоточное движение фаз. На выходах из аппарата соответствующие величины обозначены индексом «к».

Уравнение материального баланса по абсорбату без учета потерь имеет вид

где М— количество компонента, передаваемого из одной фазы в другую, кмоль/с. Удельный расход сорбента

В координатах х — у уравнение материального баланса (рабочая линия) изображается прямой линией (рис. 38.1) зависимости концентрации одного потока вещества у от концентрации другого х. По этой рабочей характеристике для любого сечения аппарата устанавливают концентрации извлекаемого компонента в обоих потоках.
В соответствии с правилом фаз Гиббса для рассматриваемой системы, в которой есть две фазы (ƒ= 2) и три компонента (к = 3), имеется три степени свободы: S=3 —2 + 2 = 3. В качестве независимо изменяющихся компонентов удобно выбрать состав одной из фаз, давление и температуру. Остальные параметры зависят от них.
Условия равновесия в данной системе определяются законами Генри и Рауля.
В соответствии с законом Генри
x=p_пΨ
где Ψ — коэффициент пропорциональности между концентрацией х поглощаемого компонента в жидкости и парциальным давлением паров р_п этого компонента на жидкость.
В соответствии с законом Рауля

pп=xp_н.п

т. е. парциальное давление паров компонента смеси р_п над зеркалом жидкости равно произведению мольной концентрации х этого компонента в жидкости на давление р_нп его насыщенных паров.
Учитывая, что
р_п=ур
где у — мольная концентрация поглощаемого газа в газовой смеси; р — суммарное давление газовой смеси,

Для протекания процесса в соответствии с рисунком 38.1 линия фазового равновесия должна проходить ниже рабочей. Движущая сила процесса — разность фактических и равновесных концентраций инертного газа при соответствующей рассматриваемому сечению аппарата концентрации абсорбата в жидкости. С ней функционально связана разность фактических и равновесных парциальных давлений абсорбата над поверхностью абсорбента в этом же сечении. В зависимости от того, какую величину берут в качестве движущей силы процесса, размерности соответствующих феноменологических коэффициентов оказываются разными.

По физическому смыслу коэффициент абсорбции к является проводимостью, т. е. величиной, обратной сопротивлению процесса массопередачи.
Можно утверждать, что все сопротивление процессу сосредоточено в пограничных пленках, в которых он протекает только путем молекулярной диффузии.






В расчетах массопередачи используются либо критериальные уравнения, на основании которых определяют сопротивления массопередаче в газовых и (или) жидкостных пленках массообменного аппарата, либо эмпирические уравнения связи коэффициента абсорбции с основными действующими факторами в конкретных типах устройств. Примерами таких зависимостей могут быть следующие (для случая соприкосновения газа с тонкой пленкой, стекающей по стенкам насадки):