Сравнение абсорбционных аппаратов

СРАВНЕНИЕ АБСОРБЦИОННЫХ АППАРАТОВ

Большое число имеющихся  типов абсорбционных аппаратов  затрудняет целесообразный выбор того или иного из них для каждого  конкретного случая. Во многих случаях  выбор типа производится без достаточных  оснований и часто определяется традицией, существующей в той или  иной отрасли промышленности. Такие  традиции, основанные иногда на данных 30-40-летней давности, не всегда отвечают современному уровню абсорбционной  техники. Часто абсорберы проектируются  и работают в производстве не при  оптимальных режимах, что ведет  к неверному представлению об эффективности того или иного  типа. Так, например, насадочные абсорберы  в ряде производств работают с  низкими скоростями газа, что снижает  их эффективность.  
Условия абсорбции и требования, предъявляемые к абсорбционным аппаратам, в разных производствах сильно различаются. Поэтому невозможно рекомендовать какой-либо один, лучший для всех случаев, аппарат. Наилучшим аппаратом следует считать такой, для которого технико-экономические показатели будут наиболее высокими, т. е. стоимость переработки 1 м³ газа или расходы на 1 т продукции будут наименьшими. При этом должны учитываться затраты, не только непосредственно связанные с абсорбцией, но и на вспомогательные операции. Если, например, при абсорбции отводится тепло при помощи выносных холодильников, необходимо учитывать затраты на сооружение и эксплуатацию этих холодильников.  
Во многих случаях стремятся применять высоко интенсивные абсорберы, имеющие небольшие габариты. Однако стоимость таких аппаратов может быть высокой; кроме того, они часто расходуют большое количество энергии и оказываются ненадежными в эксплуатации. В результате материальные затраты могут возрасти. Поэтому целесообразность интенсификации должна быть предварительно рассчитана. Для оценки эффективности абсорберов обычно используют различные соотношения, включающие характеристику интенсивности процесса и гидравлического сопротивления. Целесообразный тип аппарата для каждого конкретного случая можно выбрать только в результате технико-экономических расчетов, проведенных для нескольких конкурирующих типов. Однако существуют некоторые положения, при помощи которых можно отобрать в каждом случае несколько типов для последующего их технико-экономического сравнения. Ниже рассматриваются основные условия проведения процессов и применимость того или иного типа аппарата в отношении удовлетворения требованиям, выдвигаемым этими условиями.  

УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ  АБСОРБЦИИ

Равновесное давление компонента над уходящей жидкостью. Значением этого давления определяется выбор вида движения фаз (противоток, прямоток и др.). Если указанное давление равно нулю (например, при абсорбции NН_з серной кислотой), можно применять с одинаковым успехом, как противоток, так и прямоток. В некоторых случаях, когда, например, требуется низкое гидравлическое сопротивление, отдают предпочтение прямотоку.  
Если равновесное давление компонента над уходящей жидкостью велико и превышает требуемое парциальное давление компонента в уходящем газе, необходим противоток. Поэтому в данном случае применимы либо аппараты, работающие противотоком (пленочные, насадочные), либо многоступенчатые аппараты (например, барботажные), состоящие из соединенных противотоком ступеней, причем в каждой ступени взаимное движение фаз может осуществляться любым способом.  
Таким образом, с точки зрения данного условия возможно применение аппаратов любых типов; однако для некоторых типов может потребоваться большое число ступеней, что усложняет конструкцию аппарата.

Необходимое число единиц переноса. Эта величина определяется требуемой степенью извлечения компонента (в ряде случаев и требуемой концентрацией уходящей жидкости) и зависит также от давления компонента над поступающей и уходящей жидкостями. Поэтому рассматриваемое условие тесно связано с предыдущим. Если равновесное давление компонента над уходящей жидкостью равно нулю, необходимое число единиц переноса не зависит от вида взаимного движения фаз. Однако даже в данном случае при применении непротивоточных аппаратов может потребоваться несколько ступеней, так как для ряда типов аппаратов (барботажные, скоростные прямоточные распиливающие и др.) число единиц переноса на ступень ограничено. Если же равновесное давление компонента над уходящей жидкостью не равно нулю, при противотоке нужно меньшее число единиц переноса, чем при других видах движения.  
Противоточные аппараты с непрерывным контактом в принципе применимы при любом значении необходимого числа единиц переноса. Однако при больших числах единиц переноса требуются аппараты большой высоты, что накладывает известные ограничения при выборе типа. Так, в насадочных аппаратах при высоте единицы переноса h_ог == 1 м и общей высоте насадки 15 м можно получить число единиц переноса, равное 15. Большее число единиц переноса требуется сравнительно редко; в этом случае используют несколько последовательно соединенных аппаратов или увеличивают еще больше высоту насадки.  
При необходимом числе единиц переноса более 8-10 целесообразно применение аппаратов, в которых достигаются малые значения hог (например, барботажных абсорберов с затопленной насадкой), или, если недопустимо большое гидравлическое сопротивление, аппаратов с малым сопротивлением (например, абсорберов с листовой насадкой). Трубчатые пленочные аппараты имеют ограниченную длину труб (до 6 м) и число единиц переноса в аппарате обычно не превышает 4-6.  
В распыливающих абсорберах (с форсунками) чистый противоток обычно не достигается и число единиц переноса, которое может быть достигнуто в одном аппарате, невелико (не более 2-3). Применение этих аппаратов возможно лишь при небольшом необходимом числе единиц переноса, когда можно ограничиться двумя-тремя ступенями. То же самое относится к скоростным прямоточным распыливающим аппаратам, пленочным аппаратам с восходящим прямотоком и механическим абсорберам.  
При необходимом числе единиц переноса свыше шести-семи в аппаратах со ступенчатым контактом требуется обычно более трех ступеней, и в данном случае эти аппараты целесообразно выполнять в виде тарельчатых колонн. В качестве таких аппаратов возможно использование барботажных абсорберов с тарелками различных типов. Эти абсорберы в принципе применимы при любом числе единиц переноса, но при очень больших числах единиц переноса требуется много тарелок, что ведет к увеличению высоты аппарата, его удорожанию и повышению гидравлического сопротивления. При числе единиц переноса на эквивалентную ступень равном 0,8, в аппарате с 20 тарелками можно получить общее число единиц переноса 16 высота рабочей части такого аппарата составит 8-10 м. По габаритам описанный барботажный абсорбер обычно меньше насадочного, но обладает большим гидравлическим сопротивлением. При необходимом числе единиц переноса более шести-семи и работе без давления насадочные аппараты могут оказаться предпочтительнее.  
Таким образом, при небольшом числе единиц переноса (примерно, до четырех-шести) применимы аппараты любых типов. При большем числе единиц переноса самыми подходящими можно считать аппараты с листовой насадкой, барботажные с затопленной насадкой и барботажные тарельчатые аппараты.

Отношение объемных расходов жидкости и газа. Это отношение (V_ж/V_г) определяется на основе материального баланса содержанием компонента в поступающем и уходящем газах, а также в поступающей и уходящей жидкостях.  
В обычных случаях, особенно при абсорбции из газов невысокой концентрации, отношение V_ж/V_г невелико (0,0005-0,005). При малых V_ж/V_г некоторые типы аппаратов мало пригодны. Так, насадочные абсорберы не могут удовлетворительно работать при низких плотностях орошения (ниже 5-6 м/ч), что затрудняет их применение при значениях V_ж/V_г, меньших 0,0015-0,0025. В этом случае для повышения плотности орошения приходится прибегать к рециркуляции жидкости, что обычно невыгодно и вызывает дополнительные расходы на ее перекачку.  
Примерно такой же нижний предел V_ж/V_г. У пленочных (трубчатых и с листовой насадкой) и у скоростных прямоточных распыливающих аппаратов. Более высокий нижний предел V_ж/V_г (около 0,005) у распыливающих аппаратов с форсунками. При низких V_ж/V_г не применяют также абсорберы с механическим перемешиванием.  
При низких значениях V_ж/V_г могут успешно использоваться аппараты, работа которых мало зависит от подачи жидкости (барботажные абсорберы, механические абсорберы). Кроме того, возможно применение пленочных абсорберов с восходящим прямотоком, которые, наоборот, становятся мало пригодными при V_ж/V_г более 0,001-0,002. В некоторых случаях (при абсорбции из высококонцентрированных газов, при абсорбции плохо растворимых газов) отношение V_ж/V_г очень велико (до 0,05-0,1). В этих условиях наиболее подходящими типами аппаратов можно считать насадочные, распыливающие (с форсунками) и абсорберы с механическим перемешиванием. При больших V_ж/V_г применение барботажных абсорберов, особенно абсорберов с колпачковыми тарелками, становится затруднительным. Однако некоторые типы барботажных абсорберов (например, с тарелками Киттеля) могут использоваться и при очень больших V_ж/V_г - При больших V_ж/V_г могут возникать затруднения также при применении пленочных и скоростных прямоточных распыливающих аппаратов.  
Таким образом, при средних значениях V_ж/V_г (от 0,005 до 0,02) применимы почти все типы аппаратов (кроме пленочных с восходящим прямотоком и аппаратов с механическим перемешиванием). В то же время низкие и очень высокие значения V_ж/V_г накладывают ограничения при выборе типа.

Отвод выделяемого тепла. Отвод тепла, выделяющегося при абсорбции, может производиться охлаждением жидкости в выносных холодильниках, путем внутреннего охлаждения абсорбера или за счет испарения части поглотителя. Охлаждение в выносных холодильниках широко применяется на практике. Однако этот способ отвода тепла нельзя считать наилучшим: он обычно требует перекачки жидкости (особенно при циркуляционном охлаждении), а коэффициент теплопередачи в выносных холодильниках большей частью бывает низким. Данный способ отвода тепла применим при аппаратах любого типа. Более целесообразным надо считать использование внутреннего охлаждения и, в тех случаях когда это возможно, охлаждение за счет испарения части поглотителя. Последний способ получил широкое распространение, в частности, при абсорбции НС₁ в производстве соляной кислоты.  
Если необходим отвод выделяемого тепла при помощи холодильников, предпочтение следует отдать барботажным и пленочным (трубчатым и с восходящим прямотоком) аппаратам, в которых возможно применение внутреннего охлаждения. В насадочных абсорберах нельзя отводить тепло путем внутреннего охлаждения, и при необходимости в отводе тепла прибегают обычно к циркуляционному охлаждению.

Давление. Повышение давления благоприятно влияет на процесс абсорбции, так как ведет к повышению коэффициента массопередачи К_у и движущей силы (вследствие снижения у^*). Кроме того, при повышенных давлениях объем газа снижается, что позволяет уменьшить диаметр аппарата.  
Для работы под давлением пригодны абсорберы всех типов, хотя надо отметить, что в случае механических абсорберов предъявляются серьезные требования к сальниковым уплотнениям. Абсорбцию под давлением проводят в тех случаях, когда давление все равно необходимо по ходу технологического процесса. Специальное сжатие газов для проведения абсорбции почти не применяется, если не считать абсорбции окислов азота в производстве НNО_з. Однако и в этом случае газ сжимают не столько из-за улучшения абсорбции, сколько вследствие резкого повышения скорости окисления NО в NO₂. Для десорбции, наоборот, выгоднее применять пониженное давление. Поэтому десорбцию редко проводят при повышенном давлении, обычно ее ведут при атмосферном давлении или в вакууме.

Гидравлическое  сопротивление. При проведении абсорбции под повышенным давлением гидравлическое сопротивление абсорбера несущественно. Поэтому в данном случае часто применяют абсорберы, обладающие большим сопротивлением, или повышают скорость газа, что позволяет интенсифицировать процесс. Если же абсорбцию ведут при давлениях, близких к атмосферному, желательно, чтобы абсорбер обладал низким гидравлическим сопротивлением. Это обстоятельство очень важно при выборе типа аппарата.  
Сравнение абсорберов различных типов по величине гидравлического сопротивления при одинаковом гидравлическом режиме (например, при одинаковой скорости газа) неправильно, так как для каждого из них существует некоторый оптимальный режим, при котором и следует производить сравнение. Кроме того, надо иметь в виду, что сопротивление аппарата зависит от его высоты (для аппаратов с непрерывным контактом) или от числа ступеней (для аппаратов со ступенчатым контактом). Поэтому сравнение лучше всего проводить по сопротивлению на одну единицу переноса (АР/N_ог) при оптимальном режиме.  
Отношение АР/N_ог для одного и того же аппарата может изменяться в довольно широких пределах, так как зависит от соотношения между сопротивлениями газовой и жидкой фаз. Для хорошо растворимых газов отношение АР/N_ог в насадочных, пленочных (трубчатых и с листовой насадкой) и распыливающих (форсуночных) аппаратах составляет примерно 20-50 Па, а для барботажных-от 100 до 400 Па. Поэтому сопротивление барботажных аппаратов обычно значительно превышает сопротивление насадочных и последние, если требуется низкое сопротивление, вообще говоря, предпочтительнее. Однако, когда из-за низкого отношения У_ж/У_г или необходимости отвода тепла насадочные абсорберы должны работать с рециркуляцией жидкости, надо учитывать расход энергии не только на перемещение газа, но и на перекачку жидкости; в этом случае по общему расходу энергии барботажные и насадочные абсорберы примерно равноценны.

Интенсивность. Важным фактором при выборе типа абсорбера является его интенсивность. Последнюю можно охарактеризовать объемом аппарата, приходящимся на 1 м^з/с обрабатываемого газа. Этот объем выражается соотношением

V_ап/V_г = h_огN_ог/w

где V_ап -объем аппарата; V_г -расход газа; h_ог-высота единицы переноса; N_ог-число единиц переноса; W-скорость газа, отнесенная к габаритному сечению аппарата. Поскольку N_ог не зависит от типа аппарата, за меру интенсивности можно принять отношение ау/йог, равное объемному коэффициенту массопередачи К_гv (в с^-1), отнесенному к габаритному объему аппарата. Это отношение является величиной, обратной условному времени пребывания газа (отнесенному к габаритному объему) в абсорбере.  
В насадочных абсорберах при скоростях газа 0,5-1,5 м/с и h_ог = 0,25^-1 м (при абсорбции хорошо растворимых газов) отношение w/h_ог составляет примерно 1-2 с^-1. В барботажных абсорберах при скоростях газа 1-2 м/с, расстоянии между тарелками 0,25-0,5 м и числе единиц переноса на эквивалентную ступень 0,5-2 отношение w/h_ог= 1-16 с^-1.  
Таким образом, барботажные абсорберы, как правило, интенсивнее насадочных. Еще более интенсивны пленочные абсорберы с восходящим прямотоком и скоростные прямоточные распыливающие абсорберы. При абсорбции плохо растворимых газов интенсивность абсорберов обычно значительно снижается.

Пределы изменения нагрузок по жидкости и газу. В производственных условиях часто по тем или иным причинам требуется изменение нагрузки по жидкости и газу. Это ведет к изменению режима работы абсорбера, его эффективности и гидравлического сопротивления. Абсорберы некоторых типов (например, насадочные и барботажные с колпачковыми тарелками) могут, однако, удовлетворительно работать в довольно широких пределах изменения нагрузок; другие аппараты (например, абсорберы с сетчатыми и провальными тарелками) чувствительнее к изменению нагрузок и могут нормально работать в более узком диапазоне.

Время пребывания жидкости и газа в абсорбере. Время пребывания газа всегда мало и его увеличение может потребоваться в тех случаях, если абсорбция зависит от медленной реакции в газовой фазе (например, окисление NО в процессе абсорбции окислов азота). В некоторых случаях (например, при протекании медленной реакции в жидкой фазе) желательно повышение времени пребывания жидкости в аппарате; в других случаях (например, при избирательной абсорбции) требуется, наоборот, малое время пребывания жидкости.  
Время пребывания жидкости определяется ее количеством, находящимся в аппарате. Это количество (и, следовательно, время пребывания) в пленочных и распыливающих абсорберах мало. В насадочных абсорберах находится тем более жидкости, чем мельче насадка. В барботажных абсорберах количество находящейся жидкости сильно зависит от типа тарелки: оно мало на провальных тарелках и на тарелках с однонаправленным движением и достигает значительной величины в аппаратах с сплошным барботажем и с механическим перемешиванием; колпачковые тарелки занимают промежуточное место.