Виды сорбционных процессов, абсорбция, основные закономерности процессов.

Поглощение каким либо телом газов паров или растворенных веществ из окружающей среды наз-ся сорбционными процессами.

К ним относятся:

1.Абсорбция- поглощение газов или паров или их смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Применяют для получения соляной и сернистой кислот,аммиачной воды,очистки отводящих газов и др.

2.Адсорбция-поглощение поверхностью твердого тела(адсорбентом) какого либо компонента(адсортива) из газовых смесей или растворов. Ее проводят в адсорберах. Применяют для очистки промышленных газовых выбросов,в свекло-сахарном производстве, осветление соков,пива и др.

3.Хемосорбция(хим-я Абсорбция и Адсорбция)-поглощение газов, паров или растворенных в-в поглотителем. Сопровождается хим. Реакцией. Широко используется в свекло-сахарном производстве.

4.Десорбция-обратный процесс абсорбции и адсорбции(проц вывода в-ва жидким или твердым телом) Десорбция используется для регенерации поглотителей т.е их очищение для повторного использования.

Т.о. сорбционные процессы обратимы. Для них характерны избирательное поглощение, что позволяет очищать сложные газовые смеси. Эти процессы сопровождаются выделением тепла, в замкнутом пространстве - снижением давления. По этому повышение давления и снижение t-ры способствует сорбции и наоборот(ЛеШателье).

Абсорбция-2 фазы газ и жидкость, и 3 компонента-(газ, жидкость, поглощаемый компонент) согласно правилу Гиббса система имеет 3 степени свободы S=k-f+2,где k-число компонентов,f-число фаз.

Согласно з-ну Генри для сильно разбавленных сред растворимость газа прямопропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью.

X=p/Г(1)

Х-мольная концентрация газа в жидкости,р-парциальное давление газа над ж.

Г-const Генри зависящая от абсорбента, абсорбтива и t-ры

lnГ=(-q/RT)+A(2), где q-удельная теплота растворения газа кДж/кмоль;

R=8,314кДж/к моль,Т-абс температура(к);А-const опр-ся опытным путем.

Из 1 след-т что растворимость газа жидкости возрастает с увеличением давления

Из 2 след-т что с >Т увелич-ся const Г, а растворимость газа в жидкости снижается.

Материальный баланс запишется как: m_xX_нач+m_yY_нач=m_xX_кон+m_yX_кон

Где m_x,y-расходы абсорбента и газовой смеси кМоль/час

54.РЕКУПЕРАТОРЫ:ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, С РЕБРИСТЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ ТЕПЛООБМЕНА, С РУБАШКОЙ. Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых произ­водствах для проведения теплообменных процессов, называют теп­лообменниками. В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку.Пластинчатые теплообменники монтируют на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих Брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направ­ляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых име­ются каналы для прохода теплоносителей. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, про­ходят по чередующимся каналам сквозь разделенные проклад­ками отверстия.Принцип действия: теплообмен проис­ходит в противотоке, причем каждый теплоноситель дви­жется вдоль одной стороны пла­стины.Пластинчатые теплообменники используют в качестве нагрева­телей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации (например, молока) и стерилизации (мелассы). +:компактны, облад.большьмощностью. этому спос-ет гофрирование пластин,выс.коэф теплопередачи, малая металлоемкость.-: сложность изгот,возм-ть задевания пов-ти пластин взвешанными в жидкости тв. частицами.

Пластинчатый тепло­обменник (а) и принцип его дей­ствия (б): 1 — верхний несущий брус; 2 — неподвижная плита; 3 — пластина; 4 — подвижная плита; 5 — нижний несущий брус; 6 — направляющая стяжная шпилька; 7—стойка Теплообменники с ребристыми поверхно­стями теплообмена позволяют увеличить площадь поверх­ности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффи­циентом теплоотдачи. Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривает в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или про­дольные ребра. Примером оребренного теплообменника может служить калори­фер, используемый для нагрева всЗздуха греющим водяным паром. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со сто­роны насыщенного водяного пара к стенке трубы а^ 12 000 Вт/ (м²-К), а от стенки к воздуху а₂=12...5О Вт/(м²-К). Оребрение вне­шней поверхности труб значительно увеличивает количество тепло­ты, переданной от пара к воздуху. В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса тепло­носителем. На рис. 14.22 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к кор. пусу аппарата приваривают змеевик. На рис. 14.23 показаны, варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков. Рис.14.22 Аппарат с рубашкой.

Рис 14.23 варианты приваренных змеевиков

55. Расчет массообм-х аппаратов для систем со свободной границей раздела фаз. Понятие о числе единиц переноса, высоте единицы переноса, числе теоретич-х ступеней (тарелок). К процессам, для к-х характерна свободная граница раздела фаз, относятся такие широко распр-е в технике процессы, как абсорбция, десорбция, перегонка и ректиф-я, жидкостная экстракция. Массооб-е процессы со своб границ раздела фаз по принципу участия фаз в массопереносе подразд-ют на 2 гр. К одной группе относят процессы, в к-х участвуют как минимум 3 в-ва: 1) распределяющее в-во (или в-ва), составляющие 1-ю фазу Ф_у (напр, при поглощении аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси воздух не участвует непо­средственно в массообмене); 2) распределяющее в-во (или вещества), составляющие 2-ю фазу Ф_х (вода в данном примере); 3) распределяемое в-во М, к-е переходит из одной фазы в др (процессы абсорбции, десорбции, экстракции).Д гр процессов (перегонка и ректификация)-это процессы, вх в-а, составляющие фазы, участвуют в массообменных процессах и не могут рассматриваться как носители распределяемого в-ва.Для расчета высоты противоточ-х колонных аппаратов (та­рельчатые и насадочные абсорбционные и ректифи-е, экстракционные аппараты) требуется опред-ть число ступеней изменения концентраций (тарелок) по высоте аппарата. Число теоретич-х ступеней может быть определено аналитич-м или графич-м методом. Часто пользуются таким понятием, как теоретич-я ступень изменения концентраций, или теоретич-я тарелка. При этом предполаг-ся, что на этой гипотетической ступени контакта фаз жидкость идеально перемешана, а концентрации взаимодействующих фаз достигают равновесных значений.Рассмотрим процесс массообмена на n-й тарелке (а). На тарелку поступают газовая фаза G концентрацией у _n-1 и жидкая фаза L концентрацией х_n+1 В рез-те массообмена концентрация в газовой фазе снижается до величины у_n, а в жидкой увелич-ся до х_n. В случае достижения равновесия м/д составом удаляющегося с тарелки газа у_n и составом стекающей с нее жидкости х_n их концентрации изображ-ся на рис.б точкой В, лежащей на линии равновесия.

Изменению концентраций в газовой фазе на теоретич-й ступени соответствует вертикальный отрезок А₁В. Изменение же концентрации в жидкой фазе от х_п до х_п-₁ изобразится горизонтальным отрезом ВА₂.

Рис.Схема массообмена на тарелке (а)и изображ-е процесса в координатах y-x(б-в усл-х достижения равновесия на тарелке –идеальный процесс; в-в усл-х недостижения равновесия на тарелке-реальный процесс). Т.о, «ступенька» А₁ВА₂ изображает изменение концентрации в обеих фазах на теоретической тарелке. Для определения числа теоретических тарелок в колонном аппарате строят последовательно такие «ступеньки», начиная от точки, характеризующей начальные концентрации в газовой и жидкой фазах, до точки, отвечающей конечным концентрациям в газовой и жидкой фазах. Для определения числа действительных тарелок используют КПД действия аппарата, который учитывает реальную кинетику массообмена на действительной тарелке. Значения КПД для различных конструкций тарелок находятся опытным путем и колеблются от 0,3. до 0,8. Число действительных тарелок с учетом КПД определяется соотношением n_д=n_т/ŋ, где n_т — число теоретических тарелок; ŋ — КПД. КПД тарелки зависит от конструкции тарелки, физико-хим св-в жидкости и газа, взаимодействующих на тарелке, а также от гидродинамики потоков. Следует иметь в виду, что расчет высоты аппарата с пом теоретич-х тарелок (ступеней) является приближенным и его возможно применять, когда отсутствуют данные о коэффициентах массопередачи или имеются надежные данные о КПД для данных систем промышл-х аппаратов. В действительности равновесие при проведении массообменных процессов не достигается. Поэтому задача заключается в определении действительных ступеней контакта. Эффективность ступени изменения концентраций выражается отношением изменения концентрации распределяемого вещества в одной фазе на ступени к движущей силе на входе фазы в ступень. Изменение концентраций на п-й тарелке выразится как разность У_n-1—у_n (отрезок А₁В на рис.в), а движущая сила при идеальном перемешивании жидкости на тарелке — У_n-1~У_пр (отрезок А₁С на рис. 16.10,в). Тогда эффективность ступеней (КПД по Мерфри) Эффективность ступени представляет собой отношение действит-го изменения концентраций на ступенях контакта фаз к максимально возможному. Высота аппарата H=n_тh_т/ŋ. Рассмотрим определение числа действит-х ступеней изменения концентраций с помощью построения кинетической линии. Движущая сила для n-й тарелки определится в соответствии с уравнением при у>у_р:

Соответственно число единиц переноса

отсюда

Из рис. 16.10 видно, что е^my=АС/ВС, или ВС=Асе^-my. Зная величину е^-my, можно найти по отрезку ВС положение точки В, а также В₁, В₂ и т. д. Соединив точки В, В_г, В₂,... линией, получим кинетическую линию процесса, которая характеризует концентрации фазы на выходе с каждой тарелки. Для определения числа действит-х ступеней изменения концентраций впишем в пределах заданных концентраций (точки М п N на рис.2) ступенчатую линию. Число ступеней и определит число действительных ступеней изменения кон­центраций. Рабочая высота аппарата H=n_тh_т/ŋ, где h_т—расстояние между тарелками, м. Для построения кинетичес­кой линии необходимо знать число единиц переноса, или эффективность ступени. Число единиц переноса определяется из основного ур-я массопереда-чи, записанного для одной тарелки [G(у_н –у_к)=К_уF∆у_ср] в виде m_у=(у_н –у_к)/∆у_ср=К_уF/G Площадь поверхности контакта фаз в случае барботажа определить труднее. Поэтому коэффициент массопередачи относят к площади барботажа тарелки F₀ и обозначают К_уf, а число единиц переноса — как m_у=К_уfF/G. Коэф-т массопередачи рассчитывают с учетом известных коэффициентов массоотдачи B_уf и B_xf по уравнению аддитивности К_уf=1/(1/В_уf)+(m/B_xf) Таким образом, положение кинетич-й линии м/ж найти, определив К_уf и вычислив значение е^-my и величины отрезков СВ. Диаметр колонны

где G — расход газа, кг/ч; р_г — плотность газа, кг/м³; v — линейная скорость газа (пара) в свободном сечении колонны, м/с. Между эффективностью ступеней и числом единиц переноса существует следующая связь:

откуда

56 Поверхностные массообменные аппараты. Назначение, устройство, принцип действия и область применения. Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями-абсорбентами. Абсорбцию применяют в сахарном производстве. В качестве абсорбента применяют: угли, гель, кремневые кислоты. Так же применяют промышленности для получения готового продукта (производство кислот), разделения газовых смесей (получение бензола из коксового газа), улавливания вредных (H₂S, CO, влага) и ценных (рекуперация спиртов и др.) компонентов. При абсорбции происходит контакт жидкости и газа; при этом масса одного из компонентов газовой фазы переносится в жидкую фазу или наоборот (десорбция). При наличии разности концентраций или парциальных давлений между фазами (движущая сила процесса) происходит процесс массопередачи, который прекращается при достижении состояния равновесия.

Абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность контакта фаз между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорберы можно разделить на следующие четыре основные группы: поверхностные и пленочные; насадочные, в которых поверхностью контакта фаз является поверхность растекающейся по специальной насадке жидкости; барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается потоками газа (пара) и жидкости; распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта фаз создается вследствие разбрызгивания жидкости.

В поверхностных абсорберах газ пропускается над поверхностью движущейся жидкости. Так как в поверхностных абсорберах поверхность контакта фаз невелика, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком к друг другу. На рис показан оросительный абсорбер из горизонтальных труб, внутри которых протекает жидкость, а противотоком к ней движется газ. Уровень жидкости в трубах поддерживается с помощью порога. Охлаждение абсорбера происходит в поверхности орошаемой воды.

Для равномерного распределения жидкости по поверхностям труб установлен зубчатый распределитель. Такие абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов.

57.АДСОРБЦИЯ. РАСЧЕТ АДСОРБЕРОВ.

Адсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями — адсорбентами. Поглощаемое вещество назы­вается адсорбтивом.

Характерная особенность процесса адсорбции — избиратель­ность и обратимость. Благодаря обратимости процесса возможно поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в определенных условиях выделе­ние их из адсорбента.

Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией. Адсорб­ция широко распространена в различных отраслях промышленности для очистки и осушки газов, очистки и осветления растворов, разде­ления парогазовых смесей, для извлечения ценных летучих раство­рителей из их смеси с другими газами.

В пищевой технологии адсорбцию используют для очистки диф­фузионного сока и сахарных сиропов в сахарном производстве, осветления пива и фруктовых соков, очистки от органических и дру­гих соединений спирта, водки, коньяка и вин, сиропов в крахмал о-паточном производстве и др.

Различают физическую и химическую адсорбцию.

Химическая адсорбция, или хемосорбция, характеризуется обра­зованием химической связи между молекулами поглощенного веще­ства и молекулами адсорбента, что является результатом химичес­кой реакции.

При физичес­кой адсорбции не возникает химического взаимодействия адсорби­рованного газа с адсорбентом.

Расчет адсорберов периодического действия заключается в опре­делении высоты слоя адсорбента. Количество адсорбента для погло­щения адсорбтива из исходной смеси с начальной концентрациейу до конечной у_к можно определить из материального баланса

G(y_н-y_k)=V_a(x_k-x_н), (21.13)

где G и V_a — масса газовой (жидкой) смеси и адсорбента, кг; х_н, х_к — концентрации адсорбтива и адсорбента, г/кг.

Принимая, что х=0, a x_k - >x_p, получим

V_a=G(y_н-y_k)/ x_k

или, если требуется определить конечное содержание адсорбтива в смеси,

y_k= -(V/G)x_K + y_H.

Последнее уравнение представляет собой прямую с тангенсом угла наклона, равным tg α =- V/G в координатах

у-х.Диаметр адсорбера определяется в зависимости от расхода V (в м /с) парогазовой смеси или раствора через слой адсорбента и скоро­сти потока v₀ по формуле

21.14

Высота слоя адсорбента H=V_а/(0,785D²q_h), где р_н — насыпная пдотность адсорбента, кг/м³.

Продолжительность адсорбции

τ= V_a(y_к-y_н,)/ v₀*0,785D²ρ(y_н-y_k)

где р— плотность парогазовой смеси или раствора, кг/м³.

Высоту слоя адсорбента также можно найти на основании экспе­риментального определения времени защитного действия слоя или приняв его, исходя из технологических требований, по уравнению h=u(т-т₀). Потерю времени защитного действия слоя т₀ можно приближенно определить по уравнению

т_о=О,5h₀/u,

где h₀ — высота слоя адсорбента, определяемая выражением

Исходя из высоты слоя адсорбента и конструктивных соображе­ний, определяют высоту адсорбера.

При расчете непрерывнодействующих адсорберов определяют высоту колонны, рабочий объем, диаметр и число тарелок.

Высоту адсорбера определяют по основному уравнению массо-передачи, которое записывается так:

V_adx=K_yFΔy_cpdτ=K_yV_a σΔy_cpdτ,

где V_a — масса адсорбента в адсорбере, кг; σ— удельная площадь поверхности адсор­бента в условиях проведения процесса, м²/кг. Тогда,

dx/dτ=K_y σΔу_cр

Запишем материальный баланс процесса за промежуток dτ. За это время в адсорбер поступает dL количества адсорбента и такое же количество отводится. При этом концентрация х изменяется на dx за счет поступления свежего адсорбента:

V_a(х_к-х_к)=(V_a- dL)х_к+х_н dL, (17)

где х_к — концентрация адсорбтива в адсорбенте, находящемся в адсорбере; L — расход адсорбента; х_н — концентрация адсорбтива в поступающем в адсорбер адсорбенте.

Из уравнения (17) получим

V_adx=(x_K-х_н)dL,

где dL=Ldτ. Отсюда

dx/ dτ=(L/V_a) (x_K-х_н)

при х_н=0

dx/dx=L/(V_ax_K).отсюда

K_yσΔ_ycp=L/(V_ax_K).

Отсюда рабочий объем адсорбера

V_a=(х_к/Δ_ycp)* x_K/K_yσ

Диаметр адсорбера определяется по уравнению (21.14). Высота адсорбента в адсорбере

Н= V_a(0,785D²ρ_н)

Число тарелок в тарельчатых адсорберах с псевдоожиженным слоем

n=H/h_T, (21.24)

где h_T — высота слоя адсорбента на тарелке h_T можно принимать равной 50 мм).

58.ФИЛЬТРУЮЩИЕ ЦЕНТРИФУГИ И ИХ СХЕМЫ. ФИЛЬТРУЮЩИЕ ЦЕНТРИФУГИ периодического и непрерывного дей­ствия разделяются по расположению вала на вертикальные и гори­зонтальные, по способу выгрузки осадка — на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтро­вальной тканью. В фильтрующей центрифуге периодиче­ского действия (рис. 8.14) суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внут­ренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку 3.

Фильтрующая центрифуга периодического действия:

1 — станина; 2 — перфорированный барабан; 3 — крышка; 4 — кожух; 5 — ступица; 6 — подшип­ник; 7— электродвигатель; 8 — шкив с ременной передачей; 9 — дренажная сетка; 10 — фильтрую­щая ткань. Конструкция фильтрующей центрифуги с перфорированным барабаном аналогична конструкции автоматической отстойной центрифуги с непрерывным ножевым съемом саморазгружающихся центрифугах осадок удаляется под действием гравитационной силы. Такие центрифуги выполняют с вертикальным валом, на котором располагается перфорированный барабан. Суспензия подается на загрузочный диск при вращении барабана с низкой частотой. Ниж­няя часть барабана имеет коническую форму, причем угол наклона делается болыпим, чем угол естественного откоса осадка. После окончания цикла фильтрования и остановки барабана осадок под действием гравитационной силы сползает со стенок барабана и уда­ляется из центрифуги через нижний ток. В непрерывнодействующих фильтрующих центрифугах с пульсирующей выгрузкой осадка фильтрат из центрифуги выводится непрерыв­но, а осадок периодически выгружается из барабана пульсирующим поршнем.Центрифуга с гравитационной выгрузкой осадка:

1 — вал; 2 — барабан; 3 — распределительный диск; 4 — упорная втулка Поршень-толкатель перемещается в горизонтальном направле­нии в барабане с помощью штока, который находится внутри полого вала барабана. Шток вращается вместе с валом и совершает одновременно возвратно-поступательные движения (10... 16 ходов в минуту, длина каждого хода составляет примерно 0,1 длины барабана) Центрифуга непрерывного действия с пульсирующей выгрузкой осадка:1— полый вал; 2 — шток; 3 — корпус; 4— пор­шень-толкатель; 5 — приемный конус.

Сервомеханизм автоматически изменяет направление движения поршня.Суспензия подводится по оси вала в приемный конус. В конусе имеются отверстия, по которым суспензия поступает в барабан. Внутренняя поверхность барабана покрыта фильтровальным ситом. Осадок, отложившийся на поверхности сита, промывается и переме­щается поршнем к открытому концу барабана. Из барабана осадок выгружается в камеру для осадка. Центрифуга непрерывного действия с центробежной выгрузкой осадка имеет конический перфорированный барабан, внутри которого вращается шнек со скоростью, несколько меньшей скорости вращения барабана. При вращении витки шнека снимают с барабана отложившийся осадок и перемещают его в нижнюю часть барабана, в камеру для осадка. Выгрузка осадка происходит под действием центробежной силы. При этом осадок не измельчается, его структура не изменяется, как, например, в центрифугах с ножевым срезом и выгрузкой осадка пульсирующим поршнем.

Дата добавления: 2015-11-16