Принцип работы АПН

Разработка и помощь в проектировании абсорберов от 20 000р

Принцип работы абсорберов с псевдоожиженной насадкой показан на рис. 1-1. Полый скруббер произвольной формы (в виде цилиндра, конуса, параллелепипеда и др.) разделен поперечными решетками на секции (на рис. 1-1 показана одна секция). В пространство между решетками помещена насадка из элементов той или иной формы. Конструкция нижней решетки, которая называется опорно-распределительной, не должна допускать провала элементов насадки, а верхняя решетка, называемая ограничительной, должна препятствовать выносу насадки за пределы секции. Если в аппарате имеется несколько секций, то часть опорно-распределительных решеток играет роль ограничительных решеток для нижележащих секций.
Если при одновременной подаче в аппарат орошающей жидкости постепенно увеличивать расход газа, то до достижения некоторой скорости газа насадка будет неподвижна (рис. 1-1, а), а затем перейдет в псевдоожиженное состояние (рис. 1-1,6), причем каждому значению скорости газа будет соответствовать определенная высота псевдоожиженного слоя. При дальнейшем увеличении скорости газа в зависимости от высоты начального неподвижного слоя насадка может переместиться («прижаться») к верхней решетке, при этом образуется плотный «плавающий» слой псевдоожиженной насадки (рис. 1-1, в).
Плавающий слой представляет собой разновидность псевдоожиженного орошаемого слоя, в котором прижатая к верхней решетке насадка приходит в движение, обусловленное орошением, под воздействием которой; насадка как бы отжимается от решетки. При этом жидкость, проходит через расширившийся слой насадки, нмшммдействуя с поступающим на очистку газом.

Рис. 1-1. Схема трехфазного псевдоожижения в АПН:
а - скорость газа ниже критической скорости псевдоожижения; б - работа в режиме турбулентно-контактного слоя (обычное псевдоожижение); в - работа в режиме плавающего слоя; 1 - секция абсорбера; 2 - опорно-распределительная решетка; 3 - ограничительная решетка.
Ниже рассмотрен ряд конструкций абсорберов, завивящих от принципа их работы, способов подачи и отвода жидкости и формы рабочей зоны аппарата.

1.2. КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ С ПСЕВДООЖИЖЕННОЙ НАСАДКОЙ

Абсорбер с псевдоожиженной насадкой плавающего типа является одной из первых разновидностей, нашедшей промышленное применение [3, 9]. На рис. 1-2 схематически показан двухсекционный абсорбер с плавающей насадкой. Аппарат снабжен тремя одинаковыми решетками сравнительно большого свободного сечения, между которыми помещены два слоя насадки. Высота -насадки в каждой секции составляет не менее половины расстояния между соседними решетками. Насадка после некоторого расширения перемещается (прижимается) к верхним решеткам. Однако под воздействием поступающей сверху вниз орошающей жидкости прижатый слой насадки расширяется, образуя плавающий псевдоожиженный слой.
Особенностью созданного таким образом псевдоожиженного орошаемого слоя является то, что в этом случае отсутствуют отрицательные эффекты, характерные для обычных псевдоожиженных слоев с крупными частицами, известные в практике псевдоожижения как поршневой режим» и «газовые пробки». Ни особенность обусловлена равномерностью псевдоожижения по всему слою и как следствие тесным кон-тпктом газа с жидкостью.
Для обеспечения более интенсивного движения на-гадки внутри псевдоожиженного слоя верхние решетки абсорбера устраивают изогнутой формы [23]. Для улавливания брызг в верхней части абсорбера устанавливают брызгоуловитель 4. В качестве насадки для образования плавающего слоя могут быть применены шары диаметром от 7 до 76 мм и плотностью от 20 до 400 кг/м3 [9]. В промышленном исполнении абсорберы с плавающей насадкой имеют диаметр до 5 м и высоту до 12 м [24]. Скорость газа в свободном сечении абсор¬бера составляет примерно 2,5 м/с. Плотность ороше¬ния 25-100 м/ч. Гидравлическое сопротивление одно-секционного абсорбера при плотности орошения 60 м/ч составляет примерно 1,3 кПа.
Абсорберы с псевдоожиженной насадкой плавающего типа рекомендуются для процессов пылеулавливания и

Рис. 1-2. Абсорбер с плавающей насадкой:
1 - ограничительная решетка; 2 -шаровая насадка; 3 - ороситель; 4 - брызгоуловитель.
Рис. 1-3. Абсорбер с псевдоожиженной насадкэй:
1 - опорно-распределительные решетки; 2 - шаровая насадка; 3 - ограничительная решетка; 4 - брызгоуловитель.

Турбулентно-контактный абсорбер или абсорбер с псевдоожиженной насадкой.

Первое название принято за рубежом [10], второе - получило распространение в нашей стране [15-18]. Абсорбер с псевдоожиженной на¬садкой (АПН) показан на рис. 1-3. В АПН имеется один или несколько слоев насадки (обычно два или три), расположенных на опорно-распределительных решетках 1. В верхней части абсорбера находится ограничительная решетка 3 с большим живым сечением, которая предотвращает унос насадки с газом из аппарата. Насадка может псевдоожижаться, не прилипая к ограничитель¬ной решетке при изменении скорости газа в широких пределах, что обусловлено большим расстоянием между решетками (высота неподвижной насадки составляет 0,1-0,2 высоты секции). При работе АПН насадка находится не в виде плотного плавающего слоя, а представляет собой сильно разреженный слой, поскольку скорость газа достигает 6 м/с. В качестве насадки могут применяться шары из пластмасс диаметром до 100 мм и плотностью от 10 до 900 кг/м3. Скорость газа в аппарате может изменяться от 1,5 до 9 м/с, плотность орошения от 5 до 200 м/ч [10].

Рис. 1-4. Схема абсорбера АПН фирмы «Исикавадзяма Харима Дзюкогё Кабусики Кайся».

Рис. 1-5. АПН с прямоточной подачей фаз снизу вверх:

а - с подачей жидкости под решетку, б - с подачей жидкости на некотором расстоянии от решетки; в - с подачей жидкости на решетку; 1 - опорно-распределительная решетка; 2 - псевдоожиженная насадка; 3 - брызгоуловитель.

АПН промышленного исполнения имеет следующую характеристику (двухсекционные аппараты): скорость газа в свободном сечении 4,5-5,0 м/ч, расход газа до 200000 м/ч. Гидравлическое сопротивление абсорбера при плотности орошения 40 м/с составляет 1,4 кПа. Аппараты такого типа применяют для абсорбции и тепло¬обмена. В табл. 1-2 и 1-3 приведены основные данные [24] АПН, выпускаемых фирмой «КАВАГ» (ФРГ) и «Исикавадзима Харима Дзюкогё Кабусики Кайся» (Япония).
Абсорбер с «зажатыми» кипящими слоями предложен для процессов тепло- и массообмена, а также пылеочистки. В конструктивном отношении аналогичен аппарату, показанному на рис. 1-2. Абсорбер работает мри расходах газа и жидкости, обеспечивающих заполнение насадкой всего объема секции без образования плотного плавающего псевдоожиженного слоя. По принципу действия абсорбер с зажатыми кипящими слоями соответствует абсорберу, занимающему промежуточное положение между абсорбером с плавающей насадкой [9] и турбулентно-контактным абсорбером [10].

Абсорбер с псевдоожиженной насадкой и прямоточной подачей фаз (снизу вверх). На рис. 1-5 показан аппарат такого типа с подачей жидкости под решетку (рис. 1-5, а) или на некотором расстоянии от нее (рис. 1-5,6). В последнем случае нижнюю часть аппарата выполняют расширяющейся кверху. В аппаратах обоих видов жидкость вместе с газом снизу вверх поступает в псевдоожижеиный слой насадки, в котором они взаимодействуют. Режим работы указанных абсорберов таков, что отработанная жидкость не достигает верха нсевдоожиженного слоя и проваливается через опорно-распределительную решетку. В аппаратах такого типа резко уменьшается брызгоунос, и они могут работать без брызгоуловителей (роль брызгоуловителей играет всрхняя часть псевдоожиженного слоя). Кроме тоге, исключается возможность налипания твердых частиц на нижнюю часть опорно-распределительной решетки. К недостаткам данной конструкции можно отнести слабое перемешивание жидкости, поступающей в слой, поэтому контакт жидкости с газом является недостаточным, а также необходимость интенсивного распыливания жидкости при подаче под решетку, что затруднено при работе с жидкостями, содержащими твердые взвеси.

Рис. 1-6. Абсорбер с псевдоожнженной насадкой и организованной подачей газа:
1 - газораспределительная тарелка с дутьевыми колпачками; 2 - тарелка провального типа; 3 - насадочные тела; 4 - плоско-параллельная насадка.
Рис. 1-7. Абсорбер с псевдоожиженной насадкой фонтанирующего типа:
а - односекционный аппарат; б - аппарат с несколькими вертикальными секциями; 1- подвод газа и жидкости; 2 - опорная решетка; 3 – кольцевой желоб; 4 - брызгоулозитель.

Предложен еще один вид такого аппарата - прямо¬точный абсорбер с псевдоожиженной насадкой [27], из которого вся Жидкость, поступающая в аппарат, выно¬сится и, отделяясь в циклоне, расположенном вне абсорбера, вновь возвращается в абсорбер для повторного использования (рис. 1-5, в).
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой и организованной подачей газа под опорно-распределительную решетку [28]. На рис. 1-6 показан абсорбер с провальной тарелкой, на которой для интенсификации массообмена расположены элементы насадки, находящиеся в псевдоожиженном состоянии. Для подачи газа и отвода жидко¬сти под провальной тарелкой установлены дутьевые колпачки. Абсорбер снабжен брызгоуловйтелем в виде плоскопараллельной насадки.

Абсорбер с псевдоожиженной насадкой фонтанирующего типа

В рассмотренных выше видах АПН опорно-распределительные решетки по отношению к жидкости и газу работали как тарелки провального типа, т. е. через одни и те же отверстия поступал газ на абсорбцию и «проваливалась» жидкость. Для обеспечения более полного устойчивого контакта между фазами и уменьшения количества жидкости, подаваемой на оро¬шение аппарата, предложена конструкция АПН [29], в которой часть опорно-распределительной решетки служит только для отвода отработанной жидкости, а через основную часть решетки поступает в псевдоожиженный слой прямотоком газовая и жидкая фазы. Для создания высокой турбулизации потоков часть рабочей зоны вы¬полнена в виде конуса, способствующего образованию -фонтанирующего слоя насадки.
На рис. 1-7, а показана одна из конструкций такого аппарата. Газ и жидкость прямотоком поступают через отверстие 1 в рабочую зону аппарата и благодаря большой линейной скорости (свыше 10 м/с) поднимаются вместе с шарами до ограничительной решетки 2, которая отклоняет поток к боковой поверхности рабочей зоны. Жидкость и шары опускаются вниз, причем шары скатываются к центру опорно-распределительной решетки и снова увлекаются газожидкостным потоком вверх, а отработанная жидкость через кольцевой желоб выхо¬дит из аппарата (при этом часть отработанной жидкости может находиться в циркуляционном контуре, создавая дополнительную поверхность контакта). Для улучшения циркуляции насадки ограничительная решетка 2 выполнена изогнутой и перед ней установлены направляющие пластины. При больших расходах газа в один корпус помещают несколько параллельно работающих аппаратов (рис. 1-7, б].
В аппаратах указанного типа в качестве насадки служат шары диаметром от 30 до 50 мм и массой от 2,5 до 10 г; высота одной секции (камеры) находится в пре¬делах от 0,8 до 2,5 м, скорость газа при входе в псевдоожиженный слой составляет от 10 до 30 м/с. Расход жидкости на 1 м3 перерабатываемого газа меняется в широких пределах: от 0,05 до 10 л/м3. Гидравлическое сопротивление зависит от изменения параметров процесса и составляет от 200 до 3000 Па. К недостаткам таких аппаратов можно отнести значительный рост гидравлического сопротивления с увеличением расхода газа. Так, при изменении расхода газа на 30% гидравлическое сопротивление увеличивается до 70% от первоначальных значений [29]. Аппараты рассмотренной конструкции рекомендуются для осуществления тепло-массообмена и пылеулавливания. Степень улавливания пыли зависит от перепада давления в аппарате. Так, степень улавливания доломитовой пыли (стандартной) при перепаде давления 500 Па составляет 70% и при 2500 Па она достигает 92%.

Рис. 1-8. Конический абсорбер с псевдоожиженной насадкой:
а - форсуночный вариант; б - эжекционный вариант; 1-опорная решетка; 2 - шаровая насадка; 3 - брызгоулавливающий слой шаров; 4 – сборник жидкости.
Рис. 1-9. АПН с высокой пропускной способностью по газу:
1 - опорно-распределительная решетка; 2 - наклонная ограничительная ре¬шетка; 3 - перегородка; 4 - шаровая насадка.

Конические абсорберы с псевдоожиженной насадкой (КСШ). На рис. 1-8. изображены два вида конического аппарата с псевдоожиженной насадкой [30]. В этих аппаратах корпус имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем в нижнем основании конуса скорость газа должна быть достаточной для псевдоожижения насадки (рекомендуется б-10 м/с). В верхнем основа¬нии конуса скорость газа снижают до 1-2 м/с для обеспечения минимального уноса брызг. Наиболее интенсивное псевдоожижение происходит вблизи нижнего основания, постепенно затухая по высоте, причем верхние малоподвижные слои насадки служат для улавливания образующихся в нижней части брызг. В таких аппаратах по сравнению с абсорберами, имеющими постоян¬ное поперечное сечение, насадка псевдоожижается в более плотный слой, что, по мнению авторов работы [30], ведет к лучшему распределению жидкости в насадке, более тесному контакту газа и жидкости, а также допускает широкое варьирование скорости газа. Статиче¬ская высота слоя составляет 0,5-0,8 м.
В абсорбере, показанном на рис. 1-8, а, орошение жидкостью происходит так же, как и в вышеописанных абсорберах, представленных на рис. 1-2 и 1-3, т. е. жидкость подается сверху и движется вниз, противотоком по отношению к газу. В абсорбере, показанном на рис. 1-8, б, жидкость эжектируется газом из нижнего сборника 4, в котором поддерживается постоянный уровень. Эжекция происходит по оси аппарата, так как здесь скорость газа наибольшая. По периферии, где скорость газа наименьшая, жидкость стекает обратно в сборник 4. Аппараты эжекционного типа более просты в работе, так как они не требуют насосов для подачи орошающей жидкости. Такие аппараты целесообразно применять при температуре газа выше 100°С, так как газы соприкасаются с жидкостью еще в сборнике 4, и насадка предохранена от воздействия высокой температуры. К недостаткам аппаратов эжекционного типа следует отнести трудность эксплуатации при колебаниях расходов жидкости и газа.

АПН с высокой пропускной способностью по газовой фазе [31] показан на рис. 1-9. В рабочей зоне абсорбера происходит циркуляция псевдоожиженной насадки при скоростях газа в свободном сечении аппарата, превышающих скорости в прочих конструкциях, что обеспечивается организацией направленных потоков газа и жидкости. Для этого предусмотрены наклонная ограничительная решетка и сплошная перегородка, разделяются зону контакта на две зоны. В основной зоне, занимающей большую часть аппарата, происходит абсорбция, в другой - циркуляция насадки под эжектирующим воздействием подаваемой в зону вспомогательной жидкости. Скорость газа в такой колонне может достигать 8,6 м/с, плотность орошения 180 м/ч.

Рис. 1-10. Абсорбер со смещенными по оси аппарата коническими слоями псевдоожиженной насадки:
1 - опорные решетки: 2 - насадка; 3 - брызгоуловитель.
Рис. 1-11. Абсорбер с расположением шаровой насадки на упругих нитях:
1 - опорные решетки; 2 - секция аппарата с горизонтально расположенными нитями; 3 - то же, с вертикальным расположением нитей; 4 - брызгоуловитель

Абсорбер со смещенными по оси аппарата коническими слоями псевдоожиженной насадки. Предложен аппарат [32], в котором для уменьшения брызгоуноса конические слои насадки смещены по оси аппарата так, чтобы брызги из предыдущего слоя не попадали на опорно-распределительную решетку последующего слоя (рис. 1-10).
Другие виды АПН. Для интенсификации массообменных процессов предложен аппарат [33], в котором опорно-распределительная решетка снабжена специальными дутьевыми патрубками для придания насадке вращательного движения.
При колеблющемся расходе газа и жидкости через абсорбер можно использовать абсорбер [19] с опорно-распределительной решеткой и поплавковыми клапанами. Предложена конструкция АПН [34] с опорно-распределительными решетками зигзагообразной формы, выполненными сплошными на выступающих сверху участках и перфорированными на остальной части. По мнению авторов изобретения, это ведет к повышению эффективности работы и уменьшению гидравлического сопротивления.
Для увеличения пропускной способности АПН и уменьшения гидравлического сопротивления предложено шаровую насадку располагать на упругих нитях [35] в продольном и поперечном сечениях аппарата (рис. 1-11).
Предложен абсорбер с внутренним контуром орошения, не требующий насосов для осуществления рециркуляции [36] - инерционно-турбулентный аппарат с подвижной насадкой (ИТПН). ИТПН сочетает в себе две зоны: одну, по принципу действия аналогичную скрубберу Дойля [I, с. 540], и другую, представляющую собой обычный слой насадки в АПН, орошаемый жидкостью, эжектированной из первой зоны.

Современное развитие аппаратов АПН

Разработка и помощь в проектировании абсорберов от 20 000р

Современное развитие промышленности наряду с резким ростом объема производства сопровождается также возрастанием выбросов в атмосферу промышленных отходящих газов. Вновь строящиеся заводы создаются, как правило, на основе мощных единичных технологических систем и высокоэффективных аппаратов. Указанные системы включают в себя очистку отходящих промышленных газов, являющуюся составной частью многих производств. Очистка отходящих промышленных газов должна обеспечить утилизацию ценных компонентов, находящихся в газе, и охрану окружающей среды от за¬грязнения. Как правило, на очистку поступает большое количество газов (десятки и сотни тысяч кубических метров в час) и при этом требуется высокая степень извлечения компонентов. Для абсорбции вредных компонентов из отходящих газов сравнительно небольших объемов (до 100000 м3/ч) используется значительное число конструкций абсорберов [1, 2]. Однако при переработке больших количеств газа (100000 м3/ч и выше) выбор абсорбционной аппаратуры ограничен.
При переработке больших количеств газа применяют преимущественно насадочные (с неподвижной насадкой) и полые распыливающие абсорберы. В последнее время находят применение барботажные (тарельчатые) и скоростные прямоточные распиливающие абсорберы (абсорберы Вентури), а также абсорберы с псевдоожиженной насадкой.
Абсорберы с псевдоожижспной насадкой стали широко применять в промышленности, в частности в производстве минеральных удобрений и в цветной металлургии. Эти абсорберы могут работать при больших нагрузках по газу (скорость газа на полное поперечное сечение абсорбера порядка 2,5 - 5 м/с), характеризуются высокой эффективностью и обладают тем важным свойством, что движение насадки практически исключает возможность забивания осадками рабочей зоны. Последнее обстоятельство особенно ценно при обработке запыленных газов или в тех случаях, когда а процессе абсорбции образуется твердая фаза.
В этих абсорберах интенсификация процессов массообмена и «самоочищаемость» от твердых осадков рабочей зоны обеспечивается псевдоожиженной («кипящей») насадкой. Насадочные тела (шары, кольца и др.) ииддгржмиаются во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии током газа, движущимся снизу вверх. Орошающая насадку жидкость в зависимости от режима работы аппарата образует пленку, покрывающую поверхности, насадочных тел, либо, при более интенсивных режимах, входит и состав барботажного газо-жидкостного слоя (газ распределен в жидкости в виде пузырь-кон, струй и т. п.), либо присутствует в виде капель и струй, распределенных в газе. Для создания псевдоожижениого слоя насадки в рабочей зоне абсорбера применяют различные способы. Имеется два основных принципиально отличных способа работы абсорберов с псевдоожиженной насадкой:
1) насадка, прижатая к верхней решетке подъемной силой газового потока, расширяется под воздействием жидкостного орошения, образуя при этом подвижный плавающий слой под ограничительной решеткой. Такой линарат назван абсорбером с плавающей насадкой;
2) насадка расширяется под действием газа, образуя псевдоожиженный слой, в котором происходит взаимо¬действие между жидкостью и газом. Дальнейшее развитие и распространение получили аппараты этого типа, которые были названы [10] турбулентно контактными абсорберами. Однако в литературе имеются и другие названия: аппарат с подвижной насадкой, сокращенно ПН [11]; аппараты с подвижной шаровой насадкой, сокращенно ПШН [12]; аппараты со взвешенной насадкой, сокращенно ВН [13]; абсорбер с плавающей насадкой [3, 14]; абсорбер с псевдоожиженной насадкой [15 - 18]; аппарат с псевдоожиженным слоем твердой инертной орошаемой насадки, сокращенно АПСТИН [19]; контактный аппарат с трехфазным турбулентным псевдоожиженным слоем [20]; пенный аппарат со взвешенной насадкой, сокращенно ПАВН [7]; пенный аппарат с подвижной насадкой - сокращенно ПАПН [37].
Исследования последних лет показали, что процессы, протекающие в аппаратах рассматриваемого типа, удовлетворительно описываются на основе закономерностей обычного двухфазного псевдоожижения с учетом влияния движения жидкой фазы через псевдоожиженный слой. Поэтому нет необходимости в применении приведенных выше различных названий од¬ного и того же аппарата, что иногда затрудняет использование результатов различных исследований. Нам представляется целесообразным применять название, впервые предложенное в работе [15] - абсорберы с псев-доожиженной насадкой (АПН) - как наиболее отвечающее физической сущности процесса.
Механизм работы абсорберов обоих типов в исследовании [22] рассматривается по аналогии с механизмом работы насадочных колонн со стационарной насадкой в условиях до режима подвисания (турбулентно-контактный абсорбер - ТСА) и захлебывания (абсорбер с плавающей насадкой «РВС»); в этой же работе предложено оба типа называть абсорбером с псевдоожиженной насадкой.