НАСАДОЧНЫЙ АБСОРБЕР

Предлагаемое техническое решение относится к массообменным аппаратам, а именно, к устройствам для селективного поглощения одного из компонентов газовой смеси жидким поглотителем и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в экологии при очистке дымовых газов и вентиляционных выбросов разных производств.
Известна конструкция насадочного абсорбера, включающего цилиндрический корпус с патрубками для подачи и отвода газового и жидкого потоков и опорные решетки с насадкой различной формы и размеров [Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1971, с.655].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая поглотительная способность жидким абсорбентом молекул извлекаемого газа из газовой смеси.
Известна конструкция насадочного абсорбера с ионизацией газового потока на входе в коронном разряде ионизатора и включающего цилиндрический корпус с патрубками подачи и отвода потоков газа и жидкого абсорбента и опорных тарелок с насадкой (авт.св. СССР №1664379, B01D 53/18, 1989).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная степень очистки смесей газов от вредных компонентов даже при подборе специальных жидких абсорбентов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту по совокупности признаков и принятому за прототип является насадочный абсорбер, содержащий вертикальный корпус с входом и выходом газового потока и жидкого абсорбента, опорную решетку, на которой размещена насадка, и ионизатор, установленный на входе газового потока, при этом насадка выполнена из электропроводного материала, на поверхности которого установлен электрод в виде перфорированного диска (авт.св. СССР №1810102, B01J 19/32, B01D 3/32, 1989).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная степень очистки газовой смеси от вредных примесей даже при подборе специальных жидких абсорбентов из-за невозможности подачи высокого потенциала на электрод - перфорированный диск.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадочного абсорбера является увеличение степени очистки газовой смеси от вредных примесей за счет создания высокой напряженности электрического поля в насадке.
Поставленный технический результат достигается тем, что в насадочном абсорбера, содержащем вертикальный корпус с входом и выходом газового потока и жидкого абсорбента, опорную решетку, на которой размещена насадка, ионизатор, установленный на входе газового потока, и электрод в виде перфорированного диска, при этом насадка состоит из секций равной высоты, каждая из которых разделена перфорированным диском так, что высота каждой секции определяется по формуле
ΔH=U/E,
(1)
где ΔН - высота каждой секции, м; Е - напряженность электрического поля, обеспечивающего заданную степень очистки газовой смеси от вредных примесей, В/м; U - допускаемое по техники безопасности напряжение в жидком абсорбенте, В;
при этом смежные перфорированные диски подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а корпус и насадка выполнены из диэлектрического материала.
Разделение высоты насадки на секции равной высоты и установка между секциями перфорированных дисков, позволяет подавать на каждый из них потенциал, не превышающий допускаемое по технике безопасности напряжение при работе с жидкими абсорбентами и одновременно в соответствии с формулой (1) создать высокую напряженность электрического поля, обеспечивающего необходимую степень очистки смеси газов от вредных примесей при поглощении последних жидким абсорбентом.
Подсоединение смежных перфорированных дисков к различным полюсам источника постоянного тока позволяет иметь одинаковое напряжение U, а значит оптимальную напряженность электрического поля по всей высоте насадки в колонне, а перфорация в дисках позволяет равномерно распределять жидкий абсорбент и газовую смесь по высоте и радиусу насадки. Выполнение корпуса и насадки из диэлектрического материала позволяет уменьшить утечки тока по корпусу и насадке, а значит энергозатраты на очистку газовой смеси от вредных примесей, и способствует технике безопасности при работе с колонной и насадкой, которая находится под напряжением U.
На фигуре изображена схема насадочного абсорбера предлагаемой конструкции.
Насадочный абсорбер состоит из вертикального корпуса 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 газового потока и патрубками входа 4 и выхода 5 жидкого абсорбента, опорной решетки 6, на которой насыпана насадка 7, ионизатора 8, соединенного с патрубком входа 2 газового потока. Весь слой насадки 7 разбит на секции равной высоты ΔН, разделенных перфорированными дисками 9, при чем высота каждой секции ΔН рассчитывается по формуле (1).
Смежные перфорированные диски 9 присоединены проводами 10 к противоположным полюсам источника постоянного тока 11.
Корпус 1 выполнен из диэлектрического материала или покрыт им (гуммирован, эмалирован). Из диэлектрического материала (керамики, стекла, фарфора, полимера) выполнена также насадка 7.
Насадочный абсорбер работает следующим образом.
Поток газа перед подачей в корпус 1 абсорбера через патрубок 2 ионизируется и получает одноименный («плюс» или «минус») избыточный заряд в ионизаторе 8. На перфорированные диски 9, присоединенные к противоположным полюсам источника постоянного тока 11 проводами 10 подают напряжение U, допускаемое по технике безопасности при работе с жидким абсорбентом (U<36 В). Жидкий абсорбент подают в корпус 1 по патрубку 4, который проходя сквозь отверстия в перфорированных дисках 9, стекает сверху вниз по насадке 7, находящейся в каждой секции между перфорированными дисками 9. Ионизированный газовый поток, поднимаясь по колонне снизу вверх попадает в каждой секции высотой ΔН в зону напряженности электрического поля Е, обеспечивающего заданную степень очистки за счет взаимодействия ионов вредных веществ в ионизированном газовом потоке со стекающим навстречу жидким абсорбентом, так как под действием напряженности электрического поля происходит уменьшение сопротивления массопереносу на границе газ-жидкость и увеличивается скорость поглощения ионов вредных веществ из потока газа в жидкий абсорбент. Так как насадка 7 выполнена из диэлектрического материала, то по ней не происходит перенос заряда в каждой секции высотой ΔН к смежным перфорированными дискам 9, присоединенным к противоположным полюсам источника постоянного тока 11.
То же касается и корпуса 1, выполненного из диэлектрического материала или покрытого им с внутренней стороны. Это уменьшает утечки тока и снижает в целом энергозатраты на процесс абсорбции в предлагаемой конструкции насадочного абсорбера.
Пример. В лаборатории процессов и аппаратов химических производств изготовлен насадочный абсорбер предлагаемой конструкции. Корпус 1 абсорбера диаметром 40 мм и высотой 100 мм выполнен из стеклянной трубы - диэлектрического материала. Днище и крышка с патрубками 2, 3, 4 и 5 выполнены из полиэтилена, опорная решетка 6 выполнена из нержавеющей стали. Насадка 7 в виде колец Рашига диаметром 6 мм и такой же высоты выполнена из полиэтиленовой трубки толщиной 1 мм, то есть из диэлектрического материала. Высота насадки 60 мм разбита на зоны равной высоты, рассчитанной по формуле (1)
ΔН=20/1000=0,02 м,
где U=20 В - допускаемое напряжение при работе с жидким абсорбентом (должно быть по технике безопасности меньше 36 В);
E=1000 В/м - напряженность электрического поля, обеспечивающего заданную степень очистки газовой смеси от вредных примесей (в данном случае от молекул и ионов хлора).
Таким образом, вся высота насадки 60 мм разбита на 3 зоны высотой ΔH=20 мм каждая, которые разделены перфорированными дисками 7. Перфорированные диски 7 изготовлены из нержавеющей стали и представляют собой диски толщиной 1 мм диаметром 37 мм, равномерно перфорированные по поверхностям отверстиями диаметром 4 мм. Точно также изготовлена опорная решетка 6.
Смежные перфорированные диски 7 присоединены проводами 10 к противоположным полюсам источника постоянного тока 11, на котором устанавливают напряжение 20 В, обеспечивающего необходимую напряженность электрического поля E=1000 В/м, при этом опорная решетка 6 также выполняет функцию перфорированного диска 9 и присоединена проводом 10 к соответствующему полюсу источника постоянного тока 11, чтобы в нижней секции колонны 1 создать необходимую напряженность электрического поля.
Ионизатор 8 представляет собой разрядную камеру, выполненную в виде металлической трубки длиной 200 мм диаметром 25 мм с осесимметрично установленной в ней проволокой диаметром 2 мм. В качестве высоковольтного источника напряжения используется разрядник, состоящий из катушки Румкорфа и высоковольтного выпрямителя. В разрядной камере ионизатора 8 максимальная возможная разность потенциалов 20 кВ, позволяющая создать в газовом потоке (воздухе с хлором) коронный разряд.
Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице.
-4
-5
-5
Расход воды и воздуха поддерживался во всех опытах постоянными: воды 1,4×10 кмол/с, воздуха 1,2×10 кмол/с, концентрация в воздухе плохо растворимого в воде хлора, который поглощался жидким абсорбентом, 1,4×10 кмол/кмол.
Хлор получался при нагревании двуокиси марганца с концентрированной соляной кислотой.
Таблица
Абсорбция хлора водой в насадочном абсорбере
Тип абсорбера
Напряжение в ионизаторе, кВ и знак потенциала на электроде-проволоке
Напряжение В и разность потенциалов на электродах-дисках
Напряженность электрического поля, В/м
Степень разделения
Предлагаемыйабсорбер
10 кВ, «плюс»
20 В между дисками-электродами
1000
68,5
Известный насадочный абсорбер с ионизацией газового потока на входе
10 кВ, «плюс»
20 В между дисками- электродами и опорной решеткой
-
46,5
Примечание. В известном насадочном абсорбере можно говорить об условной напряженности электрического поля, так как насадка в нем выполнена из электропроводного материала (стальной нержавеющей трубки).
Как видно из таблицы, при напряженности электрического поля 1000 В/м степень очистки воздуха от хлора повышается до 68,5%, то есть по сравнению с насадочным абсорбером, выбранным за прототип, на 47%, так как высокая напряженность электрического поля резко снижает внешнедиффузионное сопротивление при прохождении ионов хлора через границу раздела фаз «газовый поток - жидкий абсорбент».
Таким образом, предлагаемая конструкция насадочного абсорбера позволяет увеличить степень очистки газовой смеси от вредных примесей даже для молекул, плохо растворимых в жидком абсорбенте за счет высокой напряженности электрического поля, обеспечивающей увеличение скорости массопереноса на границе газовая смесь - жидкий абсорбент при напряжениях, не превышающих допускаемые напряжения при работе с жидким абсорбентом.