Механические распыливающие абсорберы.

Известно большое число конструкций механических распыливающих абсорберов. Во многих из них достигается высокая эффективность при небольших габаритах. Это обстоятельство, а также низкое гидравлическое сопротивление привлекают внимание исследователей к рассматриваемому типу абсорберов. Однако из-за сложности конструкции, наличие вращающихся частей и значительного расхода энергии механические абсорберы нашли ограниченное применение.

Абсорберы с вертикальным валом.

Центробежный полый абсорбер с многодисковым разбрызгивателем.

Этот абсорбер представляет собой видоизмененную конструкцию циклонного скруббера, отличающуюся тем, что жидкость распыливается не форсунками, а механическим вращающимся устройством. Конструкция такого абсорбера, разработанная Хохловым, показана на рис. 6-12. Распыление жидкости производится устройством 1, состоящим из ряда расположенных друг над другом вращающихся дисков с уменьшающимся книзу диаметром. Капли жидкости, слетающие с дисков, движутся в горизонтальном направлении и, ударяясь об отражательные кольца 2, разбиваются на мелкие брызги. В колонн0е капли движутся по винтовой линии, причем вращательное движение затухает по мере движения капель вниз (угол наклона винтовой линии увеличивается).

Гидроаэродинамические испытания опытного абсорбера диаметром 1,2 м осуществлены при частоте вращения дисков 1000-3500 об/мин, плотностью орошения 0.5-3 м/ч и при веденной скорости газа 0,03-0,1 м/c. В том же опытном абсорбере проведены опыты по абсорбции NH₃ и CO₂ водой. С увеличением частоты вращения дисков до 1500 об/мин коэффициент массопередачи быстро возрастает, после чего сохраняет примерно постоянное значение. При n=1500 об/мин объемный коэффициент массопередачи К_rv при абсорбции NH₃ составляет 1600 ч^-1 (скорость газа 0,055 м/с; плотность орошения 1,1 м/ч). При абсорбции СО₂ (скорость газа 0,017 м/с; плотность орошения 1,1 м/ч) величина К_жv=90 ч^-1.
На основе описанных опытов предложены формулы для расчета массоотдачи в газовой и жидкой фазах.

Абсорбер с вращающемся погружным конусом.

Типичным аппаратом этого типа является абсорбер Фельда (рис. 6-13, а). Внутри цилиндрического кожуха 1 расположено по высоте несколько тарелок 2, заполненных жидкостью.
На валу 5 закреплены вращающиеся вместе с ним конуса 4. Нижние края конусов погружены в находящуюся на тарелках жидкость. При вращении вала жидкость поднимается по конусам и под действием центробежной силы сбрасывается сих верхних обрезов, образуя факель разрыва.

Такие абсорбы применяют в коксохимической промышленности, а также при охлаждении и очистке газов (1). Опытный абсорбер диаметром 1100 мм и высотой 3,8 м испытан при очистке водорода от H₂S и СО₂ раствором моноэтаноламина. Абсорбер имел по высоте восемь разбрызгивающих элементов, составленных из четырех конусов с наибольшим диаметром 400 мм; глубина погружения конусов в жидкость равнялась 50 мм; частота вращения вала - 400 об/мин. Степень очистки от H2S составляла 99,9, гидравлическое сопротивление 600 Па.
В нескольких работах (31-34) исследована гидродинамика абсорберов с погруженным конусом и получены зависимости для количества разбрызгиваемой жидкости, дисперсности факела распыла и расхода энергии.
Разновидностью абсорберов с вращающимся погруженным конусом является показанная на рис. 6-13, б ротационный аппарат Сафина. Ротор состоит из конуса-питателя 6 и концентрических колец 7. Нижний край конуса питателя погружен в жидкость находящуюся в кольцевом желобе 8. Разбрызгиваемая конусом-питателем жидкость собирается на внутренней поверхности первого от центра кольца (коническая отбортовка колец препятствует стеканию жидкости вниз), разбрызгивается с его верхнего края на второе кольцо и т.д. жидкость, разбрызгиваемая с наружного кольца, собирается в периферийном желобе 9 и по перетокам 10 стекает в желоб 8.
Проведенные испытания показали, что гидравлическое сопротивление орошаемого аппарата повышается с увеличением частоты вращения ротора пропорционально число оборотов в степени 0,75. При 450 об/мин и приведенной скорости газа 0,5-1,95 м/с сопротивлении на одну ступень составляло 2,5-20 Па. При скорости газа свыше 1,4 м/с и малых частотах вращения (350-400 об/мин) наблюдался провал жидкости с вращающихся колец, а при частотах 450-600 об/мин происходили интенсивное пенообразование и унос брызг с колец ротора. С увеличением скорости вращения (свыше 600 об/мин) предельная нагрузка смещается в сторону меньших скоростей газа. В рассматриваемой работе исследована также массопередача при испарении воды в воздух.

Абсорбер с вращающимся перфорированным цилиндром.

В нескольких работах изучался аппарат с распылителем, выполненном в виде перфорированного цилиндра (на подобие корзины центрифуги). Вытекающие из отверстия в центре струи жидкости при определенной относительной скорости под действием потока газа расплющиваются в пленку, которая и распадается на капли.
Такого типа распылители дают полидисперсный распыл. Холин с сотр. применили так называемый веерный распылитель, в котором отверстия имеют большой диаметр (15 мм и более), а снаружи цилиндра на выходе из отверстий укреплены продольные отражательные пластины. Струи жидкости при движении по этим пластинам растягиваются в тонкие пленки одинаковой толщины. В результате дробления пленок образуется монодисперсный распыл с диаметром капли порядка 100 мкм. Авторы полагают, что равномерность распыления сводит к минимуму, брызгоунос и позволяет работать с большими скоростями газа. В указанной работе приводятся данные испытания опытного аппарата в процессе абсорбции фтористых соединений.

Механические абсорберы с горизонтальным валом.

Абсорбер с разбрызгивающими валками.

Основным рабочим органом этих абсорберов является горизонтальный вал, на котором закреплены лопасти (рис. 6-14) или диски (рис. 6-15). Лопасти или диски слегка погружены в жидкость; при вращении они захватывают жидкость и разбрызгивают ее, образуя факел расплыва, форма которого показана на рис. 6-14 и 6-15.
Разбрызгивающие валки устанавливают в камерах так, что газ движется перпендикулярно (рис.6-14) или параллельно (рис. 6-15) осям валков. При этом по ходу движения газа размещают перегородки. Движение газа параллельно оси валков применяется в абсорберах с двумя валками, а перпендикулярно движение - при числе валков два и более.

Рис. 6-15. Абсорбер с разбрызгивающими дисками:
1 - вал; 2 - диски 3 - перегородки.

Абсорберы с разбрызгивающими валками используют для поглощения SiF₄ (выделяющегося при производстве фосфата) водой с получением кремнефтористоводородной кислоты. В этом процессе абсорбция сопровождается выделением твердой фазы (SiO₂), что затрудняет применение некоторых типов аппаратов, например насадочных абсорберов.
Гидравлические исследования различных типов разбрызгивающих валков проведены Матрозовым. При очень небольшом числе оборотов валков факел распыла для любой формы лопастей симметричен относительно оси валка, но радиус факел мал (300-500 мм), а капли крупные. С увеличением числа оборотов размер капель уменьшается, а размеры факела увеличиваются, причем он начинает отклоняться от вертикальной оси в сторону, противоположную вращению валков. Степень этого отклонения тем больше, чем меньше выходной угол лопасти альфа (рис. 6-14). При 300 - 500 об/мин и радикальных лопастях (альфа=0^о) отклонение факела наибольшее, так что большая часть камеры не заполнена брызгами. Симметричный факел и хорошее заполнение камеры наблюдаются при альфа=45 - 55^о; при этом достигается и минимальное значение N_уд (мощность на единицу плотности орошения).
При увеличении диаметра волка от 350 до 430 мм факел отклоняется от вертикали (как при малых альфа); с уменьшением числа оборотов факел становится более симметричным, но радиус его резко уменьшается и капли укрупняются. С повышением числа лопастей падают плотность орошения и мощность, но N_уд увеличивается.
Оптимальным можно считать валок с 4-мя лопастями диаметром 350 мм с альфа=55^о при n=450 об/мин. Было также установлено, что оптимальная глубина погружения валка в жидкость составляет 30 - 35 мм. Направление вращения должно быть таким, что бы лопасть зачерпывала жидкость.
Испытания валков с дисками показали, что оптимальными являются диаметром 350 мм при n=800 об/мин и глубине погружения 40 мм. Диски дают более тонкий распыл, но малую плотность орошения, поэтому общая поверхность капель ниже, чем при валках с лопастями; соответственно N_уд для дисков значительно выше.
Испытаниями лопастных и дисковых разбрызгивающих валков установлено заметное преимущество описанных выше лопастных валков оптимального типа. Объемный коэффициент массопередачи при абсорбции SiF₄ в промышленных условиях составлял на этих валках 2000 - 3200 ч^-1, что примерно в 2-а раза выше, чем при валках с радиальными лопастями. Полузаводские испытания дисковых валков показали, что Кrv практически не зависит от скорости газа, но возрастает с увеличением числа оборотов и глубины погружения.
Предложено конструкция валков, в которых лопасти заменены на изогнутые в форме буквы S трубы, зачерпывающие при своем вращении жидкость.

Горизонтальный одноваловый абсорбер.

Конструкция этого абсорбера разработана Ганзом. Абсорбер близок к устройству к показанному на рис. 6-17а, но скорость вращения вала больше. Диски имеют диаметр, составляющий примерно 0,9 от диаметра аппарата. По периферии диски надрезаны на 1/3 диаметра, и концы их загнуты в виде лопаток (рис. 6-16). На поверхности дисков сделаны отверстия для прохода газа.
Испытание модели абсорбера диаметра 60-100 мм проводились при водной абсорбции окислов азота, поглащений окислов азота известковым молоком, поглащнии NO раствором FeSO₄ и поглощении CO₂ раствором моноэтаноламина. Объемные коэффициенты массопередачи при поглощении окислов азота составляли 350-1500ч^-1
Было обнаружено также, что процесс окисления значительно интенсифицируется.
Наиболее детально изучено водная абсорбция окислов азота. Опыты показали, что Ккмпропорционален скорости газа в степени 0,81 (при скоростях 0,1-0,36 м/с) и число оборотов дисков в степени 0,74 (n=800-2900 об/мин).
Было исследовано также влияние физико-химических (концентрация окислов азота в газе, концентрация HNO₃, температура) и геометрических (диаметр дисков, ширина лопастей, длина абсорбера, глубина погружения дисков) факторов. Из предложенного Ганзом и Локшиным уравнения следует, что К_RV пропорционален диаметру дисков в степени -1,2; по этому надо ожидать что с увеличением размеров аппарата его эффективность будет снижаться. Чтобы избежать этого, нужно с увеличением диаметра аппарата повышать окружную скорость дисков; тогда оптимальное число оборотов определяют по формуле

где D - диаметр дисков, а индекс 0 относится к модельному аппарату.

Центробежные абсорберы.

В ряде работ исследован центробежный абсорбер, показанный на рис. 6-17. на валу 1 укреплен ротор 2 с кольцами 3 между которыми расположены неподвижные кольца 4 статора.

При вращении ротора жидкость поднимается по внутренней поверхности колец 3 и под действием центробежной силы разбрызгивается с их верхних обрезов. Распыленная жидкость ударяется о неподвижные кольца 4 и стекает в ротор, после чего распыливается на следующем (считая от центра) кольце 3. Газ движется в направлении, указанном стрелками в зазорах между вращающимися и неподвижными кольцами (противотоком, как изображено на рисунке, или прямотоком), пересекая при этом факел распыленной жидкости.
Исследования гидро- и аэродинамики центробежного абсорбера показали, что вращение ротора оказывает существенное влияние на сопротивление аппарату, которое в то же время не зависит (при окружной скорости внутреннего кольца ротора выше 2 м/с) от того, производится подача жидкости или нет. При малом числе оборотов ротора центробежная сила становится недостаточной для того, чтобы жидкость двигалась пленкой по внутренним поверхностям колей ротора, и жидкость накапливается между ними, уменьшая зазор для прохода газа между ротором и нижней частью колец статора. Это ведет к возрастанию сопротивления и далее к захлебыванию аппарата. В опытах с плоским ротором (альфа=180^о) найдено, что при уменьшении числа оборотов ротора ниже некоторой величины (около 600 об/мин в условиях опытов при диаметре ротора 0,27 м) захлебывание происходит практически независимо от скорости газа, направления его движения и расхода жидкости.
Массопередачу в центробежных абсорберах изучали при поглощении раствора СО2 раствором моноэтаноламина, а также при поглощении NH₃, CH₃СОСН₃ и С₂Н₅ОН водой и десорбции СО₂ из воды. Значение объемных коэффициентов массопередачи, отнесенных к рабочему объему аппарата, при абсорбции NH₃ водой и в аппарате с диаметром ротора 0,16 м составили 8500-36000 ч^-1, при чем К_гv повышается с увеличением w, L и n. Повышение К_гv с возрастанием L и n объясняется увеличением при этом поверхности контакта.
Опыты по абсорбции СО₂ раствором моноэтаноломина показали, что К_гv не зависит от скорости газа и возрастает с повышением L и n.
Разновидностью абсорбера, показанного на рисунке 6-17, является аппарат Аношина, в котором неподвижные кольца 4 заменены на радиальные лопатки, что, по данным автора аппарата улучшает его работу.
Были испытаны также центробежные абсорберы, в которых статор прикреплен к ротору и вращается вместе с ним или статор вращается в направлении, противоположном ротору. Наивысшее значение К_гv получено при вращении статора и ротора в противоположных направлениях, наименьшее - при их совместном вращении в одном направлении.
Поскольку центробежная сила в рассматриваемых аппаратах во много раз превышает силу тяжести, они могут работать и при горизонтальном положении вала. Горизонтальный центробежный абсорбер с прикрепленным к ротору статором (диметр ротора 305 мм) испытан для случая абсорбции СО₂, NH₃ и ацетона водой при частоте вращения от 680 до 3120 об/мин. Коэффициент массопередачи К_гv составляли (в ч^-1): для СО₂ - 300, для ацетона - 180000, для NH₃ - 220000.