Расчет числа теоретических ступеней контакта

Лекция №19

Расчет проводится для изотермического процесса. Процессы физической абсорбции, как правило, сопровождаются выделением теплоты, а следовательно, повышением t абсорбента и смеси. При значительном росте t возможно резкое снижение растворимости газа, поэтому для поддержания производительности в абсорбере приходится в ряде случаев прибегать к ее охлаждению путем размещения внутренних или внешних охлаждающих элементов.

Поэтому процесс абсорбции изотермический – несколько идеализированный процесс

Для изотермических процессов равновесие между фазами является только функцией их состава .

Алгоритм расчета числа тарелок представлен на рис. 6.7.

1. Из уравнений материального баланса находим:

2. – из уравнения равновесия.

3. Из уравнений материального баланса 1 ступени находим расход газа, уходящего с первой ступени:

и расход жидкости, поступающей на нее с предыдущей ступени:

4. и т.д. – до тех пор, пока не станет y_n ≤ y _к.

Рис. 6.7. Алгоритм расчета теоретических ступеней контакта

6.5. Расчет движущей силы массопередачи и числа единиц переноса

Движущей силой массопередачи является отклонение от равновесного состояния рабочей концентрации.

Первоначально рассчитываются движущие силы массопередачи внизу абсорбера (рис. 6.8)

и вверху абсорбера:

где , - равновесные концентрации компонента в газовой фазе, кгА/кгВ; - концентрация распределяемого компонента на входе и выходе потока жидкости в аппарате, кгА/кгВ; Р _н, Р _к – парциальные давления компонента в газе на входе и выходе из аппарата; – парциальные давления компонента в газе, равновесным с жидкостью на входе и выходе из абсорбера; – равновесная концентрация компонента в жидкости.

Рис. 6.8. Графическое изображение движущих сил массопередачи

на Y - X диаграмме: 1 - равновесная линия, 2 - рабочая линия

Средняя движущая сила массопередачи равна:

(6.20)

Если , то с достаточной точностью среднюю движущую силу можно найти как среднеарифметическую:

(6.21)

Более точным способом является определение движущей силы через число единиц переноса массы. Число единиц переноса n _oг определяется по формуле

(6.22)

6.6. Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Фиктивная скорость газа (на полное сечение колонны без учета наличия насадки) в точке захлебывания (W _з) находится из решения следующего уравнения [17]:

, (6.23)

где a_v - удельная поверхность насадки, м²/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; V _св - свободный объем насадки, м³/м³; m_ж - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа×с; r_г, r_ж - плотность газа и жидкости, соответственно, кг/м³. Значения коэффициентов A ₁ и B ₁ в зависимости от типа насадки представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Значения коэффициентов A ₁ и B ₁ в зависимости

от типа насадки

Тип насадки	А 1	В 1
Кольца Рашига внавал	–0,073	1,75
Кольца Палля внавал	– 0,49	1,04
Седла размером 25 мм	– 0,33	1,04
Седла размером 50 мм	–0,58	1,04

Рабочая (фиктивная) скорость газа W для абсорберов, работающих в пленочном режиме, меньше значения W _з на величину b

, (6.24)

где b = 0,75 для абсорберов, работающих с повышенным давлением, и b = 0,4 в случае пенящихся жидкостей.

После выбора рабочей скорости газа, диаметр колонны D _к (абсорбера) определяется из уравнения расхода

. (6.25)

По расчетному диаметру D _к подбирается близкий стандартный диаметр колонны D _гости уточняется рабочая скорость газа:

, .

Определение плотности орошения. Для обычных насадочных колонн после определения диаметра абсорбера необходимо рассчитать действительную плотность орошения U, которая должна быть не меньше U _опт:

, (6.26)

где b – коэффициент (при абсорбции аммиака водой b = 4,38∙10^-5 м³/(м²∙с); при абсорбции паров органических жидкостей b = 2,58∙10^-5 м³/(м²∙с); при ректификации b = 1,8∙10^-5 м³/(м²∙с)).

Если плотность орошения U меньше U _опт, то насадка будет недостаточно смочена; в связи с этим в процессе массопередачи будет участвовать не вся возможная поверхность. Это учитывается коэффициентом смачиваемости Ψ, который определяется при по рис. 6.9.

Для увеличения плотности орошения U следует применять насадку с меньшей удельной поверхностью, чтобы снизить U _опт.

Максимальное смачивание насадки (Ψ = 1) достигается при . Кроме того, для равномерного смачивания насадки необходимо обеспечить следующее соотношение диаметра колонн D _к и диаметр насадки d _н:

.

Рис. 6.9. Коэффициент смачиваемости Ψ при различном отношении : 1 – на насадке из колец навалом; 2 – на деревянной

хордовой насадке

Существенным моментом расчета абсорбера является выбор числа точек орошения n, приходящихся на 1 м² сечения колонны. Число точек орошения следует определять, исходя из данных растекания струи жидкости в насадке и по допустимой высоте слоя насадки, в котором растекающиеся струи будут сближаться. Этот слой будет как бы частью распределителя орошения и может быть назван слоем разравнивания. Для этого необходимо первоначально определить коэффициент растекания жидкости , см, по формуле [11]

, (6.27)

где d _нас- диаметр насадки, см.

Рассчитав по выражению (6.27) и задавшись высотой слоя разравнивания h, число точек орошения определяем по графической зависимости, показанной на рис. 6.10 [11].

Рис. 6.10. Зависимость необходимого числа точек орошения (на 1 м²

сечения колонны) от коэффициента растекания при разной высоте разравнивающего слоя насадки h: 1 – 0,25 м; 2 – 0,5 м; 3 – 0,75 м;

4 – 1,00 м; 5 – 1,5 м

После определения n выбирается стандартный ороситель жидкости [21].

Тарельчатые колонны. При противотоке газа и жидкости в зависимости от скорости потоков на тарелке устанавливаются режимы неравномерной работы, равномерной работы, газовых струй и брызг.

Режим неравномерной работы наблюдается при малых скоростях газа в свободном сечении колонны w < 0,5 м/с (при атмосферном давлении). При рассматриваемом режиме образующаяся на тарелке двухфазная система состоит по высоте из трех зон (считая снизу вверх): зоны собственно барботажа (газ распределяется в виде пузырьков или газовых мешков – факелов), зоны неподвижной пены и зоны брызг. В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа не полностью открыты, имеет место пузырьковый режим барботажа. В ситчатых тарелках жидкость проваливается через отверстия и не успевает накапливаться на тарелках.

Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении скорости газа (до 1 м/с). При этом увеличивается высота зоны пены и уменьшается высота зоны собственно барботажа. В известных условиях зона собственно барботажа исчезает полностью и возникает так называемый пенный режим. Равномерный режим работы колпачковых тарелок характеризуется полным раскрытием прорезей всех колпачков и струйным движением газа (пара) через жидкость. В ситчатых тарелках истечение газа (пара) в жидкость происходит через все отверстия.

Режим газовых струй и брызг в атмосферной колонне наблюдается при повышении скорости газа (пара) более 1 м/с. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается. В результате над пеной появляется большое количество брызг. При дальнейшем увеличении скорости газа (пара) наблюдается инжекционный режим: жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени уносится с ним в виде брызг.

Определение допустимой скорости газа (пара) было рассмотрено в разд. 5.2 данного пособия.

Дата добавления: 2014-01-20