Тарельчатые абсорберы

Поскольку поверхность контакта фаз на тарелках трудноопределима, коэффициенты массопередачи часто относят к сечению тарелки или к объему пены на тарелке (где h _п – высота пены на тарелке). Тогда число единиц переноса на тарелку (n _г или n _ж) можно записать следующим образом:

для газовой фазы

; (6.51)

для жидкой фазы

(6.52)

Коэффициенты массоотдачи и , отнесенные к единице рабочей площади тарелки, связаны с поверхностными коэффициентами массоотдачи и следующими соотношениями:

для газовой фазы

; (6.53)

для жидкой фазы

(6.54)

Для колпачковых тарелок число единиц переноса в газовой фазе определяют по уравнению

(6.55)

где h _пер – высота переливной перегородки, м; q – расход жидкости, отнесенный к периметру сливной перегородки, м³/(м×с).

Для этих же тарелок число единиц переноса в жидкой фазе n _ж имеет следующий вид:

(6.56)

где t – средняя продолжительность контакта фаз (в с), которую определяют по уравнению

где – длина пути жидкости, т.е. расстояние между сливными перегородками, м; – линейная плотность орошения, отнесенная к средней ширине тарелки, м³/(м×с).

В интенсивных гидродинамических режимах на тарелках характерный линейный размер, равный среднему диаметру пузырька или газовой струи, мало зависит от скоростей фаз и их физических свойств, т.е. становится величиной практически постоянной. Поэтому можно пользоваться расчетными эмпирическими выражениями [1, 21]

(6.57)

и

(6.58)

где h ₀ – высота слоя светлой (неаэрированной) жидкости на тарелке, м; e – газосодержание барботажного слоя, м³/м³; w – скорость газа в свободном сечении; F _св – площадь поперечного сечения колонны.

Коэффициенты массоотдачи в турбулентном барботажном слое также можно вычислить, используя теоретические уравнения, полученные на основе использования модели диффузионного пограничного слоя и гидродинамической аналогии [6, 7].

Определяя число действительных тарелок по любому из указанных выше способов, в первом приближении можно принять, что на тарелках со сливными устройствами жидкость и газ движутся по взаимно перпендикулярным направлениям; в этом случае движущую силу процесса вычисляют по схеме абсорбции с перекрестным током. На провальных тарелках движущую силу процесса рассчитывают по схеме полного перемешивания фаз.

Определив число действительных тарелок, находят высоту абсорбера:

(6.59)

где h _в – расстояние от верхней тарелки до крышки абсорбера и h _н – расстояние между днищем абсорбера и нижней тарелкой, которые принимаются из конструктивных соображений (обычно величину h _н принимают равной 1–1,5 D _к); H _сп – высота сепарационного пространства.

Высота сепарационного пространства H _сп служит для снижения влияния на процесс явления брызгоуноса, который в тарельчатых аппаратах проявляется всегда. При разрыве пузырьков, выходящих на поверхность барботажного слоя, газовым потоком увлекаются образующиеся при этом капли жидкости. Эти капли, попадая на вышерасположенную тарелку, снижают на ней движущую силу процесса массопереноса и увеличивают нагрузку на сливные устройства. При выходе из абсорбера газ уносит с собой часть абсорбента, что может привести к его необратимой потере. Для снижения этих потерь применяют различные брызгоуловители над верхней тарелкой (слой насадки, вертикальные гофрированные листы и т.п.) или ловушки капель на выходе газа из абсорбера. Таким образом, явление брызгоуноса является одной из основных причин, ограничивающих возможность интенсификации тарельчатых аппаратов.

Принимают, что допустимая величина брызгоуноса е не должна превышать 0,1 кг жидкости на 1 кг газа. Величина уноса резко растет с увеличением скорости газа в колонне и снижением величины H _сп.

Для расчета величины уноса с различных тарелок предложено следующие уравнение:

(6.60)

где f – поправочный множитель, учитывающий свойства жидкости и равный причем s – в мН/м.

Ниже приведены значения коэффициента А и показателей степени m и n:

Тарелки	А	m	n
провальные (дырчатые, решетчатые, волнистые)		2,56	2,56
клапанная и балластная		2,15	2,5

.

Расчет перепада давления в абсорбере

Перепад давления в насадочном абсорбере, Па, рассчитывается как произведение высоты насадки и величины сопротивления насадочного слоя высотой 1 метр, полученного по формулам (6.41), (6.45). В результате имеем

, .

Для орошаемых тарелок рассчитывают как сумму трех составляющих:

где – сопротивление сухой тарелки; – сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости; – сопротивление газожидкостного слоя на тарелке. Их расчет приведен в разд. 4.5 пособия.

Сопротивление всех тарелок колонны, Па, находится по уравнению

(6.61)

При найденных значениях определяются энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер.

Энергия, необходимая для подачи газа в абсорбер, Вт, будет равна

(6.62)

где G – массовый расход газа, кг/с.

6.10. Расчет пленочных абсорберов

Для трубчатых аппаратов предельную скорость газа (скорость захлебывания) w _з определяют по следующему уравнению [1]:

(6.63)

В уравнении (6.63)

По принятой величине скорости w газа в трубах находят суммарную площадь их поперечного сечения:

после чего, задаваясь внутренним диаметром d труб (в пределах 0,02–0,05 м), определяют их число:

Принимая шаг труб t = (1,25÷1,5) d _н (где d _н – наружный диаметр труб), определяют диаметр абсорбера

где – число труб, размещенных на диагонали наибольшего шестиугольника при шахматном расположении труб; a ₁ – число труб на стороне наибольшего шестиугольника.

Высота труб в трубчатом абсорбере

где F _тр – внутренняя поверхность всех труб.

При допущении, что поверхность контакта фаз F = F _тр,

С учетом того, что получим

(6.64)

В уравнение (6.64) входит коэффициент массопередачи K_y (или K_x), для определения которого нужно знать значения коэффициентов массоотдачи в газовой b_г и жидкой b_ж фазах. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе можно определить по уравнению гидродинамической аналогии

(6.65)

а значение – по уравнению

(6.66)

В уравнениях (6.65) и (6.66): – диффузионный критерий Нуссельта (– эквивалентный диаметр пленки; D _г – коэффициент молекулярной диффузии в газовой фазе); – диффузионный критерий Прандтля; – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой пленки; – критерий Рейнольдса для жидкой пленки (– средняя скорость движения жидкой пленки); – диффузионный критерий Прандтля для жидкости (D _ж – коэффициент молекулярной диффузии в жидкой фазе); – приведенная толщина пленки.

Значения В, m и р для различных режимов движения пленки представлены ниже:

Режим движения	В	m	p
<300	0,888	0,45	0,5
300<<1600
>1600		1,0

Теоретические уравнения для расчета коэффициентов b_г и b_ж даны в работах [6, 7].

Гидравлическое сопротивление D Р пленочных абсорберов определяют по уравнению

где – относительная скорость газа (при противотоке); l – коэффициент сопротивления.

Коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывают по уравнениям:

при <:

, (6.67)

при >:

(6.68)

где – критерий Рейнольдса для газа; – критическое значение критерия Рейнольдса с учетом влияния на режимы движения газового потока скорости движения и физических свойств жидкой пленки; s – поверхностное натяжение жидкости.

Значение определяется зависимостью

При турбулентном течении пленки (Re_ж>2000) коэффициент b_ж можно вычислить по теоретическому уравнению [7]

(6.69)

6.11. Устройство и принцип действия абсорберов

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппараты – абсорберы – должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами.

Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционные установки, основным элементом которых являются абсорбционные аппараты.

Абсорбционные аппараты классифицируются в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт газа (пара) и жидкости.

По технологическому назначению абсорбционные аппараты подразделяют на аппараты установок осушки, очистки газа, газораспределения и т.д.

По способу образования поверхности контакта фаз, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) тарельчатые; 4) распыливающие.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением выше атмосферного.

При выборе типа аппарата следует учитывать технологические требования к процессу и его экономические показатели.

Пленочные аппараты (к которым относятся также абсорберы с регулярной насадкой) незаменимы при проведении процесса в условиях разрежения, поскольку их гидравлическое сопротивление самое низкое. Пленочные и насадочные колонны предпочтительнее также для обработки коррозионных сред и пенящихся жидкостей.

Тарельчатые колонны удобны для крупнотоннажных производств при относительно малых расходах жидкости, недостаточных для равномерного смачивания насадки, а также для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры, так как периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушить хрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отвода теплоты. Тарельчатые колонны также применяются при обработке потоков с твердыми примесями или при выделении твердого осадка.

Конструкции абсорберов даны в главе 4.

Дата добавления: 2014-01-20