Расчет абсорберов

Расчет абсорберов заключается в определении расхода абсорбента, гидравлического сопротивления, диаметра и высоты абсорбера.

При расчете абсорберов обычно известны расход газа, состав, начальная и конечная концентрации газовой смеси, начальная концентрация газа в абсорбенте.

Расход абсорбента определяют из уравнения материального баланса (13.5).

Гидравлическое сопротивление зависит от конструкции абсорбера и гидродинамического режима его работы. Рассчитывают гидравлическое сопротивление по оптимальной скорости газа, которую определяют на основании технико-экономического расчета.

Диаметр абсорбера вычисляют по линейной скорости газа по уравнению (12.69).

Высоту абсорберов рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи (12.62).

Схемы расчета пленочных и насадочных абсорберов однотипные. Расчет тарельчатых абсорберов имеет отличительные особенности.

При расчете пленочных абсорберов гидравлическое сопротивление рассчитывают по уравнению Дарси — Вейсбаха

(13.24)

где: λ — коэффициент гидравлического сопротивления; Н — высота поверхности, по которой стекает пленка, м; d_эк — эквивалентный диаметр канала, по которому движется газ, м;

υ_отн= υ + υ_ср — относительная скорость газа, м/с; υ_ср — средняя скорость течения пленки, м/с; ρ_г — плотность газа, кг/м³.

Среднюю скорость течения пленки вычисляют по уравнению (13.17).

Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от величин критериев Рейнольдса для газа и пленки. Критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения пленки, определяют по уравнению (13.20).

Диаметр трубчатых абсорберов вычисляют по расходу и скорости газа, задаваясь внутренним диаметром труб.

Количество труб

(13.25)

где: G— массовый расход газа, кг/с.

Зная количество труб, по формуле (3.2.16) находят диаметр абсорбера.

Высоту труб определяют по площади внутренней поверхности всех труб

(13.26)

В свою очередь,F_тр=nπd_внН.

С учетом модифицированного уравнения массопередачи (4.1.60) получают

Для определения коэффициента массоотдачи в газовой фазе для пленочных абсорберов предложена критериальная зависимость.

(13.27)

где: Rе_г — критерий Рейнольдса для газового потока; Рг _дг — критерий Прандтля для газа.

В качестве определяющего размера в этом уравнении используется эквивалентный диаметр канала, в котором идет газовый поток.

В уравнении (13.27) в критерий Rе_г подставляется средняя скорость движения газового потока относительно пленки. Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе для пленочных колонн используется уравнение

Nu_дж=0,069 (13.28)

где: Rе_ж — критерий Рейнольдса для жидкой пленки; Рг_{д ж} — критерий Прандтля для жидкости; Gа — критерий Галилея; h — высота рабочей части аппарата, м; d_эк — эквивалентный диаметр пленки, м.

В критерий Rе_ж вводится средняя скорость стекания пленки.

При расчете насадочных абсорберовдля насадки, не орошаемой жидкостью, гидравлическое сопротивление (в Па) потоку газа (пара) может быть определено по уравнению

(13.29)

где: λ — коэффициент гидравлического сопротивления; Н — высота насадки, м; d_эк — эквивалентный диаметр насадки, определяемый по уравнению (13.22), м; υ_г - скорость газа, м/с; ρ_г — плотность газа, кг/м³.

При орошении насадочной колонны жидкостью гидравлическое сопротивление колонны увеличивается с ростом расхода потока газа (пара) и плотности орошения и достигает максимума при режиме захлебывания. Плотностью орошения и плотностью газового (парового) потока называют массовые скорости потоков газа (пара) и жидкости в колонне, отнесенные к единице поперечного сечения аппарата [в кг/(м²*с)].

Сопротивление смоченной насадки может быть вычислено по формуле, которую рекомендует проф. А. Н. Плановский:

(13.30)

где Δр_с — сопротивление сухой насадки.

Диаметр абсорбера определяют по уравнению (12.69). Скорость газа принимают на 15... 20% ниже скорости захлебывания и определяют по уравнению (13.23).

Высоту абсорбера можно найти по модифицированному уравнению массопередачи (12.62).

Определение коэффициента массоотдачи в газовой (паровой) фазе для насадочных колонн возможно по критериальной зависимости, выведенной на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных, полученных для орошаемых насадок,

(13.31)

Определяющим геометрическим размером в этом уравнении служит эквивалентный диаметр насадки d_эк. В критерий Rе_г подставляют скорость газа в свободных каналах насадки.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для насадочных колонн может быть определен по уравнению

Nu_дж= 0,00216Rе Рг , (13.32)

в котором критерий Nu_{д ж} рассчитывают по приведенной толщине пленки

Расчет тарельчатых колонн сводится к определению гидравлического сопротивления, диаметра колонны, числа тарелок, высоты абсорбера.

После выбора типа тарелки определяют предельно допустимую скорость пара или газа, для расчета которой, например, можно использовать уравнение Киршбаума

(13.33)

Скорость газа (пара) в свободном сечении колонны принимается равной (0,8...0,9) υ_пр.

В настоящее время определилась тенденция к уменьшению расстояния между тарелками. Минимальное расстояние между тарелками, обеспечивающее необходимый гидравлический затвор, определяется соотношением (рис. 13.15)

(13.34)

где: h_д — высота столба жидкости в сливном патрубке, необходимая для создания скорости жидкости, м; h_з— высота столба жидкости в сливном патрубке, обеспечивающая гидравлический затвор, м; h₀— расстояние от тарелки до нижнего края сливного патрубка, м.

Рис. 13.15. К расчету минимального расстояния между тарелками

Высота столба жидкости в сливном патрубке

(13.35)

где: υ_с — скорость жидкости в сливном патрубке, принимаемая обычно в пределах 0,02...0,06 м/с; — коэффициент сопротивления выхода; — коэффициент, выражающий сопротивление сливного патрубка.

В свою очередь, ₂ = _с,

где: λ — коэффициент гидравлического сопротивления; l _с — рабочая длина сливного патрубка (h_Д + h₃), м; d_с — диаметр сливного патрубка.

Высота h₃ уравновешивает перепад давления между тарелками. Следовательно,

(13.36)

где ρ_п — плотность пены в сливном патрубке, приближенно равная 0,5 ρ_ж.

Сопротивление ситчатой тарелки (в Па) может быть определено по уравнению

, (13.37)

где: р_с — сопротивление «сухой» тарелки; р₀ — перепад давления, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения; р_ж — сопротивление столба жидкости на тарелке.

Величина р₀ определяется по величине поверхностного натяжения жидкости

р₀ =4σ/d₀, (13.38)

где σ — поверхностное натяжение на границе фаз, Н/м; d ₀ — диаметр отверстия в тарелке, м.

Сопротивления р_с и р_ж могут быть вычислены по уравнениям, рекомендуемым проф. А. Н. Плановским:

(13.39)

, (13.40)

где:υ _о — скорость газового (парового) потока в отверстиях тарелки, м/с; k=0,5 — отношение плотности пены на тарелке к плотности жидкости; h — высота сливного порога, м; - высота слоя небарботируемой жидкости у сливного порога, м;

(13.41)

здесь L — массовый расход жидкости, кг/ч; — коэффициент расхода жидкости через сливную перегородку ( =6400... 10000); b — ширина сливной перегородки, м.

Гидродинамические соотношения, характеризующие работу колонн с колпачковыми тарелками, мало отличаются от соотношений для колонн со ситчатыми тарелками.

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки определяется из равенства

(13.42)

где: _к — потери давления газового (парового) потока при проходе через колпачок, Па; _пр — потери давления при проходе газа (пара) через прорези, Па; _ж — сопротивление столба жидкости на тарелке, Па.

Сопротивление колпачка р_к с достаточной точностью можно определить, суммируя потери давления при преодолении местных сопротивлений, обусловленных сужением газовой струи и ее поворотами внутри колпачка. Минимальные гидравлические сопротивления обычно соответствуют равенству скоростей газового потока во всех сечениях колпачка

, (13.43)

где: d_п — диаметр патрубка, м; d_к — диаметр колпачка, м; h_к — высота расположения колпачка над патрубком, м.

Лучшие гидродинамические характеристики имеют колпачки, у которых диаметр равен 40...60 мм и площадь всех сечений паровых патрубков составляет 10... 15% площади поперечного сечения колонны.

Сопротивление колпачка может быть вычислено по формуле

(13.44)

где: v — скорость газа (пара) в патрубке, м/с; — сумма всех сопротивлений.

Сопротивление прорезей можно найти по уравнению

(13.45)

где: _пр= 1,5 — коэффициент местного сопротивления при проходе газа через прорезь; υ_пр — скорость газа (пара) в прорези, м/с; р₀ — сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

В данном случае

, (13.46)

где: d _Г — гидравлический диаметр открытого отверстия прорези.

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке определяется по тому же уравнению, что и на ситчатой (13.35).

Диаметр абсорберов определяют по уравнению (4.1.69). Высоту тарельчатых абсорберов находят, зная число тарелок и расстояние между тарелками, по формуле

, (13.47)

где: h_г — расстояние между тарелками, м; п — число тарелок; h_в — расстояние от верхней тарелки до крышки абсорбера, м.

Число ступеней изменения концентрации (число тарелок) находят методами, изложенными в главе 4.1.

Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям (13.12) и (13.13).

Коэффициенты массоотдачи в газовой фазе в тарельчатых колоннах рассчитывают по следующим уравнениям, предложенным Г. П. Саламахой:

для колпачковых тарелок

; (13.48)

для ситчатых тарелок с переливными устройствами

; (13.49)

для ситчатых провальных тарелок

, (13.50)

где: We — критерий Вебера; .Здесь σ — поверхностное натяжение,Н/м; _ж — плотность жидкости, кг/м; h _ст — высота статического слоя жидкости на тарелке, м.

Линейным размером в критериях Nu _д.г и Re _г является капиллярная константа х, определяемая как

Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе может быть рекомендовано уравнение

(13.51)

В этом уравнении в критерий Re_ж подставляется скорость газа (пара) в свободном сечении колонны.

Контрольные вопросы

1. Какова сущность абсорбции? Каким зако­нам массопередачи подчиняется процесс абсорбции? 2. Какому закону подчиня­ется равновесие в процессах абсорбции? Какие факторы способствуют абсорбции и десорбции? 3. Что является движущей силой абсорбции? Как она определяется? 4. Изобразите процесс абсорбции в координатах у—х. Как определяется средняя движущая сила процесса? 5. Какие схемы абсорбции применяют в технике? Дайте технико-экономическую характеристику этих схем. 6. Как влияет расход абсор­бента на размеры абсорбера? Может ли абсорбер работать при минимальном рас­ходе абсорбента? 7. Из каких соображений определяется оптимальный расход аб­сорбента? 8. Как видоизменяются и почему уравнения для определения коэффи­циентов массоотдачи для хорошо и труднорастворимых газов? 9. Какие конструк­ции абсорберов применяются в промышленности? 10. При каких режимах могут работать насадочные абсорберы? 11. Какие применяются насадки в абсорберах? Каким требованиям должны удовлетворять насадки? 12. В чем заключается расчет насадочных и тарельчатых абсорберов? 13. Как определяется эффективность сту­пени изменения концентраций? Каков ее физический смысл? 14. В чем различие теоретической и действительной ступеней изменения концентраций? 15. Как оп­ределяется число действительных ступеней изменения концентраций? 16. Какие критериальные уравнения используются для расчетов коэффициентов массоотда­чи в газовой и жидкой средах?

Дата добавления: 2014-11-18