Расчет насадочных абсорбционных колонн.

Стремление получить геометрическую поверхность в единице объема аппарата обуславливает выбор мелких насадок. Это не всегда оказывается правильным, поскольку, например, при загрузке внавал активная поверхность мало зависит от размера насадки. При более крупной насадке возможно применение больших скоростей газа, что оказывается эффективнее, чем использование мелких насадок. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов [11. C.372].

При выборе необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке, что несущественно, если аппарат под повышенным давлением.

4.2. Расчет скорости газа.

Выбирать по возможности наибольшие скорости газа следует в случае абсорбции хорошо растворимых газов, когда доля сопротивления массопередаче со стороны газа достаточно велика. В этом случае возрастает коэффициент массопередачи и уменьшается объем насадки. Для плохо растворимых газов доля сопротивления газовой фазы массопереносу мала и не зависит от скорости газа. Повышение скорости газа приводт к росту гидравлических потерь, а, следовательно, к увеличению энергозатрат на транспорт газа через насадку. Скорость газа в насадочной колонне можно определить через точку инверсии фаз по уравнению

  , (4.1)

где , - плотности газа и жидкости, ;

, - массовые расходы жидкости и газа, ;

-динамический коэффициент вязкости жидкости, ;

-удельная поверхность насадки ;

-ускорение свободного падения ;

- свободный объем насадки;

=0,022 для насадки из колец или спиралей.

Из уравнения (4.1) определяют  , соответствующую точку инверсии, а затем находят рабочую скорость газа в колонне

.

Рабочая скорость газа в насадочных колоннах, работающих в оптимальном гидродинамическом режиме, может быть также рассчитана из уравнения [8, c.368]

 ,  (4.3)

где  ;

 -скорость газа в свободном сечении насадки, м/c;

 – критерий Архимеда для газа;

 – эквивалентный диаметр свободного сечения насадки.

4.3. Диаметр колонны

Диаметр колонны находится после определения скорости газа в свободном сечении колонны.

  ,  (4.4)

где -объемный расход газа через колонну, .

Если абсорбция протекает под давлением, то объемный расход газа определяется как

  ,  (4.5)

Где -массовый расход газа, кг/c;

 –плотность газа при давлении и температуре процесса, кг/м³.

4.4.Гидравлическое сопротивление насадочной колонны.

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле:

где - гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па ; U- плотность орошения  ; b- коэффициент значение которого зависит от различных насадок.

 .  

 Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению

λ-коэффициент сопротивления

 .  

Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок можно рассчитывать по формулам:

при ламинаромном движении (Re_г<40)

λ=140/Re_г;    

при турбулентном движении (Re_г>40)

λ=16/Re_г^0.2

4.5. Определение слоя насадки.

Общую высоту слоя насадки определяют через высоту и число единиц переноса

 ,      

где - высота единиц переноса, м;

 - общее число единиц переноса.

Если в пределах от  до  линия расвновесия прямая, то средняя движущая сила процесса рассчитывается по формуле

 ,      

где  - движущая сила в абсорбере;

 - движущая сила на верху абсорбера.

откуда число единиц переноса составит

 .      

Для расчета высоты единицы переноса необходимо знать расход инертного газа G, массовый расход жидкости L ,тангенс угла наклона равновесной линии m , высоту единиц переноса для газовой фазы h_y  и высоту единиц переноса для жидкой фазы h_x.

Находим h_y – высоту единиц переноса газовой фазы

=

;

;

 – коэффициент диффузии поглощаемого компонента в газе, м²/с;

 – динамический коэффициент вязкости газа, Па с;

 – коэффициент массотдачи для газа,  .

T- температура K ;

p-давление (абсолютное ) кгс/см²;

M_A и M_B мольные массы газов A и B;

 υ и υ мольные объемы газов А и В определяемые как сумма атомных объемов элементов входящих в состав газа – см;

Находим h_x – высоту единиц переноса газовой фазы

где

;

 ;

 – приведенная толщина жидкой пленки, м;

 – коэффициент диффузии поглощаемого компонента в жидкости, м²/с;

Общая высота единиц переноса:

5.Тарельчатые колонны

Диаметр тарельчатой колонны определяется по уравнению (4.4).

Скорость газа  находится в зависимости от типа тарелок и физических свойств фаз, участвующих в массообмене. При выборе типа тарелок следует учитывать ряд факторов, к которым можно отнести такие, как нагрузка по жидкости и газу, гидравлическое сопротивление, эффективность, интенсивность, брызгоунос, затраты металла, легкость изготовления и монтажа, работа в агрессивных фазах. Выбор типа тарелки следует аргументировать, ознакомившись с таблицей [11, c.512].

Для нахождения максимальной скорости газа можно воспользоваться формулой [17]

=  , (5.1)

где  – расстояние между тарелками, м (выбирается обычно в пределах 0,2-0,6 м);

 – линейная плотность орошения, м²/ч;

 – зависит от типа тарелки (см. [11, c.515]);

 – 1 при атмосферном и повышенном давлении, =0,75 при вакууме;

=0,00034 для всех видов тарелок кроме струйных.

Если  и  в формуле (5.1) подставляют соответственно 10 или 65.

Рабочая скорость в колонне на 20-25% ниже максимальной.

5.1. Гидравлическое сопротивление колонн.

Сопротивление тарелки  представляет собой сумму сопротивлений сухой тарелки , обусловленную силами поверхностного натяжения  и газожидкостного слоя на тарелке

+ +      (6.2)

= ;

 – коэффициент сопротивления тарелки потоку газа;

 ; (5.3)

 и  – периметр и площадь сечения отверстия;

 – эквивалентный диаметр отверстия;

; (5.4)

 – плотность жидкости, кг/м³;

 – плотность пены, кг/м³;

 – высота слоя жидкости (светлой) по тарелке, м;

 – высота слоя пены на тарелке, м;

Плотность пены можно определить по выражению

 , (5.5)

где ;  – плотность жидкости (газа), кг/м³.

 – объемная доля газа, находящаяся на тарелке. Полное гидравлическое сопротивление тарельчатой колонны составляет сумму сопротивлений всех тарелок. Подобное о расчете гидравлического сопротивления тарелок можно ознакомиться в литературе [11. c.448].

5.2. Определение числа тарелок в абсорбционном аппарате

Для расчета числа тарелок необходимо найти коэффициент массопредачи и число единиц переноса на тарелку. Затем определяют эффективность тарелки, после чего находится необходимое число тарелок графическим или аналитическим методом.

Число единиц переноса, приходящееся на тарелку

       (5.6)

где  – общее число единиц переноса;

 – число единиц переноса для газовой фазы;

 - число единиц переноса для жидкой фазы;

 – тангенс угла наклона равновесной линии;

 – удельный расход жидкой фазы.

Число единиц переноса для газовой фазы можно определить из уравнения [11, c.498]

 ,  (5.7)

где  – критерий Пекле , относящийся к высоте двухфазного слоя на тарелке;

 – скорость газа в свободном сечении колонны, м/с.

Число единиц переноса по жидкой фазе рассчитывается из уравнения [11, c.503].

, (5.8)

где  – критерий Пекле, отнесенный к высоте пены , м;

 – плотность орошения, м/ч.

Плотность орошения находится из выражения

, (5.9)

где ,  – массовые расходы жидкости и газа в колонне, кг/ч.

Определив число единиц переноса по формуле (5.6) находят общее число единиц переноса , рассчитывают эффективность тарелки (КПД)

.  (5.10)

Далее, на графике в координатах Y-X строят теоретические ступени контакта и определяют их число N_т.

Количество действительных тарелок в абсорбере получают делением числа теоретических ступеней контакта на значение эффективности (КПД) тарелки.

В качестве определяющего размера в уравнениях (5.7), (5.8) приводится высота барботажного слоя на тарелке . Подробные данные, касающиеся этого вопроса, можно найти в литературе [11, c.467].

6. Расчет вспомогательного оборудования

К вспомогательному оборудованию абсорбционной установки относятся насосы для подачи абсорбента и компримирующие газ устройства (вентиляторы, компрессоры, газодувки). При определении типа и марки насоса для подачи жидкости на орошение колонны необходимо знать следующее: расход абсорбента и преодолеваемый напор. Расход абсорбента находится из материального баланса процесса. Напор развиваемый насосом складывается из напора, требуемого для преодоления давления в колонне (если процесс протекает под избыточным давлением), геометрической высоты нагнетания (высоты колонного аппарата) и гидравлического сопротивления трубопроводов и регулирующей арматуры (регулировочные вентили). Материал насоса должен удовлетворять условиям коррозионной стойкости. Подробно методика расчета насоса изложена в [13].

Компримирующее оборудование подбирается также по значениям расхода и развиваемого перепада давления. Расход газа находится из материального баланса (как правило расход газа задан ив исходных данных). Перепад давления, который должно развивать компримирующее устройство, складывается из давления в аппарате (если оно избыточное) и из гидравлического сопротивления колонны в рабочем режиме. Если аппарат работает под атмосферным давлением, то необходимо найти лишь его гидравлическое сопротивление, которое для насадочных колонн представляет собой сопротивление слоя насадки движению газа, а для тарельчатых – сумму гидравлических сопротивлений тарелок. Затем по справочной литературе [14,15] выбирают тип и марку агрегата.

Расчет штуцеров и соединительных трубопроводов, а также механический расчет колонн достаточно подробно изложен в [16].

Обозначения

p–давление, Па, МПа;

R –газовая постоянная, Дж/( ), Дж/( );

T –температура, К;

М –мольная масса компонента, кг/кмоль;

m –константа фазового равновесия;

G –расход инертного газа-носителя, кг/с, кмоль/с;

L –расход поглотителя, кг/с, кмоль/с;

G_1,2 –расходы газовой фазы на входе и выходе аппарата, кг/с, кмоль/с;

 L_1,2 –расходы жидкой фазы на входе и выходе аппарата, кг/с, кмоль/с;

 l –удельный расход абсорбента;

 –коэффициент избытка флегмы;

 –степень извлечения компонента;

c –изобарная теплоемкость газа, Дж/( );

С_ж –теплоемкость жидкости, Дж/( );

m -динамический коэффициент вязкости , ;

,  –плотность газа, жидкости, кг/м³;

 –удельная поверхность насадки, м^-1;

 –свободный объем насадки, м³/м³;

d_э – эквивалентный диаметр, м;

D_к –диаметр колонны, м;

H –высота насадки, м;

 –гидравлическое сопротивление сухой насадки;

 –коэффициент сопротивления;

W_р –рабочая скорость газа в сечении колонны, м/с;

 –гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па;

h_oy –высота единиц переноса, выражаемое через концентрацию компонента в газовой фазе, м;

n_oy –общее число единиц переноса, выраженное через концентрацию компонента в газовой фазе;

 –коэффициент массоотдачи в газовой и жидкой фазах, м/c;

S –сечение колонны, м²;

 –приведенная толщина жидкой пленки, м;

D_г,ж –коэффициент молекулярной диффузии компонента в газовой и жидкой фазах, м²/с;

 –поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

 –гидравлическое сопротивление массообменной тарелки, Па;

h_о –высота слоя жидкости на тарелке, м;

h_п –высота слоя пены на тарелке, м;

 –объемная доля газа на тарелке;

 –плотность орошения, м/ч.

Критерии

 –Нуссельта диффузионный,

 –Прантля диффузионный,

Re –Рейнольдса,

 –Фруда.

Индексы

н –начальное значение;

к –конечное значение;

 -равновесная концентрация.

Литература

1. Братшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей: Инженерные методы расчета. Пер. с польс. –М.: Химия,1966.

2. Рид.Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Пер.с англ. - Л.: Химия,1971.

3. Справочник химика.- Л. :Химия, 1962, Т.1,2.

4. Перри Дж.Г. Справочник инженера –химика: Пер.с англ. –Л.: Химия, 1969, т. 1,2.

5. Столяров С.А., Орлова Н.Г. Расчет физико –химических жидкостей: Справочник. –Л.: Химия, 1974.

6. Мищенко К.П., Ревдель А. А. Краткий справочник физико –химических величин. –Л.: Химия, 1974.

7. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -2-е изд. –М.: Наука, 1972.

8. Павлов К.Ф. , Романков П.Г. , Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -8-е изд. –Л.: Химия,1976.

9. Романков П.Г. , Носков А.А. Сборник расчетных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -2-е изд. –Л.: Химия, 1977.

10. Основные аппараты и уставновки химической технологии: Учебное пособие по графической части для курсового проектирования по процессам и аппаратам химической технологии / И.И. Моисеенко, Б.Н. Басаргин и др. – Ярославль: ЯПИ, 1979.

11. Рамм В.М. Абсорбция газов. -2-е изд. –М.: Химия, 1976.

12. Рамм В.М. Абсорбция газов. –М.: Химия, 1966.

13. Туркин В.В. Методические указания по курсу «Гидравлика и гидравлические машины». –Ярославль, ЯПИ, 1979.

14. Сидоров М.Д. Справочник по воздуходувным и газодувным машинам. –М.: Машгиз, 1962.

15. Черкасский В.М., Романова Т.М., Кауль Р.А. Насосы, компрессоры, вентиляторы. –М.: Энергия, 1968.

16. Власов В.В. Расчет ректификационных установок: Методические указания по курсовому проектированию. –Ярославль, ЯПИ,1982.

17. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. –М.: Химия, 1978.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ДАННЫЕ ПО РАВНОВЕСИЮ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ

1.1 Равновесные данные для системы SO₂ - воздух - вода.

t =15 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воде	0,001	0,002	0,003	0,005	0,008	0,01
Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воздухе Ӯ*	0,0066	0,0178	0,027	0,059	0,116	0,166

t =20 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воде	0,001	0,002	0,003	0,005	0,008	0,01
Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воздухе Ӯ*	0,0088	0,0223	0,038	0,075	0,138	0,192

 t =25 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воде	0,001	0,002	0,003	0,005	0,008	0,01
Относительная массовая доля (концентрация) SO2 в воздухе Ӯ*	0,011	0,029	0,045	0,092	0,141	0,219

1.2.Равновесные данные для системы NH₃ - воздух – вода

 t =15 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воде	0,009454	0,01891	0,0284	0,0473	0,0756	0,09454	0,1891
Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воздухе Ӯ*	0,00354	0,00953	0,01441	0,0257	0,0441	0,0524	0,1466

t =20 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воде	0,009454	0,01891	0,0284	0,0473	0,0756	0,09454	0,1891
Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воздухе Ӯ*	0,00473	0,01196	0,01689	0,03115	0,0580	0,0651	0,206

 t =25 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воде	0,009454	0,01891	0,0284	0,0473	0,0756	0,09454	0,1891
Относительная массовая доля (концентрация) NH3 в воздухе Ӯ*	0,00652	0,01565	0,0200	0,0441	0,0725	0,0954	0,302

1.3. Равновесные данные для системы HCl - воздух - вода.

t =20 ^оC

Относительная массовая доля (концентрация) HCl в воде	0,4286	0,4706	0,515	0,5625	0,613
Относительная массовая доля (концентрация) HCl в воздухе Ӯ*	0,0192	0,0403	0,0861	0,2221	0,4895

1.4. Равновесные данные для системы пары ацетона - воздух - вода.

t = 20 ^оC

                           Y^* = 1,68 X

t = 25 ^оC

                           Y^* = 1,80 X

1.5.Равновесные данные для системы пары метанола- воздух - вода.

t = 20 ^оC

                           Y^* = 1,05 X

t = 27 ^оC

                           Y^* = 1,15 X

ПРИЛОЖЕНИЕ 2