close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2021.Процессы и аппараты химических производств

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО
УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СЕРВИСА
Кафедра технологии полимерных материалов
и отделочного производства
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХПРОИЗВОДСТВ
РАСЧЕТ АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Методические рекомендации
по выполнению курсовых работ
Уфа-2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составитель: Сергей Петрович Ломакин
УДК 677.4 (075.8)
Л 74
Расчет абсорбционной установки: методические указания к курсовому
проектированию по курсу «Процессы и аппараты химических производств» /
Сост.: С.П. Ломакин. – Уфа: Уфимск. гос. академия экономики и сервиса,
2007. – 48 с.
В методических указаниях обобщены материалы по расчету
абсорбционных установок по очистке газов от вредных примесей,
улавливанию ценных компонентов из газовых выбросов. В работе приведены
расчеты насадочных и тарельчатых абсорберов, расчеты гидравлических
сопротивлений этих колонн. Материалы будут полезны для выполнения
курсового проекта по курсу " Процессы и аппараты химических производств "
студентами специальностей 240202.65 Химическая технология и оборудование
отделочного производства, 280201.65 Охрана окружающей среды и
рационального использования природных ресурсов дневного и заочного форм
обучения.
Рецензент: канд. хим. наук, доцент кафедры общей химии Уфимской
государственной академии экономики и сервиса Журкина И.П.
© Ломакин С.П., 2007
© Уфимская государственная академия
экономики и сервиса, 2007
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Содержание и объем курсового проекта.
1.1. Содержание и оформление пояснительной записки.
1.2. Графическая часть курсового проекта.
1.3. Схема абсорбционной установки.
2. Методика расчета установки.
2.1. Материальный баланс.
2.2. Тепловой баланс.
2.3. Построение рабочих линий кривой равновесия и определение числа
теоретических тарелок.
2.4. Расчет скоростей и диаметра абсорбера.
2.5. Расчет диаметра колонны.
2.6. Определение плотности орошения.
2.7. Определение движущей силы процесса абсорбции.
2.8. Расчет поверхности массопередачи и высоты насадочного абсорбера.
2.8.1. Расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе.
2.8.2. Расчет коэффициента массоотдачи в газовой фазе.
2.8.3. Расчет коэффициентов диффузии.
2.9. Расчет тарельчатого абсорбера.
2.9.1. Расчет высоты светлого слоя.
2.10. Гидравлическое сопротивление насадочных колонн.
2.11. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн.
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
Список использованной литературы.
3
4
5
5
5
7
8
8
11
12
13
14
15
18
20
22
22
24
28
29
36
38
43
44
46
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения газов или
паров жидкости – абсорбентом. При этом происходит переход вещества из
газовой или паровой фазы в жидкую за счет диффузии через поверхность
контакта фаз.
Целью расчета абсорберов является определение расхода поглотителя,
температуры процесса и количества отводимой теплоты, выбор скорости газа,
насадки (для насадочных колонн) типа тарелок (для тарельчатых колонн),
размеров и гидравлического сопротивления аппаратов.
Алгоритм расчета абсорбционных аппаратов следующий:
1. Решение уравнений материального баланса и определение нагрузки
абсорбера по абсорбенту.
2. Выбор
конструктивных
размеров
контактного
устройства.
Определение рабочей скорости газа и расчет диаметра абсорбера.
3. Расчет коэффициентов массоотдачи и массопередачи.
4. Определение поверхности массопередачи, числа тарелок, высоты
насадки.
5. Определение высоты абсорбера, расчет его гидравлического
сопротивления.
При проектировании абсорбционных установок, из которых газ
отводится в атмосферу, необходимо учитывать вопросы охраны окружающей
среды. Концентрация поглощаемого компонента в газовой фазе на выходе из
абсорбера не должна превышать предельно допустимую, если это не
достигается в данном аппарате, то необходимо устанавливать дополнительные
абсорберы.
Исходные данные для расчета
Расчет основных показателей работы и размеров абсорбционной
колонны производится по следующим данным:
1. Количество газовой смеси, поступающей на установку F, кг/ч.
2. Температура газовой смеси t, °C.
3. Концентрация улавливаемого компонента в газовой фазе (массовая,
мольная, объемная) Ун, %.
4. Степень извлечения , %.
5. Начальная массовая концентрация поглощаемого компонента в
абсорбенте х, %.
6. Степень насыщения абсорбента газом , %.
7. Начальная температура абсорбента, поступающего в абсорбер t, °С.
8. Начальная температура охлаждающей воды t, °С.
9. Давление в абсорбере Р, МПа.
10. В установке предусмотреть (рассчитать и подобрать по заданию
преподавателя): насос для подачи поглотителя в абсорбер, холодильник для
охлаждения газа, газодувку для подачи газовой смеси в абсорбер, диаметр
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
штуцеров колонны.
1. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Курсовой проект по процессам и аппаратам химической технологии
состоит из пояснительной записки и графической части.
1.1. Содержание и оформление пояснительной записки
Текстовые документы должны выполняться в соответствии с ЕСКД
ГОСТ 2104 – 68, ГОСТ 2106 – 68 и 2108 – 68.
Расчетно-пояснительную записку оформляют на листах формата А4
(210 х 297 мм); запись ведут на одной стороне листа, на котором оставляют
поля 20 мм от края. Первая страница записки является титульным листом; на
втором листе оформляется задание; на третьем листе – оглавление. Затем
оформляется введение и литературный обзор по теме. После этого приводится
технологическая схема установки с ее описанием.
При оформлении расчетной части необходимо выписать расчетное
уравнение, все обозначения величин, входящих в уравнение; подставить
числовые данные и дать расчет; проставить размерность величин
окончательного результата.
Пояснительная записка завершается краткими выводами, которые
включают техническую характеристику проектируемого аппарата, оценку его
эффективности и преимуществ. В конце записки приводится список
использованной литературы. Обязательной частью курсового проекта является
графический материал (чертежи аппарата, схемы, таблицы, диаграммы и т.д.).
Объем расчетно-пояснительной записки составляет 30-40 страниц
рукописного текста.
1.2. Графическая часть курсового проекта
Графическая часть курсового проекта состоит из технологической схемы
с элементами КИП (выполняется на миллиметровой бумаге формата A3) и
чертежа общего вида колонны, выполняемого на листе ватмана формата А1.
Для принципиальных схем оборудование установки должно быть
показано условными изображениями, предусмотренными стандартом, а при их
отсутствии его изображают схематически, в зависимости от удобства
вычерчивания, в виде конструкторского очертания для данного изделия.
Графическое изображение изделий допускается выполнять без соблюдения
масштаба, но одновременно и без резкого нарушения соотношения габаритных
размеров изделий.
Условные изображения и обозначения трубопроводов, принятые на
схеме, должны быть расшифрованы в таблице условных обозначений.
Пересекать изображения аппаратов и других изделий линиями трубопроводов
не допускается.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При выполнении курсового проекта основным чертежом является общий
вид колонны.
Чертеж содержит:
а) изображение изделия (аппарата) с его видами, разрезами и сечениями.
Допускается помещать схемы соединений или расположение составных частей
(узлов) специфицируемого изделия;
б) размеры: габаритные, установочные, присоединительные, расчетные
(конструктивные), основные параметры. В некоторых случаях эти размеры
приводятся с предельными отклонениями;
в) указания о характере сопряжений и методов их осуществления;
г) указания о способах соединения неразъемных соединений (сварных,
паяных и т.д.) по ГОСТ 2313 – 73;
д) указания о твердости, шероховатости поверхности, покрытия
другими материалами (включаются в случае необходимости);
е) текстовую часть (технические требования, основные характеристики
и др.), а также надписи с обозначением изображений по ГОСТ 2316 – 68;
ж) таблицы с размерами, условными обозначениями и т.д.;
е) линии-выноски с порядковыми номерами (номерами позиций,
составных деталей аппарата или машины (согласно угловой спецификации) по
ГОСТ 2109 – 73;
и) вид или схему с дополнительным расположением штуцеров, люков,
цапф и др.;
к) таблицу назначения штуцеров, патрубков и т.д.
Таблицы, техническую характеристику, технические требования следует
располагать над основной надписью чертежа. В порядке исключения
допускается размещение таблицы штуцеров слева от основной надписи.
В технической характеристике должны содержаться основные сведения
об аппарате, а именно:
а) назначение и производительность;
б) основные конструктивные размеры;
в) технологические параметры процесса (температура, давление, среда,
концентрация);
г) материал, из которого изготовлен аппарат.
В технических требованиях на чертеже указывают:
а) обозначение ГОСТ или ТУ, согласно которым должно быть
изготовлено и испытано данное изделие;
б) обозначение ГОСТ или ТУ, на основной материал, применяемый в
изделии;
в) сведения о необходимости тепловой изоляции;
г) сведения о необходимости антикоррозионного покрытия.
После выполнения графической и расчетной части курсовой проект
проверяется и подписывается консультантом и допускается к защите на
кафедре.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. Схема абсорбционной установки
Схема абсорбционной установки представлена на рис. 1.
Описание абсорбционной установки
Газ, охлажденный в теплообменнике 9, подается газодувкой S в нижнюю
часть абсорбера 6, где равномерно распределяется по сечению колонны и
поступает на контактные элементы (насадку). Абсорбент подается в верхнюю
часть колонны центробежным насосом 4 из сборника 3. В колонне
осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный
газ выходит из колонны в атмосферу. Абсорбент стекает через гидрозатвор в
сборник 7, откуда насосом 5 направляется на дальнейшую переработку. Для
охлаждения газа в холодильник из градирни 2 подается насосом 1 вода,
которая после холодильника возвращается на охлаждение в градирню.
Схема автоматизирована. Цель системы автоматического регулирования
определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер,
или получение готового продукта. В данной работе рассматривается первая
задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрами
являются:
- концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из
абсорбера;
- температура, газовой смеси, поступающей на абсорбцию;
- уровень жидкости в абсорбере.
В большинстве случаев расход газовой смеси определяется
технологическим режимом, то есть абсорбционная установка должна
переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при
увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастает
концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из
абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличится подача
абсорбента в абсорбер, что обеспечит стабилизацию концентрации компонента
газовой смеси на выходе из абсорбера.
Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкая температура
газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменений расхода
охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа 9.
Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора
жидкости из нее. Системой автоматизации предусмотрена стабилизация
уровня жидкости в сборниках. В процессе абсорбции при помощи КИП
контролируются расходы, температуры, давления технологических потоков.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Схема абсорбционной установки
2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТАНОВКИ
2.1. Материальный баланс
Концентрация поглощаемого при абсорбции компонента может быть
выражена в различных единицах (мольные или массовые доли и др.).
Основные формулы для пересчета концентрации приведены в [1].
Например, если объемная концентрация поглощаемого компонента в
газовой фазе Ун выражена в %, пересчет данной концентрации на
концентрацию, применяемую в расчетах (кг/кг инертного газа) выполняется по
формулам:
y
y
, моль
(1)
100  y 
или
_
y
M
y

M ИГ 100  y  ,
(2)
где Мк и Миг – молекулярные массы извлекаемого компонента и
инертного газа.
При заданной начальной концентрации поглощаемого компонента в
газовой фазе Ун и степени извлечения ε конечная концентрация поглощаемого
компонента в газовой фазе Ук определяется как:
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y K  y K  1   
(3)
Конечную концентрацию поглощаемого компонента Хк в жидкости,
выходящей из колонны при известной степени насыщения n раствора находят
по формуле:
X     X ,
(4)
где X′ – равновесная концентрация поглощаемого компонента, которая
определяется расчетным путем или находится по справочным данным [1].
Концентрация компонента в газовой фазе может быть выражена через
его парциальное давление. На основании уравнения Клайперона – Дальтона
мольная (объемная) доля У любого компонента смеси для идеальных газов
равна:
P
y a ,
(5)
P
где Ра – парциальное давление компонента А в газовой смеси, Па;
Р – общее давление смеси газов или паров:
(P  Pa  PB    Pn ) , Па.
Закон Генри устанавливает зависимость парциального давления Ра'
компонента в газовой фазе над равновесной с газом жидкостью от его мольной
доли в растворе этой жидкости:
Pa  E  X ,
(6)
где X – мольная доля поглощаемого газа в жидкости;
Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).
Значение коэффициента Генри Е для водных растворов выбирают в
зависимости от температуры и физических свойств газа [1,2].
Если в уравнение Генри подставить значение Pa  ya  P , то получим:
ya  P  E  X ,
отсюда
y a  H 0  X ,
(7)
E
– безразмерный коэффициент распределения, постоянный
P
для данной системы газ – жидкость при t = const и Р = const;
Уа' – мольная доля компонента А в газовой фазе, равновесной с
жидкостью.
Для определения равновесных составов используют закон Рауля [1]. В
системе координат У – X уравнение (7) выражается кривой, называемой
где H 0 
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
линией равновесия. При низких концентрациях у = Но ∙ х и линия равновесия
превращается в сплошную линию.
Выражая Уа' в относительных мольных концентрациях получим:
y a 
H0  X
, кмоль поглощаемого компонента / кмоль инертного газа (8)
1  X  (1  H 0 )
или в относительных массовых концентрациях:
y a 
H0  X
M
  , кг поглощенного компонента / кг инертного газа
1  X  (1  H 0 ) M ИГ
(9)
Равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе У а'
определяется как:
y a 
Pa
M

, кг поглощенного компонента/ кг инертного газа
M ИГ P  Pa
(10)
Равновесная концентрация X' может быть рассчитана по формуле (8).
Предполагая, что концентрация жидкости на выходе из абсорбера
достигнет концентрации поглощаемого газа Хк' при взаимодействии с газовой
фазой, содержащей Ун:
X  
y
, кмоль / кмоль поглотителя
H 0  y   (1  H 0 )
(11)
После определения состава фаз рассчитываем количество вещества,
передаваемого из газовой в жидкую фазу. Количество компонента,
передаваемого при абсорбции из данной фазы в другую, равно убыли
компонента в газовой и приросту его в жидкой фазе и определяется из
уравнения материального баланса:
M  G  ( y   y  )  L  (X   X  ) ,
(12)
где Ун и Ук – начальная и конечная концентрация поглощаемого газа в
смеси газов;
Хн и Хк – начальная и конечная концентрация поглощаемого газа в
жидкости;
G и L – расход инертного газа и поглотителя, кг/ч.
Знак "+" относится к противотоку, а знак "–" – к прямотоку. Из этого
уравнения определяем расход поглотительной жидкости L и ее удельный
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расход J:
L  G
J
y  y
X  X
L y  y

.
G X  X
(13)
(14)
2.2. Тепловой баланс
Поглощение компонентов газа при абсорбции сопровождается
выделением тепла, количество которого прямопропорционально массе М и
теплоте растворения Q поглощенных компонентов. Поскольку теплоемкость
газа мала по сравнению с теплоемкостью абсорбента, можно пренебречь
изменением температуры газа. Отсутствие отвода теплоты приведет к
возрастанию равновесного парциального давления компонента, изменению
положения линии равновесия, уменьшению движущей силы процесса,
ухудшению условий абсорбции.
Количество теплоты Q (Вт) выделяющейся при абсорбции равно:
Q  M      L  ( X 2  X1 ) ,
(15)
где Ф – интегральная теплота растворения, Дж/кг.
Если абсорбция идет без отвода теплоты, можно считать, что вся
выделяемая теплота идет на нагревание жидкости:
Q  L  c  (t 2  t 1 ) ,
него.
(16)
где с – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг ∙ К);
t1 и t2 – температура жидкости на входе в абсорбер и на выходе из
Приравняем правые части уравнений (15) и (16) получим уравнение
теплового баланса абсорбера, работающего без отвода теплоты:
  ( X 2  X1 )  L  c  ( t 2  t 1 ) .
(17)
Из этого уравнения находим температуру жидкости на выходе из
абсорбера:
t 2  t1 

 ( X 2  X1 ) .
c
(18)
Дифференциальные теплоты растворения некоторых газов в воде при
20 °С приведены в Приложении 1 [2].
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3. Построение рабочих линий кривой равновесия
и определение числа теоретических тарелок
Процесс абсорбции может происходить в том случае, если рабочая
концентрация компонента в газе выше равновесной. Следовательно, рабочая
линия должна располагаться выше равновесной.
По начальным и конечным концентрациям поглощаемого газа и
поглотителя строим рабочую линию, т.е. прямую АВ, которая проходит через
точки А (Ун; Хк) и В (Ук; Хн) (см. рис. 2). Построение линии равновесия
осуществляется следующим образом.
Задавая ряд значений X, находим по формуле (18) соответствующие им
температуры t. По найденным температурам определяем по справочным
данным [1,2] или по эмпирическим формулам [2] значения коэффициентов
Генри. Дальнейшие расчеты осуществляем по следующему алгоритму:
1. Выполняем пересчет концентраций в мольные доли по формулам (6)
и (10). Определяются значения равновесного парциального давления Р′ и
равновесное содержание У′ поглощаемого компонента в газовой фазе. По
заданным значениям X и рассчитанным У′ строим кривую равновесия (см. рис.
2).
Рис. 2. Построение кривой равновесия и рабочей процесса абсорбции
при противоточном движении фаз
Рис.3. Построение числа теоретических тарелок, для процесса абсорбции
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Определяем величину коэффициента распределения Но = Е/Р и далее
по формуле (9) – значение Уа′. По заданным значениям X и рассчитанным Уа′
строим кривую равновесия. В приведенных методах построения кривой
равновесия концентрации компонента в газовой и жидкой фазе выражаются в
относительных массовых концентрациях. Построение можно выполнить,
выражая концентрацию в относительных мольных единицах.
Парциальное давление поглощаемого компонента при различных
концентрациях можно найти по справочным данным [1].
Определение числа теоретических тарелок графическим методом, путем
построения ступенчатой линии между точкой А и В, показано на рис. 3.
Ступень В – 1 – С представляет теоретическую тарелку. Построение
продолжаем, пока не достигнем заданных значений Ук и Хн. Число точек
пересечения с линией равновесия дает число теоретических тарелок (на рис. 3
произведенные построения показали, что для очистки газа необходимо 2
тарелки).
2.4. Расчет скоростей и диаметра абсорбера
Насадочная колонна. При противотоке газа и жидкости в зависимости
от скоростей потоков наблюдается 4 гидродинамических режима:
а) пленочный режим;
б) режим подвисания;
в) режим захлебывания или барботажный;
г) режим уноса.
Насадочные колонны преимущественно проектируют для следующих
условий работы.
Рабочая скорость газа (WГ) несколько меньше скорости, при которой
наступает инверсия фаз:
W  (0,75  0,9)  WИНВ
(19)
Скорость Wинв в обычных насадочных колоннах, работающих в условиях
затопления насадки и появления эмульгационного слоя (т.е. в режиме
инверсии фаз) определяется по уравнению:
0,125
0, 25
 W  f      0,16 
  
L
ИНВ

Ж
lg 
     A  B       ,
G
 g  VC   Ж   B  
 Ж 
(20)
где Wинв – предельная фиктивная скорость газа, м/с;
μж/μв – вязкость соответственно поглотителя при температуре в
абсорбере и воды при 20 °С;
ρг/ ρж – плотность жидкости и газа, кг/м3;
А и В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
L и G – расходы фаз, кг/с;
f – удельная поверхность, м2/м3;
Vc – свободный объем пор, м3/м3.
Характеристика насадки и числовые значения коэффициентов А и В
приведены в Приложении 2 [3]. Скорость газа, соответствующая
оптимальному режиму работы обычных насадочных колонн, может
определяться по уравнениям:
Re  
4  WOT   
  f
(21)
Re      f
,
4  
(22)
отсюда
WO  
где Reг – критерий Рейнольдса, значение которого соответствует началу
режима подвисания;
f – удельная поверхность, м2/м3.
Re   0,045  Ar
0,57
G
 
L
0, 43
,
(23)
Ar  d Э     ( Ж    ) /  C2 ,
(24)
где G – расход газа, кг/с;
L – расход жидкости, кг/с.
Критерий Архимеда:
4  VC
– эквивалентный диаметр насадки, м.
f
Вычисленная по этому методу Wonт составляет примерно 80 % от
скорости захлебывания.
где d Э 
2.5. Расчет диаметра колонны
Диаметр колонны DK определяется в зависимости от скорости и
количества поднимающихся от колонны газов (паров):
4  V
  W
Принимаем стандартный диаметр колонны [3].
DK 
14
(25)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности
приняты нормальные ряды диаметров колонн (м) DKСТ: 0,4; 0,5; от 0,6 до 4,0 м
через 0,2 м; от 4,0 до 7,0 м через 0,5 м; 8,0; 9,0 м.
После этого уточняется скорость газа в колонне:
W 
4  V
  D 2 KCT
(26)
2.6. Определение плотности орошения
Для обычных насадочных колонн после определения диаметра
абсорбера необходимо рассчитать действительную плотность орошения U,
которая должна быть не менее Uопт:
U
L
,
0,785  D 2KCT   Ж
(27)
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 отношение U/Uопт < 1, то поверхность насадки смочена
неполностью. Для увеличения U и снижения Uопт выбираем насадку другого
типа (с меньшим свободным объемом пор и меньшей удельной поверхностью).
Максимальное смачивание насадки (φ = 1) достигается при U/Uопт >1. Кроме
того, для равномерного смачивания насадки необходимо обеспечить
следующие соотношений DK и диаметра насадки dH:
DK
8
d
(28)
Тарельчатая колонна. При противотоке газа и жидкости в зависимости
от скорости потоков на тарелке устанавливаются следующие режимы работы:
а) неравномерной работы (скорость газа W меньше 0,5 м/с);
б) равномерной работы (скорость газа увеличивается до 1 м/с);
в) режим газовых струй и брызг (скорость газа более 1 м/с).
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 вариант.
Допустимую оптимальную скорость газа (пара) в колонне можно
определить по формуле:
WO  C 
Ж  
,

(29)
где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния
между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости. Определяется по
графику. [1, рис. 7.2].
Для выбора расстояния между тарелками h в зависимости от диаметра
колонны можно использовать следующие данные [4]:
Dk, м:
0 – 0,6
0,6 – 0,12
1,2 – 1,8
1,8 и более
Hт, м:
0,15
0,30
0,40
0,6 и более
2 вариант.
Для колонн с ситчатыми тарелками:
W  0,05 
Ж

(30)
Для колонн с колпачковыми тарелками:
WP 
3,4   Ж  H T  H K  
 ,
 

d 0K,67 

(31)
где dк – диаметр колпачка, см;
Нт – расстояние между тарелками, см;
Hк – высота колпачка, см [3].
WP 
0,0155 h K   Ж

,

d 0K,67
где dк – диаметр колпачка, м;
hк – высота колпачка, м [3].
Диаметр колпачка dк принимают равным (5):
- 80 мм для колонн диаметром от 800 до 1200 мм;
- 100 мм для колонн диаметром от 1200 до 3000 мм;
16
(32)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 150 мм для колонн диаметром от 3000 до 6000 мм.
Для клапанных тарелок [3]:
1,85
W
 
 FC 
 2
Gg
,
S0     
(33)
где G – масса клапана, кг;
So – площадь отверстия под клапаном, м2;
ε – коэффициент сопротивления (принят равным 3) [5];
Fc – доля свободного сечения тарелки, м2/м2.
Диаметр отверстия под клапаном равен 40 мм, масса клапана 0,04 кг по
ГОСТ 16452 – 79 [3].
Для колонн с решетчатой (провальной) тарелкой [3] скорость газа может
быть определена по следующим уравнениям:
y  B  e 4 x ,
(34)
где е = 2,72.
Значения У и X находятся по следующим зависимостям:
W2  y  X 
y
 
g  d Э  FC2   B 
 y 
X  J 0, 25   
 X 
0 ,16
(35)
0 ,125
,
(36)
где W – скорость газа в колонне, м/с;
dэ = 2b – эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке в м;
b – ширина щели, м;
Fc – доля свободного сечения в тарелке, M2/М2;
μХ, μУ – вязкость соответственно поглотителя и воды при 20 °С,
Па ∙ с;
В – коэффициент (для колонны с решетчатыми, трубчатыми и
дырчатыми провальными тарелками В = 3 – 16);
ρх, ρу – плотность соответственно поглотителя и газовой смеси,
3
кг/м .
Для выбранной тарелки необходимо проверить надежность сливного
устройства. Во избежание захлебывания сливного устройства скорость
жидкости в нем должна отвечать условию:
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
WЖСЛ 
VЖ
n
 K5  HT 2 ,
FCЛ
(37)
где Fс – площадь сливного устройства выбранной тарелки, м2;
Нт – расстояние между тарелками, м.
Значения коэффициентов K5 и показателей степени n2 в зависимости от
фактора вспениваемости жидкости ψ [4] приведены в табл. 1.
По найденным значениям X по формуле (36) и У по формуле (34)
определяем значение Wг. Диаметр абсорбера определяем по формуле (25),
после чего принимаем стандартный диаметр абсорбера и определяем
действительную скорость газа в колонне:
 D 
Wдейст  W   K 
 D KCT 
2
(38)
Таблица 1
Вспениваемость жидкости
Вспениваемость жидкости
ψ
К5
n2
Малая (ректификация
нефтяных фракций,
углеводородных фракций)
1 – 0,9
0,250
0,65
0,9 – 0,7 0,225
0,80
0,7 – 0,6 0,118
1,3
Средняя (атмосферная
перегонка нефти,
абсорбция и десорбция
углеводородов)
Большая (вакуумная
перегонка мазута,
абсорбция аминами и
гликолями, растворами
глицерина, МЭК)
2.7. Определение движущей силы процесса абсорбции
Движущая
сила
абсорбции
изменяется
вдоль
поверхности
соприкосновения фаз.
При расчете абсорбционных колонн определяется среднее значение
силы ∆cр по разности концентраций либо по разности парциальных давлений
поглощаемого компонента на входе и выходе из абсорбера. Для аппаратов
полного вытеснения, т.е. при противотоке, ∆cр определяется в такой
последовательности:
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Составляется противоточная схема движения двух фаз с указанием
концентраций или парциальных давлений.
Рис. 4. Схема распределения концентраций в газовом и
жидкостном потоке в абсорбере
2. Определяется разность парциальных давлений (на рисунке не
показано) или концентраций на входе в абсорбер:
PBX  P  PK
и
y BX  y   yK
3. Определяется разность парциальных давлений или концентраций на
выходе из абсорбера:
PB  PK  P
и
y B  y K  y
4. При отношении ∆Рвх/∆Рв > 2 среднее значение величины движущей
силы процесса определяется как среднее логарифмическое:
PCP 
PBX  PB
 P  ;
2,3  lg  BX 
 PB 
y CP 
y BX  y B
 y 
2,3  lg  BX 
 y B 
(39)
При отношении ∆Рвх/∆Рв < 2 среднее значение движущей силы процесса
определяется как среднее арифметическое:
PCP 
PBX  PB
;
2
y CP 
y BX  y B
,
2
(40)
где Рн, Ун, Рк, Ук – парциальные давления и концентрации поглощаемого
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
компонента в газе соответственно на входе и выходе из абсорбера;
Ук', Рк′, Ра', Ун' – парциальные давления и концентрации поглощаемого
компонента в газе равновесным с жидкостью соответственно на выходе и
входе в абсорбер.
2.8. Расчет поверхности массопередачи и высоты насадочного абсорбера
Высота колонны определяется по формуле:
Н = Нн + h1 + h2 + h3
где Нн – высота насадочной части колонны, м;
h1, h2, h3 – высота соответственно сепарационной части колонны (над
насадкой), нижней части колонны и между слоями насадок (если насадка
уложена в несколько слоев), м.
Отношение высоты насадки к диаметру колонны должно удовлетворять
условию H/DK = 1,5 – 10 [4].
Расстояние между днищем абсорбера и насадкой h2 определяется
необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению
колонны. Обычно это расстояние принимают равным от 1 до 1,5 DK [4].
Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера до крышки h1 зависит
от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от
высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливаются
каплеотстойники для предотвращения брызгоуноса из колонны (от 1,4 до 2 ,5
м) [3,4]. Высота h3 принимается конструктивно.
Высоту насадки Нн можно определить следующими методами:
А. Согласно основному уравнению массопередачи:
M  K  F   CP
(42)
отсюда
F
M
K   CP
(43)
Учитывая, что площадь поверхности контакта фаз находится в аппарате:
F  H  S  f  
величина, Нн определяется по формуле:
20
(44)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
H 
F
S f  
(45)
Высота насадки находится также по формуле (46), если линия
равновесия представляет собой прямую линию:
H 
M
,
f  K  S   CP  
где F – поверхность контакта фаз, м2;
f – удельная поверхность насадки, м2/м2;
М – количество абсорбированного вещества, кг/с;
К – коэффициент массопередачи, кг/(м2 ∙ с);
∆cp – средняя движущая сила, определенная
концентраций (Уср), кг/кг воздуха:
(46)
по
разности
f = dэ / (4 ∙ VC )
dэ – эквивалентный диаметр насадки, м;
Vc – свободный объем пор, м3/м3;
S – площадь сечения аппарата, м2;
φ – коэффициент смачиваемости.
Более точно высоту насадочной части абсорбера можно определить по
следующей формуле [3]:
H

H *H  H H  h ЯР   H  1 ,
 n e 
м).
(47)
где Нн – высота насадки, найденная по формуле (45), м;
n – число решеток в ярусе от 20 до 25 в колонне;
е – коэффициент, равный 0,1;
hяр – расстояние между ярусами насадки (составляет обычно 0,3 – 0,5
Коэффициент массопередачи Кх, отнесенный к концентрации жидкости,
равен:
1
KX 
(48)
1
1

m  y X
Коэффициент массопередачи Ку, отнесенный к концентрации газа:
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ky 
1
1 m ,

y X
(49)
где βx, βy – коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и
газовой фазах, кг/(м2 ∙ с);
m – коэффициент распределения, числовое значение которого
определяется тангенсом угла наклона касательной к равновесной линии.
2.8.1. Расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе βx находим из обобщенного
уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для
неупорядоченных насадок [3]:
Nu X  0,0021  ReX0, 75  PrX 0,5 ,
где Nu X 
(50)
X  
– диффузиионный критерий Нуссельта для жидкой
DX
фазы.
Отсюда βx (м/с) равен:
0,0021 D X  ReX0,75  PrX 0,5
X 
,
(51)
 
где Dx – коэффициент диффузии компонента в жидкой фазе, м2/с;
X
PrX 
– диффузионный критерий Прандтля для жидкости;
X  DX
4  U  X
Re X 
– модифицированный критерий Рейнольдса для
f  X
стекающей по насадке пленки жидкости;
 2X
   2
– приведенная толщина отекающей пленки жидкости, м.
X  g
Для расчета критерия Rex' и Рrх' подставляем в формулу ранее найденные
значения плотности орошения колонны (U), плотности и вязкости поглотителя
(ρx и μx) и значение удельной поверхности насадки (f).
2.8.2. Расчет коэффициента массоотдачи в газовой фазе
Коэффициент массоотдачи βу для газовой фазы находят по обобщенному
критерию Нуссельта:
Nuy  C  Re my  Pry0,33 ,
22
(52)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Nu y 
y  dЭ
– диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.
Dy
Подставив значение Nuy' в формулу (52) получим:
y 
C  D y  Re my  Pry 0,33
dЭ
,
(53)
где Dy – коэффициент диффузии компонента в газовой фазе, м2/с;
Re y 
W  d Э   y
– модифицированный критерий Рейнольдса для
 y  VC
газовой фазы в насадке;
y
Pry 
– диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;
y  Dy
С, m – коэффициенты;
Vc – свободный объем пор, м3/м3.
Для колонн с неупорядоченной насадкой (кольца Рашига d = 10 – 25 мм
и 50 мм, кольца Паля) С = 0,407; m = 0,655 при Re = 10 – 10000. Для
0 , 47
 l 
регулярных насадок C  0,167    ; m = 0,74 при Re = 1000 – 10000 и 1/dэ =
 dЭ 
2 – 16.
где 1 – высота насадочного тела, м;
dэ – эквивалентный диаметр насадки, м.
Для расчета критерия Rey и Рrу' подставляем в формулу ранее найденные
значения плотности (ру) и вязкости (μу) газовой смеси, скорости газового
потока (Wг), свободного объема пор (Vc) и значения эквивалентного диаметра
насадки (dэ).
Вязкость газовой смеси (μу) может быть вычислена по формуле:
M CM y1  M 1 y 2  M 2


,
 CM
1
2
(54)
где Мсм, М1, М2 – мольные массы смеси газов и отдельных компонентов;
μсм, μ1, μ2 – соответствующие динамические коэффициенты вязкости
при заданной температуре;
у1, у2 – объемные доли компонентов в растворе, %.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.8.3. Расчет коэффициентов диффузии
При диффузии газа А в газе В коэффициент диффузии может быть
вычислен по формуле:
Dy 
4
3
2
0,00435  10  T
1
1


1
MA MB ,
 13

3 

P   VA  VB 


(55)
где Т – температура, К;
р – общее давление, Па;
VА, VB – мольные объемы газов А и В, см3/моль;
MA, MB – мольные массы газов А и В.
Мольные объемы определяются как суммы атомных объемов элементов,
входящих в состав газа [1].
Если известен коэффициент диффузии Do при давлении Ро и температуре
Тр (см. Приложение 3), то значения D при других значениях температуры Т и
давления Р можно найти из соотношения:
D y  D0 
P0
P
T
 
 T0 
3
2
(56)
Коэффициент диффузии в жидкости Dx при 20 °С можно вычислить по
формуле:
1  10 6
1
1
Dy 


1
MA MB ,
 13

3

A  B     VA  VB 


(57)
где μ – вязкость растворителя при 20 оС , мПа ∙ с;
A, B – поправочные коэффициенты для диффундирующего вещества и
растворителя, характеризующие отличие свойств вещества от свойств
неассоциированных веществ, для которых поправочный коэффициент равен
единице.
Значения коэффициента А для газов, растворимых в воде равно единице,
коэффициент В для воды равен 4,7 [1].
Коэффициенты диффузии некоторых газов в воде при 20 оС:
Газ
CO2, NO2
Cl2, H2S
NH3
HCl
2
D20, м /ч
0,0000064 0,0000058 0,0000066
0,0000083
Если известен коэффициент диффузии в воде при t = 20 °С, то при
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
другой, более высокой температуре Dx повышается и определяется по
уравнению:
D X  D 20  1  b  t  20 
(58)
Температурный коэффициент b определяется по формуле:
b  0,2 

3

,
(59)
где μ – вязкость растворителя, поглотителя, Па ∙ с;
ρ – плотность растворителя, кг/м3.
Найденные значения βx и βy по формулам (51) и (53) выразим в
выбранной для расчета размерности, для этого умножим полученные значения
на их плотности.
Б. Расчет высоты абсорбера по числу единиц переноса
Определяют высоту насадочной части колонны по уравнения:
H H  1,25  n T  h y ,
(60)
где nт – число единиц переноса (число теоретических тарелок);
hy – высота насадки, эквивалентная одной единице переноса.
Число теоретических тарелок (ступеней изменения концентрации в
абсорбере) определяют обычно графическим методом (см. рис. 3).
Высоту насадки hy, эквивалентную одной теоретической тарелке, для
условий, соответствующих точке нагрузки определяют по уравнению:
0, 2
  
G
h  48    0   f 1, 2  FC   
L
  
0, 405
 
  Ж 
 Г 
0, 225
 
  Г 
 Ж 
0, 045
 L 
lg 

mG 


G ,
1 m  
L
(61)
где m – среднее значение тангенса угла наклона к оси X кривой
равновесия в координатах X – У.
Величину m с достаточной точностью можно найти спрямлением
участков кривой равновесия (заменой кривой равновесия ломаной линией),
при этом:
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
m
m1  m 2    m i
,
i
(62)
где m1, m2, mi – тангенсы углов наклона прямых на отдельных участках;
i – число прямолинейных участков ломаной линии.
Средний наклон линии равновесия можно определить как наклон хорды,
проведенной через точки М и N (см. рис. 5) ограничивающие рабочий участок
линии равновесия:
m
Y  Y
 X  X  
1
2
2
1
(63)
Рис.5. Определение угла наклона линии равновесия
Если растворимость абсорбируемого газа подчиняется закону Генри и
 L 
lg 

 mG 
линия равновесия представляет собой прямую, то множитель
из
G
1 m  
L
формулы принимается равным единице. Высота насадки, эквивалентная одной
теоретической ступени, hэ может быть рассчитана по уравнению:
V 
h Э  200   C 
 f 
1, 2
 1 
  0, 4 
  
(64)
Эта формула рекомендуется В. В. Кафаровым для колонн, работающих в
эмульгационном режиме.
Высота насадки, эквивалентная одной единице переноса, зависит от
характеристик насадки и фазового состояния:
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
hЭ  hy 
m  hX
l
(65)
Высота насадки, эквивалентная одной единице переноса для газовой
фазы hy определяется следующим образом:
1) для беспорядочных насадок:
h y  0,615  d Э  Re
0,343
y
 Pry
2
3
(66)
2) для регулярных насадок:
h y  1,5  d Э  Re
0, 25
y
 Pry
2
3
(67)
Величина hy может быть также определена по формуле:
a  VC
hy 
 Re 0y, 25  Pry 3
f 
2
(68)
Высота насадки, эквивалентная одной еденице переноса для жидкой
фазы, hX определяется по формуле:
h X  119      Re 0X, 25  PrX 0,5
(69)
Эквивалентный диаметр насадки:
dЭ 
4  VC
f
(70)
Критерий Рейнольдса:
Re  
4  W
;
f  
Re Ж 
4  WЖ
f  Ж
(71)
Массовые скорости:
Wг = G / S;
Диффузионный критерий Прандтля:
27
Wг = L / S
(72)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Pr 

;
  D
PrЖ 
Ж
Ж  DЖ
(73)
Приведенная толщина пленки жидкости, стекающей по насадке:

  2Ж 
 2 
 Ж 
0 , 33
(74)
2.9. Расчет тарельчатого абсорбера
Расчеты проводят по модифицированному уравнению массопередачи, в
котором коэффициенты массопередачи для жидкой Kxf и газовой Kyf фаз
относят к единице рабочей площади тарелок:
M  K xf  F  XC  K yf  F  УC ,
(75)
где М – масса передаваемого вещества через поверхность массопередачи
в единицу времени, кг/с;
F – суммарная рабочая площадь тарелок в абсорбере, м2.
Необходимое число тарелок n определяют делением суммарной
площади тарелок F на рабочую площадь одной тарелки f:
n 
F
f
(76)
Коэффициенты массопередачи определяют из уравнения аддитивности
фазовых диффузионных сопротивлений:
K xf 
K yf 
1
1
1

m   y f  xf
(77)
1
1
m ,

 y f  xf
(78)
где βxf , βyf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей
площади тарелки соответственно для жидкой и газовой фаз, кг/(м2 ∙ с).
Для нахождения коэффициентов массоотдачи воспользуемся обобщенным критериальным уравнением, которое применяют для различных
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конструкций барботажных тарелок [7]:
 y 

Nu x  A  Pe 0,5  C  
  
 y x
0,5
(79)
При этом для жидкой фазы:
Nu x 
 xf  l
;
Dx
Pex 
Ul
1  e  D x
(80)
Pe y 
W l
,
e  Dy
(81)
для газовой (паровой) фазы:
Nu y 
yf  l
FC  D y
;
где А – коэффициент [3];
Dx, Dy – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого
компонента соответственно в жидкости и газе;
U/(1 – е), W/e – средние скорости жидкости и газа в барботажном
слое, м/с;
е – газосодержание барботажного слоя м3/м3;
C 
Pn
x  g  l
–
критерий
гидравлического
сопротивления,
характеризующий
относительную
величину
удельной
поверхности
массопередачи на тарелке;
Pn   x  g  h 0 – гидравлическое сопротивление барботажного
газожидкостного слоя (пены) на тарелке, Па;
ho – высота слоя светлой неаэрированной жидкости на тарелке, м;
1 – характерный линейный размер, равный среднему диаметру
пузырька или газовой струи в барботажном слое, м.
2.9.1. Расчет высоты светлого слоя
A. Для тарелок провального типа:
Высоту газожидкостного слоя определяют по уравнению [2]:
Fr 
0,0011 B   x
,
C  y
29
(82)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
W02
где Fr 
– критерий Фруда;
g  hn
W0 – скорость газа в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с;
В – коэффициент (см. уравнение (34));
hn – высота газожидкостного слоя, м.
 U 6   2x   x
C  
3
 g

 ,

(83)
L
– плотность орошения, кг/(м2 ∙ с);
 x  0,785  d 2
L – расход поглотителя, кг/с;
d – стандартный диаметр абсорбера, м;
σ – поверхностное натяжение, Н/м.
Значение коэффициента В в формуле (82) уточняется в зависимости от
действительной скорости газа в абсорбере:
где U 
W 
В у точ  В прин   дейст 
W 
 расч 
Рассчитав критерий
газожидкостного слоя:
Фруда
по
формуле
(75),
W
W02
hn 
 2 дейст ,
g  Fr FC  g  Fr
находим
высоту
(84)
где Fc – свободное сечение провальной тарелки (определяется по
каталогу) [8].
Газосодержание барботажного слоя находим по уравнению:
e  1
0,21
F  Fr 0, 2
0,5
C
(85)
Высоту светлого слоя жидкости на тарелке h находим из следующего
соотношения:
P  g   x  h 0  g   x  1  e  h n
30
(86)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Откуда
h 0  1  e   h n .
Б. Для барботажных тарелок других конструкций газосодержание
можно находить по уравнению [2]:
e
Fr
1  Fr
,
(87)
где
Fr 
2
Wдейст
g  h0
В. Для колпачковых тарелок высоту светлого слоя жидкости можно
находить по уравнению [2]:
h пер  0,0419  0,19  h пер  0,0135  Wдейст   y  2,46  q
(88)
где hnep – высота переливной перегородки, м;
q = Q/Lc – линейная плотность орошения, м3/(м ∙ с);
Q – объемный расход жидкости, м3/с;
Lc – периметр слива (ширина переливной перегородки), м.
Г. Для ситчатых и клапанных тарелок высоту светлого слоя жидкости
находят по уравнению [2]:
m
h 0  0,78  q 0,2  h пер  Wдейст
x

 
x  1  0,31  e 0,11 X 
x
(89)
,
B
где m = (0,05 – 4,6);
hnep – показатель степени;
μx – измеряется в мПа ∙ с;
бх, σВ – измеряется в мН/м.
В абсорберах наблюдается интенсивный гидродинамический режим (7),
тогда характерный линейный размер 1 (см. формулу (80, 81)) становится по
данным ряда авторов (7) практически постоянной величиной, в связи с этим
критериальные уравнения, решенные относительно коэффициентов
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
массоотдачи приводятся к удобному для расчетов виду [3]:
0, 5
 y 
5
0, 5  U 

xf  6,24  10  Fc  D x  
  h 0  

1

e





x 
 y
0, 5
(90)
0, 5
 y 
W 
 ,
yf  6,24  105  Fc  D 0y,5   дейст   h 0  


 e 
 y  x 
0,5
(91)
где e – газосодержание барботажного слоя, м3/м3;
Fc – доля свободного сечения тарелки, м2/м2.
Расчет коэффициентов молекулярной диффузии газа в жидкости Dx и Dу
определяется по формулам (55) – (59).
Коэффициенты βXf и βУf выражаем в выбранной для расчета
размерности:
 xf  xf   ,
 xf  xf  
(92)
и по формулам (77-78) определяем значение коэффициента массопередачи, а
по формуле (75) определяем суммарную рабочую площадь тарелок в
абсорбере.
Рабочую площадь тарелок с перетоками f определяют с учетом площади,
занятой переливными устройствами:
f    0,785  d 2 ,
(93)
где φ – доля рабочей площади тарелки, м2/м2;
d – диаметр абсорбера, м.
Рабочая площадь провальной тарелки f можно принять равной сечению
абсорбера, т.е. φ = 1 [3].
Для других типов тарелок рабочую площадь можно определить по
формуле:
f T  Sкол  2  S слива ,
(94)
где Sкол – площадь абсорбера, м.
Требуемое число тарелок рассчитывают по формуле (76). При
приближенных расчетах применяют теоретически менее обоснованный, но
более простой метод определения числа тарелок с помощью так называемого
кпд (ŋ) тарелок:
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
n
nT
,

(95)
где nT – число теоретических тарелок – ступеней изменения
концентрации, которое находят графическим методом построения между
равновесной и рабочей линиями (см. рис. 3).
Действительное число тарелок определяется также методом с
построением кинетической кривой [4] на основе общих положений
массопередачи.
После построения рабочей линии и кривой равновесия, расчитывают
коэффициент массопередачи по формуле (77-78).
Коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах: для колпачковых
тарелок:
 y  4,47 104  W1,32  y
(96)
 x  33,7  10 4  W0,79  x
(97)
для ситчатых тарелок:
 y  3,03 104  W0,76  y
(98)
33,7  104  x
x 
,
1,95  W  0,41
(99)
где Wг – скорость газа, отнесенная к свободному сечению колонны, м/с;
∆Рх – гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке, Па.
Число единиц переноса одной тарелки:
ny 
K y  ST
G ИГ
,
(100)
где ST  Sкол  2  Sслива – рабочая площадь тарелки, м2.
Определяем величину Су:
Cy 
y H  y  AC
n

 2,718 y
y K  y B C
(101)
Величина отрезков на вертикалях диаграммы У – Х между линией
рабочих концентраций и вспомогательной кинетической кривой:
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
BC 
AC
Cy
(102)
На линии рабочих концентраций (см. рис. 6) наносят ряд точек А1, А2, А3
и т.д., а на линии равновесия соответствующие им точки С1, С2, С3 и т.д.
Рис. 6. Определение числа ступеней изменения концентраций
Пользуясь полученным равенством (102), находят на отрезках А1С1,
А2С2 и т.д. точки B1, B2 , B3 и т.д.
Проводя через полученные точки B1, B2 , B3 и т.д. линию, получают
вспомогательную кинетическую кривую. Из точки B1 в пределах заданных
рабочих концентраций Ун и Ук между линией рабочих концентраций и
вспомогательной кинетической кривой строят ломаную линию A1B1 – А2В2 –
А3В3 и т.д. Полученное число ступеней (или отрезков ВС) и дает необходимое
для заданных условий число тарелок.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определение высоты тарельчатой колонны проводится по уравнениям:
Н = Нт + h1 + h2 ,
(103)
где Нт = (n – 1) ∙ h – высота тарельчатой части колонны, м;
h1 – высота сепарационной части колонны, м;
h2 – расстояние от нижней тарелки до днища, м;
n – число тарелок;
h – расстояние между тарелками, м.
Расстояние между тарелками принимают равным или несколько
большим суммы высот барботажного слоя (пены) hn и сепарационного
пространства hc:
h  hn  hC
(104)
Высоту сепарационного пространства вычисляют исходя из допустимого
брызгоуноса с тарелки, принимаемого равным 0,1 кг жидкости на 1 кг газа.
Рекомендованы [7] расчетные уравнения для определения брызгоуноса е,
(кг/кг) с тарелок различных конструкций.
Для провальных и клапанных тарелок:
e
где f  0,0565 
A  f  Wm
,
hn
(105)
x
– поправочный множитель, учитывающий свойства

жидкости;
σ – поверхностное натяжение жидкости, мН/м.
Значение коэффициента А и показатели степени тип приведены в табл.2.
Таблица 2
Значение коэффициента А к показатели степени m и n
для расчета тарелок
Виды тарелок
А
m
n
Провальная (дырчатая,
решетчатая)
Клапанная и балластная
1,4 10-4
2,56
2,56
8,5 10-5
2,15
2.5
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для ситчатых тарелок:
73  W 
e  0,000077    
  hC 
3, 2
(106)
Для колпачковых тарелок унос жидкости можно определять по
следующей зависимости:
3600  E  h C2,59   x   0, 4  f  W 
y
x
,
(107)
где Е – масса жидкости, уносимой с 1 м рабочей площади сечения
колонны (за вычетом переливного устройства), кг/(м2 ∙ с);
μх – подставляется, мПа ∙ с;
σ – подставляется, мН/м.
Графическая зависимость уравнения (107) представлена в литературе
[3].
После того, как определили значение hc, определяем расстояние между
тарелками по формуле (104), подставляя в нее значение hn, определенное по
формуле (84).
Расстояние между тарелками стальных колонных аппаратов следует
выбирать из следующего ряда: 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800,
900, 1000 мм.
В аппаратах колонного типа нижняя и верхняя части представляют
собой кубовую и сепарационную часть. В этой зависимости от диаметра
колонны DK рекомендуются следующие высоты верхней сепарационной h1 и
нижней кубовой h2 частей колонны, которые приведены в табл. 3.
Таблица 3
Рекомендуемые высоты сепарационной и кубовой частей колонны
Dk
400-1000
1200-2200
2400 и выше
h1
600
1000
1400
h2
1500
2000
2500
2.10. Гидравлическое сопротивление насадочных колонн
на
Гидравлическое сопротивление Р обуславливает энергетические затраты
транспортировку газового потока через абсорбер. Величину Р
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рассчитывают по формуле [2]:
  сух 10bu ,
(108)
где Рсух – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;
u – плотность орошения, м3 / (м2 ∙ с);
b – коэффициент, значения которого для различных насадок
приведены в табл. 4 [4].
Таблица 4
Числовые значения коэффициента b
Насадка внавал
b
Регулярная насадка
b
Кольца до 12,5 мм
Кольца до 19 мм
Кольца от 32 до 38 мм
Кольца до 55 мм
84
53
47
35
кольца с d =50 мм
спиральные кольца
25
31
Гидравлическое
уравнению:
сопротивление
СУХ
сухой
  H  W2   

,
2  dЭ
насадки
определяют
по
(109)
где λ – коэффициент сопротивления.
Коэффициент сопротивления λ для насадки из колец навалом:
- при ламинарном режиме Reг < 40, λ = 140/Reг;
- при турбулентном режиме Reг > 40, λ = 16/Reг.
Для правильно уложенных кольцевых насадок и любом значении
критерия Re коэффициент сопротивления λ определяют по формуле:
λ = 9,21/Reг0,375
(110)
Для регулярных насадок при Reг < Reгa:
λ = λа (Reг/Reга)
(111)
Величина Reга – это критерий Рейнолъдса, соответствующий переходу в
автомодельный режим и определяется по формуле:
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Re га  3000  30 
 а  0,053 
dЭ
l
а
dЭ
 a ab

 

 b  ,
VC
 VC

(112)
(113)
где l – высота ряда насадки, м;
а = 4,2 и b = 3,9 – для колец и блоков;
а = 0,52 и b = – 0,57 – для хордовых насадок.
При заполнении колонны насадкой в виде колец Рашига диаметром до
30 мм гидравлическое сопротивление смоченной насадки можно определить
по формуле Н.М. Жаворонкова и М.Э. Аэрова [10]:
СМ
1

,
СУХ 1   3M
(114)
где Пм – уменьшение свободного объема насадок.
Величина Пм определяется по формуле:
M 
  H  b
,
g  VC
(115)
где Г = L/F – плотность орошения, м3 / (м2 ∙ с);
L – количество стекающей по колонне жидкости, м3/с;
F – площадь сечения колонны, м2;
σн – удельная поверхность насадки, м2/м3;
b = 23,7/Rеж0,3 – постоянный коэффициент;
4  WЖ
Re Ж 
– критерий Рейнольдса для жидкости;
  Ж
Wж – массовая скорость жидкости, кг / (м2 ∙ с);
Vc – свободный объем пор м3/м3.
2.11. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн
Для тарельчатых колонн гидравлическое сопротивление всех тарелок ∆Р
равно сумме сопротивления сухой тарелки ∆Р1, сопротивления,
обусловленного силами поверхностного натяжения ∆Р2 и сопротивления
газожидкостного слоя на тарелке ∆Р3:
Р = ∆Р1 + ∆Р2 + ∆Р3
38
(116)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сопротивление сухой тарелки:
1 
     W02
,
2
(117)
где ε – коэффициент сопротивления;
Wo – скорость газа в отверстиях тарелки, в прорезях колпачка, щелях
и других отверстиях тарелки.
Коэффициент сопротивления г зависит от типа тарелки и его значения
приведены в табл. 5.
Таблица 5
Значения коэффициента ε для различных типов тарелок
Тарелки
колпачковые
ситчатые:
φ = 0,07 – 0,1
φ = 0,15 – 0,2
клапанные:
ε
Тарелки
ε
4,5 – 5
1,85
1,45
2,5 – 3,5
провальные
дырчатые:
решетчатые
трубчаторешетчатые:
2,1
1.4 – 1,5
0,9 – 1,0
Примечание: φ – живое сечение отверстий; Fo/F (отношение суммарной
площади отверстий на тарелке Fo к площади поперечного сечения колонны F).
Скорость газа в прорезях колпачка при их полном открытии:
g  l  Ж
W  a 
,
(118)
  
где а – коэффициент, равный 1 для колпачковых тарелок, 0,65 – для
ситчатых тарелок;
1 – высота прорези колпачка или высота слоя жидкости на тарелке (для
ситчатых тарелок), м.
Скорость пара или газа Wпр в свободном сечении аппарата при
равномерном режиме, полном открытии прорезей и атмосферном давлении
рекомендуется принимать равной от 0,4 до 0,5 м/с, а в отверстиях ситчатых
тарелок от 6 до 20 м/с [10].
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
2 
 4

,
S
dЭ
39
(119)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;
П – периметр отверстия (прорези), м;
S – площадь отверстия (прореви), м;
dЭ – эквивалентный диаметр отверстия (прорези), м.
Для ситчатых тарелок dЭ = d, для провальных решетчатых тарелок dЭ =
2b (d – диаметр отверстий; b – ширина щели) для клапанных тарелок dЭ = 2а
(эквивалентный диаметр щели под клапаном, м).
В условиях рабочих режимов величина Р имеет небольшое значение[4].
Сопротивление газожидкостного слоя принимают равным:
3   Ж  g  h 0   n  g  h n ,
(120)
где ρж, ρn – плотности светлой жидкости и пены, кг/м3;
ho, hn – высоты светлой жидкости и пены, м.
Приведенное уравнение является общим для всех типов тарелок, однако
их практическое применение для различных тарелок несколько различается:
1) для колпачковых тарелок при полном открытии прорезей:
 e

3  1,3  g  k   Ж   l   h 
 2

(121)
2) для ситчатых тарелок:
3  1,3  g  k   Ж  h пер  h ,
(122)
где k – отношение плотности пены к плотности чистой жидкости (при
расчетах k = 0,5) [4];
е – расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м;
1 – высота прорези, м;
∆h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м;
hnep – высота сливного порога, м.
Высоты hnep, ∆h, 1 и расстояние е показаны на рис.7.
Величина ∆h определяется по формуле:
2
3
V


h  
 ,
1
,
85



k


где VЖ – объемный расход жидкости, м3/с;
П – периметр сливной перегородки, м.
40
(123)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а – на колпачковой тарелке
б – на ситчатой тарелке
Рис. 7. Расчет сопротивления столба жидкости
Сопротивление орошаемой ситчатой тарелки можно рассчитать по
обобщенному уравнению А.А. Носкова и В.Н. Соколова [4]:
n
3  0,087  W
1, 28
n

0, 09
 
0, 4
n
0,51
Ж
h
0,18
 L d
    ,
G 
(124)
где h – высота сливного порога, м;
L/G – отношение массовых расходов жидкости и пара;
n = 0,135 при L/G < 5; n = 0,3 при L/G > 5;
(d/δ) – отношение диаметра отверстия к толщине тарелки.
При расчете клапанной тарелки перепад давления на сухой тарелке
определяется по формуле (117). Скорость газа в отверстиях под клапанами
определяется по формуле:
W0 
VСЕК
,
f0  N0
(125)
где Vсек – секундный объем газов под нижней тарелкой абсорбера, м3/с;
f0 – сечение одного отверстия под клапаном, м2,
N0 – число отверстий (клапанов) на тарелке.
Секундный объем газов рассчитывают по следующей формуле:
VСЕК 
22,4  VB   0  T
,
3600  273  
(126)
где Vв – суммарное количество газа, поступающего под нижнюю
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тарелку абсорбера, кмоль/ч;
Тн – температура низа абсорбера, К;
По – атмосферное давление, Па;
П – давление в колонне, Па.
  d 02
f0 
,
4
(127)
где do – диаметр отверстия под клапаном, м.
Перепад давления ∆Рз, необходимый для определения сопротивления
столба жидкости на клапанной тарелке определяется по уравнению:
L
3  0,43  h СЛ   Ж  g   
G
0, 325
 
  n 
 Ж 
0,18
 
  Ж 
 n 
0, 362
,
(128)
где hсл – высота сливной перегородки, м.
После
определения
гидравлического
сопротивления
тарелки
рекомендуется проверить достаточность принятого расстояния Н между
тарелками по соотношению:
H
P
,
Ж  g
(129)
где Р – сопротивление всех тарелок колонны, Па:
    n ,
(130)
где n – число тарелок.
Кроме этого для установки предусмотреть (рассчитать и подобрать)
насос для подачи абсорбента в абсорбер, холодильник для охлаждения газа и
газодувку для подачи газовой смеси в абсорбер.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 1
Дифференциальная теплота растворения
некоторых газов в воде при 20 °С
Теплота растворения,
кДж/кмоль
Вещество
Аммиак
Диоксид углерода
Диоксид серы
Сероводород
Хлор
Пары этилового спирта
Пары ацетона
35 322
2 4637
31 425
19 106
20 531
47 150
30 449
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 2
Насадки
Характеристики насадок (размеры даны в мм)
а, м2/м3 е, м3/м3
dЭ, м
ρ, кг/м3 Число штук в 1 м3
Регулярные насадки
Деревянная
хордовая
(10х100), шаг к
свету:
10
20
30
Керамические
кольца Рашига:
50х50х5
80х80х8
100х100х10
Керамические
кольца Рашига:
10х10х1,5
15х15х2
25х25х3
35х35х4
50х50х5
Стальные
кольца Рашига:
10х10х0,5
15х15х0,5
25х25х0,8
50х50х1,0
Керамические
кольца Палля:
25x25x3
35x35x4
50x50x5
50x60x6
Керамические
седла Верля:
12,5
25
38
100
65
48
110
80
60
0,55
0,68
0,77
0,022
0,042
0,064
210
145
110
0,735
0,027
650
0,72
0,036
670
0,72
0,048
670
Неупорядоченные насадки
-
8500
2200
1050
440
330
200
140
90
0,7
0,7
0,74
0,78
0,785
0,006
0,009
0,015
0,022
0,035
700
690
530
530
530
700000
220000
50000
18000
6000
500
350
220
96
0,88
0,92
0,92
0,95
0,007
0,012
0,017
0,035
960
660
640
430
770000
240000
55000
7000
220
165
120
96
0,74
0,76
0,78
0,79
0,014
0,018
0,026
0,033
610
540
520
520
46000
18500
5800
3350
460
260
165
0,68
0,69
0,7
0,006
0,011
0,017
720
670
670
570000
78000
30500
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Керамические
седла
«Инталокс»
12,5
19
25
38
50
625
335
255
195
118
0,78
0,77
0,775
0,81
0,79
0,005
0,009
0,012
0,017
0,027
545
560
545
480
530
730000
229000
84000
25000
9350
Примечание: а – удельная поверхность; е – свободный объем; d –
эквивалентный диаметр; р – насыпная плотность. Значения коэффициентов А
и В для определения предельно допустимой скорости газа:
Тип насадки
Трубчатая
Плоскопараллельная хордовая
Пакетная
Кольца Рашига внавал
Кольца Паля
Седла размером 25 мм
Седла размером 50 мм
А
0,47+1,5 lg(dЭ/0,025)
0
0,062
-0,073
-0,49
-0,33
-0,58
45
В
1,75
1,75
1,55
1,75
1,04
1,04
1,04
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 3
Значения коэффициентов А и В,
зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя
Значения коэффициента А для некоторых веществ, растворенных в воде:
для газов..............................
1,0
этилового спирта................
1,24
метилового спирта .............
1,19
уксусной кислоты ..............
1,27
Коэффициент В равен:
для воды ..............................
этилового спирта................
метилового спирта .............
ацетона ................................
неассоциированных жидкостей
46
4,7
2,0
2,0
1,15
1,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гильперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической
технологии: в 2 кн. / Н.И. Гильперин. – М.: Химия, 1981. – 812 с.
2. Дытнерский Ю.И. Основные процессы ж аппараты химической
технологии / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 2003. – 272 с.
3. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов
химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – Л.:
Химия, 2005. – 552 с.
4. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической
технологии / И.Л. Иоффе. – Л.: Химия, 1991. – 352 с.Касаткин А.Г. Основные
процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – М.: Химия,
1973. – 750 с.
5. Кувшинский М.Н. Процессы и аппараты химической технологии:
Курсовое проектирование / М.Н. Кувшинский, А.П. Соболева. – М.: Высшая
школа, 1980. – 223 с.
6. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н.
Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. – М.: Химия, 1968. – 847 с.
7. Рамм В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. – М.: Химия, 1976. – 655 с.
8. Рамм В.М. Теплобменные аппараты / В.М. Рамм. – М.; Л.:
Госхимиздат, 1948. – 112 с.
9. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и
нефтехимической промышленности / А.И. Скобло, И.А. Трегубова,
Н.Н. Егфон. – Гостоптехиздат, 1962. – 652 с.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составитель: ЛОМАКИН Сергей Петрович
РАСЧЕТ АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Методические рекомендации
по выполнению курсовых работ
Технический редактор: Р.С. Юмагулова
Подписано в печать 21.09.2007. Формат 60х84 1/16.
Бумага газетная. Гарнитура «Таймс».
Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 3,25. Тираж 100 экз.
Цена свободная. Заказ № 92.
Отпечатано с готовых авторских оригиналов
на ризографе в издательском отделе
Уфимской государственной академии экономики и сервиса
450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, к. 227; тел. (347) 278-69-85.
48
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
65
Размер файла
783 Кб
Теги
процесс, аппарата, производства, 2021, химические
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа