522103

Y,Y*

C

C 3

C 2

A

F

Yн

C 1

В

Yк

О	X н	X 1	X к	X 2	X	X

Yк		X н
tк		н
		X i
М		М	i

Y		X к
	н
t	н	к

АВ - рабочая линия; BF - предельное положение рабочей линии, соответствующее теоретически минимальному расходу поглотителя; ОС -

равновесная линия при изменяющейся температуре жидкости ; ОС1, ОС2, ОС3 - равновесные линии для изотермической абсорбции при соответствующих температурах 1, 2, 3 .

Рисунок 2 - Схема адиабатической абсорбции

3 АБСОРБЦИЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ЖИДКОСТИ

Схема абсорбции с рециркуляцией жидкости и циркуляционным отводом теплоты показана на рисунке 3 . Для приближенного метода расчета используются те же допущения, которые были сделаны в разделе 2.

Последовательность расчета материального и теплового балансов следующая:

Строят равновесную линию ОС и рассчитывают последовательно: Yк,G,M,Lмин,L,Xк как изложено в пунктах 2.1 -2.6 раздела 2.

Задаются коэффициентом рециркуляции жидкости b в пределах 0.2 - 0.4 и определяют концентрацию поглощаемого компонента на входе в

абсорбер

X '

по уравнению:

н’

X н L+X к Lр

X

'

X

н

b X

к

,

(17)

L+L р

н’

1+b

11

где Lр - расход рециркулируемого поглотителя, кмоль/с; b= LLр .

Используя уравнение ( 14 ) с заменой X н на X'н’ рассчитывают

'к . Если конечная температура жидкости удовлетворяет необходимым условиям, то строят равновесную линию ОС при изменяющейся температуре жидкости 'к .

Уравнение рабочей линии АВ находят по формуле (13). При высоких температурах газовой смеси на входе в абсорбер

( tн к ) данный метод расчета не годится и необходимо искать

численное решение дифференциальных уравнений, описывающих процесс массо- и теплообмена между фазами [1,3].

Y,Y*

Yк

L', ,X'

L, í ,Xí

í

í

С

С

t

к

1

А

F

F

2

Y н

Lð, í ,Xê

Y

к

В

В

L , 'к , Xк

Yн

3

t н

О

X н

X н

X к

X *к

X * к

X

L', 'к

1 - абсорбер; 2 - холодильник; 3 - насос; АВ - рабочая линия без циркуляции жидкости; АВ - рабочая линия с ре-

циркуляцией жидкости; ОС - равновесная линия при изменяющейся температуре жидкости без рециркуляции последней; ОС - равновесная линия при изменяющейся температуре жидкости ' с рециркуляцией последней;

Рисунок 3 - Схема абсорбции с циркуляционным отводом теплоты (рециркуляция жидкости)

12

4 АБСОРБЦИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОТВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Схема противоточной абсорбции с промежуточным отводом теплоты для жидкой фазы показана на рис.4 . Для расчета предложенной схемы необходимо задаться числом секций n и концентрациями компонента в газовой фазе на выходе из секций Y1к Y2н,Y2к Y3н ( см. рисунок 4 ).

Надежные рекомендации по выбору числа секций n в литературе отсутствуют. При распределении концентраций компонента в газовой фазе на выходе из секций следует учитывать, что при равномерном распределении

концентраций ΔYi Yн Yк по секциям, размеры их будут разными - по- n

следняя секция по высоте окажется наибольшей. Чтобы секции по высоте оказались одинаковыми, необходимо уменьшать значение ΔYi от первой

секции к последней. Предполагается, что каждая секция работает в адиабатических условиях и температуры жидкости после холодильников равны ее начальной температуре, то есть 3н 2н 1н . Расчет начинают

выполнять с последней по ходу газовой смеси секции, задаваясь температурой 3к , в той же последовательности, как описано в разделе 2. После

того, как будет найдена температура после последней секции (n = 3) ( см. рисунок 4 ), переходят к расчету следующих, который ведется аналогично.

13

Yк X3í , 3í

Y, Y*	n=3	2
		3ê

Y н				B
					n=2	X2í , 2í	2
Y2н=Y1к				E1		2ê
			E2		С
Y3н=Y2к
	A	E3			n=1	X1í , 1í
Y к			D1
		D2				1
	D3					X1í , 1í
					Yн
О	X 3 н	Х 2 н	Х 1 н	Х к	Х

1 - секция ( n - номер секции); 2 - холодильники; ОС - равновесная линия при температуре 3’ ; D1E1, D2E2, D3E3, - равновесные линии при темпера-

турах жидкости в каждой секции: 1, 2, 3; АВ - рабочая линия. Рисунок 4 - Схема абсорбции с промежуточным охлаждением аб-

сорбента

5 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АБСОРБЦИОННЫХ НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

Гидравлический расчет насадочной колонны выполняется после того, как сделан выбор типа насадки и ее размера. Расчет включает:

-определение скорости газа, необходимой для обеспечения оптимального гидродинамического режима, в котором обеспечиваются наибольшие поверхность контакта фаз и коэффициент массопередачи;

-определение диаметра колонны; -расчет плотности орошения и доли активной поверхности насадки;

-расчет гидравлического сопротивления слоя насадки.

5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ГАЗА

В насадочных колоннах при противотоке газа и жидкости в зависимости от скоростей потоков наблюдаются три различных гидродинамических режима: пленочный, подвисания и эмульгирования ( захлебывания).

14

Зависимость обобщающая многочисленные экспериментальные данные для абсорбции по определению скорости газа в переходных точках (в частности, захлебывания) имеет следующий вид [3]:

w2

a

0.16

0.25

0.125

y

x

L

y

пр

lg

А В

,

(18)

3

g

x

G

x

где wпр -предельная скорость газа, м/с; a- удельная поверхность

насадки, м2/м3;

x , y - плотности жидкости и газа, кг/м3;

x - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа с;

g- ускорение свободного падения, м/с2;

- свободный объем насадки, м3/м3;

L ,G - массовые расходы жидкости и газа, кг/с.

А, В - коэффициенты, значения которых для точки захлебывания приведены ниже [1]. Аналогичная формула, записанная в виде экспоненциальной зависимости [4], приведена в данном издании с ошибкой и определять по ней wпр нельзя.

Насадка	А	В
кольца Рашига (нава-	-0.073	1.75
лом)
седла, 25 мм (навалом)	-0.33	1.04
седла, 50мм (навалом)	-0.58	1.04

Затем рассчитывается рабочая скорость газа (w, м/с), по отноше-

нию:
w kwпр ,	(19)

где k - коэффициент, зависящий от выбранного режима работы колонны, значения k для wпр , рассчитанной в режиме подвисания приведе-

ны ниже [1]:
Процесс	k
абсорбция хорошо растворимых	0.75 - 0.85
газов
абсорбция плохо растворимых	0.45 - 0.7
газов
абсорбция в пенистых системах	0.25 - 0.4

Выбор рабочей скорости газа можно сделать и по представленной в [4] графической зависимости Эдулджи ( рисунок 5). Для этого

необходимо определить критерий Фруда для газа и критерий Рейнольдса (условный):

15

Fr w2		,		(20)
gd
Re усл	wd y		,	(21)
		x

где d - номинальный размер насадки выбранного типа: для колец d равен наружному диаметру, м; для седел - среднему арифметическому трех основных размеров насадочного тела, м ( см. Приложение);

x - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па с;y - плотность газа, кг/м3.

Далее необходимо рассчитать комплексы Y и X :

0.1					2	y	0.85
Y CFrRe усл			воды					,
			x			0

Χ Vx , Vy

(22)

(23)

где С - константа, зависящая от типа насадки, для колец Рашига (навалом) С=1, для седел Берля С=0.471; - Инталокс С=0.37 ;

воды, 0 - плотности воды и воздуха при давлении 760 мм рт. ст. и 20 С, кг/м3;

Vx,Vy - объемные расходы жидкости и газа, м3/с.

Для определения рабочей скорости газа данным способом задаются коэффициентом k = 0.5 0.85, определяют скорость газа, находят на графике Эдулджи положение рабочей точки, и если она находится выше линии захлебывания или значение гидравлического сопротивления не соответствует значениям гидравлического сопротивления для данного типа абсорберов (см. соответствующий раздел), то изменяют скорость газа и повторяют расчет.

Для определения скорости газа в насадочных колоннах, работающих в режиме начала подвисания, приводится также зависимость [3]:

0.43

Reг 0.045Ar

0.57

G

,

(24)

L

где Reг

wdэ y

- критерий Рейнольдса для газа, условный;

y

dэ

4

- эквивалентный диаметр насадки, м;

a

16

	d 3		y		x
Ar	э					- критерий Архимеда.
		2
			y

Однако значения скорости, определенные этим способом, значительно ( до 2 раз) отличаются от полученных по формулам (18 - 19) и по графику Эдулджи и не подтверждаются опытными данными.

Y
101
8
6	1200
4	800
			Захлебывание
2	600
			Подвисание
	300	0
	2
100
8	100		Па/м
6
4
2

10-1

4

6

8 10-3

2

4

6

8 10-2

2

4

6

8 10-1

X

Рисунок 5 - Графическая зависимость Эдулджи для определения гидродинамического режима работы насадочной колонны и сопротивле-

ния насадки

17

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА КОЛОННЫ Диаметр колонны D (м) может быть рассчитан как:

D	Vy	,	(25)
	0.785w

где V y - объемный расход газа, м3/с;

w - рабочая скорость газа, м/с.

По расчетному диаметру колонны выбирается ближайший стандартный аппарат, по диаметру которого пересчитывается рабочая скорость.

5.3 РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ ОРОШЕНИЯ И ДОЛИ АКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАСАДКИ

Плотность орошения (U, м3/(м2 с)) определяется по зависимости:

U	L				.	(26)
	0.785D			2r
				x

Желательно, чтобы полученное значение находилось в пределах 0.002-0.005 м3/(м2 с). Большие значения характерны для нерегулярных насадок. При малой плотности орошения аппарат работает неэффективно из-за плохой смоченности насадки. В этом случае следует использовать более крупную насадку или отказаться от применения насадочной колонны.

Долю активной поверхности насадки ( ya ), участвующую в массопереносе, находят по соотношению:

a	U
		,		( 27 )
	p+qU a
где p,q - постоянные, зависящие от типа и размера насадки.
Значения p,q для нерегулярных насадок следующие:
Тип насадки			p 105	q
кольца Рашига, 25 мм			1.019	0.0086
кольца Рашига, 35 мм			0.843	0.0103
кольца Рашига, 50 мм			0.667	0.012

18

5.4 РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СЛОЯ НАСАДКИ

Общее гидравлическое сопротивление колонны находят после определения высоты колонны, но на данном этапе проектирования необходимо убедиться в том, что выбранные ( рассчитанные) рабочая скорость газа, диаметр колонны и плотность орошения обеспечивают необходимый режим работы аппарата. Для этого определяют гидравлическое сопротивление одного метра слоя насадки по графику Эдулджи ( см. выше ). Рекомендуются следующие значения сопротивлений 1м насадки : для абсорберов, работающих под атмосферным или повышенном давлении 200-400 Па/м, для вакуумных абсорберов - 80-400 Па/м Если полученное значение значительно больше рекомендованного для данного типа абсорбера, то увеличивают диаметр аппарата, уменьшая тем самым скорость газа и плотность орошения, или применяют насадку с большим свободным объемом. В работе [1] описан метод определения соотношения сопротивлений орошаемой и сухой насадок из графической зависимости указанных сопротивлений от комплекса К, включающего числа Рейнольдса по жидкости и газу и число Фруда. Однако в диапазон данных, для которых построена зависимость, практически не входят режимы работы реальных насадочных колонн, поэтому использовать этот график, как правило, невозможно.

6 РАСЧЕТ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

6.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ВЫСОТЫ НАСАДКИ

Для определения высоты слоя насадки в абсорбционной колонне, работающей в режиме, близком к пленочному, можно рекомендовать следующие методы.

6.1.1 РАСЧЕТ ПО УРАВНЕНИЮ МАССОПРЕДАЧИ

M K y F	Y ср K y SHa	а	ΔYср ,	(28)

где М - количество поглощаемого компонента в единицу времени, кмоль/с;

K y - коэффициент массопередачи, отнесенный к средней движу-

щей силе в газовой (паровой) фазе, кмоль/(м2 с ед. средней движущей силы);

F - поверхность контакта фаз, м2;

19

ΔYcр - средняя движущая сила процесса по газовой (паровой)

кмоль/кмоль;

S - площадь поперечного сечения колонны, м2; Н - высота слоя насадки, м.

Или используют относительные массовые концентрации:

M=K y F Ycр K y SHa

а

Y

,

cр

фазе,

(29)

где M - количество поглощаемого компонента в единицу времени,

кг/с;

K y - коэффициент массопередачи, отнесенный к средней движу-

щей силе в газовой (паровой) фазе, кг/(м2 с ед. средней движущей силы); Ycр - средняя движущая сила процесса по газовой (паровой) фазе,

кг/кг.

Средняя движущая сила определяется в зависимости от кривизны равновесной линии.

Если равновесная линия на отрезке, ограниченном начальной и конечной концентрацией поглощаемого компонента в жидкости, прямая, то:

ΔY -

Yм

ΔYср=

б

,

(30)

ln

ΔYб

ΔYм

где ΔY

Y

Y*

при

X=X

к

, кмоль/кмоль;

б

н

н

ΔY Y

Y*

при X=X

н

, кмоль/кмоль.

м

к

к

Если линия равновесия криволинейная в указанном выше интерва-

ле, то:

ΔYср

Yн

Yк

.

(31)

Yн

dY

Y

Y Y*

к

Такие же уравнения можно записать и для случая, когда равновесная линия задана в относительных массовых концентрациях. Уравнения, аналогичные уравнениям ( 28 - 30 ), будут и в том случае, если вести расчет по средней движущей силе и коэффициенту массопередачи, рассчитанным по жидкой фазе.

Коэффициенты массопередачи рассчитываются по уравнениям:

	1		1		m yx	,	(32)
	K y		y		x

20