2.8 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере равна

; (40)

где

- масса поглощаемого вещества (аммиака);

-коэффициент массопередачи в газовой фазе;

-средняя движущая сила;

Подставляя данные в формулу (42), получим

;

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле

; (41)

где

–поверхность массопередачи в абсорбере;

-удельная поверхность насадки [1._таб. 5.1_ст.196];

-диаметр абсорбционной колонны;

–доля активной поверхности насадки;

Подставляя данные в формулу (41), получим

;

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газов по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорберазависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Принимаем эти расстояния равными соответственно 0,6 и 1,5 м[1._ст. 235]. Тогда общая высота абсорбера рассчитывается по формуле

; (42)

3. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величинурассчитывают по формуле

; (43)

где

–гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, ;

-плотность орошения;

–коэффициент, значения которого для различных насадок разный.Для колец Рашигавнавал диаметром [1._ст. 201];

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению

; (44)

где

–коэффициент сопротивления;

–скорость газа в свободном сечении насадки, ;

–высота насадки;

–плотность газовой смеси при ;

–эквивалентный диаметр насадки [1._таб. 5.1_ст. 196];

Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок можно рассчитать по формуле

; (45)

где

- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

Подставляя данные в формулу (45), получим

;

Скорость газа в свободном сечении насадки определяют по формуле

(46)

где

–рабочая скорость газа в колонне;

–свободный объем насадки [1._таб. 5.1_ст. 196];

Подставляя данные в формулу (46), получим

;

Подставляя данные в формулу (44), получим

;

Подставляя данные в формулу (43), получим

;

2. Расчет вспомогательного оборудования

1. Расчет теплообменника

Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (газовая смесь), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды

;

Составляем температурную схему

;;

;

Определяем среднюю температуру газовой смеси по формуле

; (47)

где

–средняя температура воды;

–средняя разность температур;

Подставляя данные в формулу (47), получим

;

С учетом потерь холода в размере расход теплоты рассчитывается по формуле

; (48)

где

-расход инертной части газа;

–удельная теплоемкость смеси при ,;

, – начальная и конечная температура газа [по заданию];

Удельная теплоемкость смеси определяется по формуле

; (49)

где

, – удельная теплоемкость аммиака и воздуха при ;

- конечная концентрация аммиака в поглотителе (воде);

Подставляя данные в формулу (49), получим

;

Подставляя полученные данные в формулу (48), получим

;

Расход воды определяется по формуле

; (50)

где

–расход теплоты;

–удельная теплоемкость воды при t = 25ºC [2];

, – начальная и конечная температура воды;

Подставляя данные в формулу (50), получим

;

Объемный расход газовой смеси определяется по формуле

; (51)

где

-расход инертной части газа;

-плотность газовой смеси при ;

Плотность газовой смеси определяется по формуле

;

где

–объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

, – плотности, соответственно, аммиака и воздуха при,;

Плотности аммиака и воздуха найдем по формуле

;

где

–температура при нормальных условиях;

–давление в абсорбере [по заданию];

–температура газа перед абсорбером [по заданию];

–давление при нормальных условиях;

–плотность газа при нормальных условиях,

, [2];

;

;

Подставим найденные значения

;

Подставляя данные в формулу (51), получим

;

Объемный расход воды определяется по формуле

; (52)

где

–массовый расход воды;

–плотность воды при [2];

Подставляя данные в формулу (52), получим

;

Наметим варианты теплообменных аппаратов.

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая что [2] по формуле

; (53)

где

–расход теплоты;

[2._таб. 4.8_ст. 172];

–средняя разность температур;

Подставляя данные в формулу (53), получим

;

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Воду направим в трубное пространство, так как она дает загрязнения, газовую смесь – в межтрубное пространство.

В теплообменных трубаххолодильников по ГОСТ 15120 – 79 скорость течения воды придолжна быть не более

; (54)

где

–динамический коэффициент вязкости воды при [2];

–внутренний диаметр труб;

–плотность воды при [2];

Подставляя данные в формулу (54), получим

;

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть менее

;

По таблице 4.12 [2] подбираем кожухотрубчатый одноходовой холодильник с запасом поверхности теплообменаХарактеристики этого холодильника,,.

Скорость воды для кожухотрубчатого холодильника рассчитывается по формуле

; (55)

где

- объемный расход воды;

–число труб в холодильнике, шт. [2];

–внутренний диаметр труб;

Подставляя данные в формулу (59), получим

;

Критерий Рейнольдса для воды рассчитывается по формуле

; (56)

где

- скорость воды в кожухотрубчатом холодильнике, м/с;

–внутренний диаметр труб;

–плотность воды при [2];

–динамический коэффициент вязкости воды при [2];

Подставляя данные в формулу (56), получим

;

Критерий Прандтля для воды при рассчитывается по формуле

; (57)

где

–удельная теплоемкость воды при [2];

–динамический коэффициент вязкости воды при [2];

–коэффициент теплопроводности воды при [2];

Подставляя данные в формулу (57), получим

;

Скорость газовой смеси для кожухотрубчатого холодильника рассчитывается по формуле

; (58)

где

- объемный расход газовой смеси;

–проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120 – 79 [2];

Подставляя данные в формулу (62), получим

;

Критерий Рейнольдса для газовой смеси рассчитывается по формуле

; (59)

где

- скорость газовой смеси в кожухотрубчатом холодильнике;

–наружный диаметр труб, определяющий линейный размер поперечном обтекании;

–плотность газовой смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси определяется по формуле

; (60)

где

, ;– мольные массы соответственно смеси газов, аммиака и воздуха [2._ таб. I_ст. 510];

, - динамические коэффициенты вязкости соответственно аммиака, воздуха [2]

Мольная масса смеси газов рассчитывается по формуле

;

где

–объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

Подставив данные в формулу, находим

;

По формуле (27) находим динамический коэффициент вязкости

;

;

;

Подставив данные в формулу (63), находим

;

Критерий Прандтля для газовой смеси при рассчитывается по формуле

; (61)

где

–удельная теплоемкость смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

–коэффициент теплопроводности газовой смеси при ,;

Коэффициент теплопроводности газовой смеси определяется по формуле

; (62)

где

–удельная теплоемкость смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

; – показатель адиабаты;и– удельная теплоемкость газа при постоянном давлении и при постоянном объеме, соответственно, Дж/(кг·К) [2._табл. V_ст. 513];

В = 0,25·(9·k – 5) = 1,72;

Подставляя данные в формулу (67), получим

Подставляя полученные данные в формулу (66), получим

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для газовой смеси.

Коэффициент теплоотдачи для газовой смеси () рассчитывается по формуле

(68)

где Nu1 – критерий Нуссельта для газовой смеси при t = 52ºС;

λ1 = λсм = 0,033 – коэффициент теплопроводности газовой смеси при t = 52ºС, Вт/(м·К);

d1 = 0,025 – наружный диаметр труб, определяющий линейный размер поперечном обтекании, м.

Критерий Нуссельта для газовой смеси определяется по формуле

(69)

где εl = 1 [1, стр. 154];

- критерий Рейнольдса для газовой смеси при t = 75ºС;

- критерий Прандтля для газовой смеси при t = 75ºC;

[1].

Подставляя данные в формулу (69), получим

Подставляя полученные данные в формулу (68), получим

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды.

Коэффициент теплоотдачи для воды рассчитывается по формуле

(70)

где Nu2 – критерий Нуссельта для воды;

λ2 = 0,52 – коэффициент теплопроводности воды при t = 25ºС, Вт/(м·К) [1, рис. Х, стр.561];

d2 = 0,021 – внутренний диаметр труб, м.

Критерий Нуссельта для воды при горизонтальном расположении труб (Re< 3500) рассчитывается по формуле

Для газов не учитывают, поэтому

. (71)

Формула (71) выведена при значениях 20 ≤ ≤ 120; 106 ≤≤ 1,3·107; 2 ≤ Pr ≤ 10.

При ≤ 10 значение Nu определяют по уравнению

(72)

Проверим, выполняется ли условие ≤ 10.

Критерий Пекле (Pe) рассчитывается по формуле

(73)

где ω = 0,004 – скорость воды в кожухотрубчатом холодильнике, м/с;

l = 0,021 – внутренний диаметр труб, м;

с = 4190 – удельная теплоемкость воды при t = 25ºC, Дж/(кг·К) [1, рис. XI, стр.562];

ρ = 996,5 – плотность воды при t = 25ºC, кг/м3 [1, табл.IV, стр. 512];

λ = 0,52 – коэффициент теплопроводности воды при t = 25ºС, Вт/(м·К) [1, рис. Х, стр.561].

Подставляя данные в формулу (73), получим

В условии ≤ 10 d = 0,021 м (внутренний диаметр труб), L = 3 м [1, табл. 4.12, стр. 215], отсюда

Так как условие ≤ 10 выполняется, то значение Nu определяют по уравнению

Подставляя полученные данные в формулу (70), получим

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

(73)

где α1 = 49, α2 = 52 – коэффициенты теплоотдачи, соответственно, для газовой смеси и воды, ;

∑rст– термическое сопротивление стенки и загрязнений, м2·К/Вт.

Термическое сопротивление стенки и загрязнений определяется по формуле

(74)

где == 5800 – тепловая проводимость загрязнений стенки, Вт/(м2·К) [1, табл. ХХХI, стр.531];

δст = 0,002 – толщина стенки, м;

λст = 46,5 – коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·К) [1, табл. XXVIII, стр.529].

Подставляя данные в формулу (74), получим

Подставляя полученные данные в формулу (73), получим

Рассчитаем плотность теплового потока по формуле

(75)

где - коэффициент теплопередачи,;

Δtср = 27 – средняя разность температур, К.

Подставляя данные в формулу (75), получим

Расчет площади поверхности теплопередачи.

Площадь поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле

(76)

где Q = 85990 – расход теплоты, Вт;

плотность теплового потока, Вт/м2.

Подставляя данные в формулу (76), получим

С запасом 10%

Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79). Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб

Необходимое число аппаратов

Примем N = 1. Запас поверхности составляет при этом

Гидравлическое сопротивление теплообменника в межтрубном пространстве рассчитывается по формуле

, (77)

где - коэффициент теплопроводности газовой смеси, Вт/(м·К);

n = 1 – число ходов;

L = 3 – длина одного хода, м;

- скорость газа в межтрубном пространстве, м/с;

ρ1 = ρсм = 1,072 – плотность газовой смеси при t = 52ºC, кг/м3.

dэ – наружный эквивалентный диаметр трубопровода, м;

∑ζ= 5 – сумма коэффициентов местных сопротивлений [1, стр. 26].

Наружный эквивалентный диаметр трубопровода рассчитывается по формуле

, (78)

где D = 1000 – внутренний диаметр кожуха, мм2;

n = 747 – число труб;

d = 25 – наружный диаметр труб, мм.

Подставляя данные в формулу (78), получим

Коэффициенты местного сопротивления

Вид сопротивления	ζ	∑ζ
Вход в межтрубное пространство и выход из него Поворот на 900 в межтрубном пространстве	1,5 1,0	1,5·2 = 3 1,0·2 = 2 5

Подставив данные в формулу (77), находим гидравлическое сопротивление теплообменника

.