Расчет абсорберов

4.1. Расчет насадочных абсорберов

Целью расчета насадочных абсорберов является: определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопро­тивления аппарата.

Расчеты характеристик насадочных абсорберов выполняют в следующем порядке.

1. Определяют количество ингредиентов отбросных газов, составляют материальный баланс, определяют начальные и конечные концентрации загрязнителей в обеих фазах, расход поглотителя.

2. Строят графики равновесной и рабочей линии процесса, для чего вначале концентрации улавливаемого вещества выражают в долях от количества постоянных компонентов - инертной части газового потока по газовой фазе и чистого поглотителя по жидкой фазе. Затем по опытным данным строят равновесную и рабочую линии процесса абсорбции.

В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которая при равновесии системы называется равновесной.

Очевидно, что любой концентрации X соответствует равновесная концентрация Y*, и наоборот, любой концентрации Y соответствует равновесная концентрация Х*, т.е.

В состоянии равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доли в растворе:

или растворимость газа в жидкости при данной температуре пропорционально его парциальному давлению над жидкостью:

,

где E - коэффициент пропорциональности называемый константой Генри; p_A* - парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию x_A (в мол. долях); x_A* - концентрация газов в растворе (в мол. долях), равновесная с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно p_A.

Рис. 19. Колонна с колпачковыми тарелками.

Рис. 20. Колонна с ситчатыми тарелками (с двумя зонами контакта фаз).

Рис. 21. Колонна с ситчато-клапанными тарелками.

При отсутствии опытных данных можно составить уравнение равновесного распределения поглощаемого компонента в жидкой и газовой фазах по давлению насыщенного пара этого вещества, считая разбавленные растворы идеальными и подчиняющимися закону Рауля. Например, известно, что упругость паров толуола при 20°С составляет около 3000 Па. Отсюда равновесную концентрацию толуола в газовой фазе у* можно приближенно находить по его содержанию в жидкой фазе х из соотношения:

у* = (3^.10³/1,01^.10⁵)x = 0,0296^.x,

где у и х выражены в мольных долях.

3. Определяют движущую силу массопередачи. Движущие силы подсчитывают по концентрациям загрязнителей в газовой и жидкой фазах на входе в абсорбер и выходе из него как разность между действительной концентрацией загрязнителя в рассматриваемой фазе и равновесной с контактирующей фазой (последнюю находят по линии равновесия или по конкретному уравнению линии равновесия).

Средние движущие силы процесса абсорбции подсчитывают, исходя из модели идеального вытеснения, по выражению:

ΔY_ср = (ΔY_б – ΔY_м)/ln(ΔY_б/ΔY_м),

или

ΔX_ср = (ΔX_б – ΔX_м)/ln(ΔX_б/ΔX_м)

где Y_б(м), Х_б(м) - большие (меньшие) движущие силы процесса соответственно по газовой и жидкой фазам.

4. Определяют рабочую скорость газового потока. Тип насадки подбирают исходя из условий обеспечения достаточной площади поверхности массоотдачи, коррозионной стойкости, прочности, долговечности, приемлемого перепада давления в колонне, стоимости, других факторов.

Рабочую скорость газа w принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки.

Скорость газа при захлебывании вычис­ляют из уравнения

,

где w₀ - скорость газового потока при захлебывании, м/с; f - удельная поверхность насадки, м²/м³; ρ_г - плотность газа, кг/м³; ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³; ε_с - свободный объем насадки, м³/м³; g = 9,8м/с²; μ_ж - вязкость жидкости, мПа^.с; μ_ж - вязкость стандартной жидкости (воды), мПа^.с; G, L - расход газа, жидкости, соответственно, кг/ч (кг/с); А, В - коэффициенты, принимаются в зависимости от типа насадки (приложение 5). Значения μ_ж, ρ_г, ρ_ж принимаются по параметрам среды в абсорбере.

На практике обычно работают вблизи точек подвисания. Рабочую скорость газа w_г принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки:

w_г = (0,75…0,9)w₀. ()