4.2. Расчет тарельчатых абсорберов

Технологический расчет, целью которого является определение исходных данных для высоты колонны и гидравлического расчета тарелок, производится так же, как и при расчете насадочных колонн.

Гидравлический расчет включает в себя определение диаметра колонны (тарелки), расстояния между тарелками, конструкционных параметров и сопротивления тарелок. Гидравлический расчет ориентирован на стандартизованные тарелки (до 4,0 м).

Исходные данные: нагрузка по жидкости L, кг/с, или L_V, м³/с; нагрузка по пару (газу) G, кг/с, или G_V, м³/с; плотность жидкости _ж, кг/м³; плотность пара (газа) _г, кг/м³; поверхностное натяжение , мН/м; коэффициент снижения нагрузки К₃, коэффициент повышения нагрузки К₄, коэффициент вспениваемости системы К₅, допустимое гидравлическое сопротивление тарелки Р_Д, МПа; диаметр отверстий ситчатого полотна или эквивалентный диаметр отверстий решетчатой тарелки d_о, м; исходная глубина барботажа , м.

Диаметр тарелки необходимо выбирать из следующего стандартного ряда (м): 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; (4,5; 5,0; 5,5; 5,6; 6,0; 6,3; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,5; 10,0 – нестандартные тарелки).

Диаметр отверстия ситчатой тарелки d_o принимать равным 0,005 м в случае работы со средами без механических примесей, инкрустаций и прочих загрязнений, а также при коррозионной активности разделяемой смеси. При наличии загрязнений и некоррозионных либо слабо коррозионных сред диаметр отверстия сита d_о принимать равным 0,008 м.

Для тарелок каждого типа определено максимальное расстояние между тарелками Н = 0,6 м. Применение больших расстояний между тарелками допускается в области расположения люков колонного аппарата. В исключительных случаях (при необходимости использования высоты сливного порога более 0,1 м, в колоннах, работающих под глубоким вакуумом, при разделении сильнопенящихся систем) допускается использование расстояний между тарелками более 0,6 м в соответствии с рядом (м): 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 0,90; 1,00; 1,20.

Расстояние между тарелками Н (м) следует выбирать из стандартного ряда: для ситчатых, ситчато-клапанных, клапанных и колпачковых тарелок 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; для жалюзийно-клапанных тарелок 0,4; 0,45; 0,5; 0,6; для решетчатых тарелок 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,6.

Диапазон устойчивой работы тарелки определяется из соотношения DIP = K₄/K₃. Расчетное значение диапазона устойчивой работы не должно превышать: для колпачковой - 4,5, для ситчатой тарелки - 2, для клапанной - 3,5, для ситчато-клапанной - 3,5, для жалюзийно-клапанной - 4,5, для решетчатой - 2.

Если расчетное значение диапазона устойчивой работы тарелки превышает указанные значения, необходимо изменить коэффициенты увеличения или уменьшения нагрузки (K₄ и K₃) в сторону уменьшения их соотношения и повторить расчет. Если изменения недопустимы, прекратить расчет, выбрать тарелку другого типа с большим диапазоном устойчивой работы.

Расчеты тарельчатых абсорберов могут выполняться в следующем порядке:

1. Определяют состав и расход отбросных газов, составляют материальный баланс.

2. Строят равновесную и рабочую линии процесса, определяют расход поглотительной жидкости.

3. Определяют движущую силу процесса.

В оценочных расчетах при низких концентрациях поглощаемых компонентов пренебрегают продольным перемешиванием жидкости и газа, уносом, ступенчатостью процесса и другими факторами. Для вычисления средней движущей силы процесса используют модель идеального вытеснения и те же соотношения, что и в предыдущем случае.

4. Определение оптимальной скорости газового потока в колонне и высоты монолитного слоя жидкости и газожидкостного слоя (пены).

4.1. 1-й вариант расчета.

Вид уравнения для нахождения оптимальной скорости газового потока зависит от типа тарелки, конструкцию которой подбирают исходя из технико-экономических и других соображений.

Для провальных конструкций тарелок оптимальную скорость рекомендуется определять по соотношению:

,

где - свободное сечение тарелки, м²/м²; - коэффициент, равный 3 для нижнего и 10 для верхнего пределов нормальной работы тарелки.

В процессе эксплуатации возможны значительные колебания расхода газа. Поэтому рекомендуется принимать средние значения коэффициента .

Для ситчатых тарелок скорость газового потока определяют по уравнению:

Для колпачковых тарелок предельную скорость рекомендуется определять по уравнению:

где - диаметр колпачка, м; - расстояние между тарелками за вычетом высоты колпачка h_к, м.

По скорости газа , м/с, и объемному расходу газовой смеси , м³/с, подсчитывают диаметр колонны абсорбера. Затем выбирают ближайший диаметр из нормализованного ряда колонн (приложение ) и определяют рабочую скорость . Для провальных тарелок по уточненной скорости пересчитывают принятое ранее значение :

.

Высоту светлого (неаэрированного) слоя жидкости на тарелке , м, можно найти из выражения:

,

где - газосодержание (“порозность”) слоя жидкости на тарелке, м³/ м³; - высота газожидкостного слоя (вспененной жидкости), м.

Для провальных тарелок высоту вcпененной жидкости определяют из выражения:

,

где - критерий Фруда; - скорость газового потока, вычисленная по свободному сечению тарелки, м/c.

Плотность орошения провальных тарелок без переливных устройств можно подсчитать по соотношению:

.

Газосодержание барботажного слоя провальных тарелок находят по выражению

.

Для барботажных тарелок других конструкций:

,

где критерий Фруда подсчитывается по рабочей скорости газового потока в колонне , м/с.

Для колпачковых тарелок предлагается находить из выражения:

,

где - высота переливной перегородки, м.

Линейная плотность орошения , м³/c, подсчитывается следующим образом:

где - объемный расход жидкости, м³/с; l – периметр слива (длина переливной перегородки), м.

Для ситчатых тарелок высота равна:

.

Показатель степени n в этом уравнении может изменяться в пределах (0,05 - 4,6)h₁, а высота сливной перегородки h₁ - в пределах 0,015...0,04 м. Значение коэффициента динамической вязкости поглотителя _ж принимают в мПа с, а поверхностное натяжение поглотителя _ж, и стандартной жидкости _в (воды при t = 20°C) - в мН/м.

4.2. 2-й вариант расчета.

Допустимая скорость пара в колонне с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, ситчато-клапанными тарелками w_д, м/с:

где .

Для жалюзийно-клапанной тарелки допустимую скорость пара (газа) в колонне можно рассчитать по соотношению

.

Значение допустимого фактора паровой (газовой) нагрузки F_д тут следует принимать равным 3,8 кг^0,5/(м^0,5  с).

Для решетчатой тарелки w_д = 0,17 А₁.

По скорости газа , м/с, и объемному расходу газовой смеси , м³/с, подсчитывают диаметр колонны абсорбера.

Расчетный диаметр тарелки D, м:

,

где G_V = G/ _г - объемная нагрузка по пару (газу), м³/с.

Из стандартного ряда диаметров принять ближайший к D больший диаметр тарелки. Если расчетный диаметр тарелки D > 4,0 м, то расчет прекращают, так как стандартной тарелки такого диаметра не существует. Для решетчатой тарелки расчет прекращают при D > 3,0 м. В этом случае принимают решение о применении двух или более параллельно работающих колонн меньшего диаметра.

Принять минимально возможное при данном диаметре D расстояние между тарелками Н. Выбрать по таблице 5 величину периметра слива l₂ и относительное сечение перелива S₂ для соответствующего типа тарелок (см. таблицы приложения).

Относительное рабочее сечение тарелки:

.

Допустимая скорость пара (газа) в рабочем сечении ситчатой, клапанной, ситчато-клапанной, жалюзийно-клапанной тарелки, м/с:

,

где К₂ = 0,549^{. 0,2} - коэффициент, зависящий от поверхностного натяжения.

Таблица 5.

Данные для определения l₂ и S₂

D, м	Периметр слива l2, м			Относительное сечение перелива S2, %
	Для исполнения ISP
	0	1	2	0	1	2
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,.4 3,8 4,0	0,306 0,460 0,592 - - - - - - - - - - - - - -	- - - 0,570 0,720 0,860 0,910 1,050 1,190 1,240 1,575 1,545 1,575 1,760 1,885 2,260 2,220 2,550	- - - - 0,885 1,135 1,280 1,520 1,660 1,850 2,015 2,250 2,385 2,630 2,770 3,110 3,340 3,410	3,81 4,30 4,30 - - - - - - - - - - - - - - -	- - - 4,60 5,50 5,65 4,37 4,83 5,09 4,21 7,01 4,10 4,20 4,80 4,80 5,90 4,70 6,30	- - - - 10,35 15,20 14,40 17,68 16,71 17,60 18,50 19,40 18,35 20,10 18,65 19,10 21,10 17,90

Коэффициент нагрузки B₁ находят в зависимости от величины комплекса А₂ по табл. 6:

.

Для колпачковых тарелок допустимая скорость пара (газа) в рабочем сечении тарелки, м/с:

.

Если K₄^.w > w_д^.S₁, то необходимо увеличить расстояние между тарелками в пределах возможного при данном диаметре D и пересчитать допустимую скорость в рабочем сечении тарелки. Если увеличить расстояние между тарелками невозможно, увеличить диаметр тарелки и повторить расчет.

Таблица 6.

Значения коэффициента B₁

Комплекс A2	B1 в зависимости от расстояния между тарелками H, м
	0,20	0,30	0,35	0,40	0,45	0,50	0,60
0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 2,000	0,021 0,021 0,021 0,023 0,024 0,024 0,025 0,026 0,026 0,028 0,033 0,038 0,040 0,043 0,043 0,043 0,043 0,042 0,041 0,036 0,031 0,029 0,027 0,025 0,023 0,022 0,020 0,019 0,012	0,036 0,035 0,035 0,036 0,037 0,038 0,039 0,039 0,040 0,041 0,048 0,055 0,058 0,060 0,060 0,060 0,060 0,059 0,058 0,051 0,045 0,041 0,036 0,033 0,030 0,027 0,025 0,023 0,012	0,042 0,041 0,042 0,042 0,043 0,044 0,045 0,046 0,046 0,047 0,055 0,063 0,065 0,067 0,067 0,067 0,066 0,066 0,065 0,057 0,050 0,045 0,040 0,036 0,033 0,030 0,027 0,025 0,013	0,046 0,045 0,047 0,047 0,048 0,049 0,050 0,057 0,052 0,053 0,063 0,069 0,072 0,074 0,075 0,075 0,074 0,074 0,073 0,064 0,057 0,051 0,045 0,039 0,036 0,033 0,030 0,027 0,014	0,054 0,053 0,053 0,054 0,055 0,056 0,057 0,058 0,059 0,060 0,069 0,075 0,080 0,081 0,081 0,081 0,080 0,079 0,078 0,068 0,061 0,055 0,048 0,042 0,038 0,034 0,032 0,029 0,015	0,058 0,058 0,059 0,060 0,061 0,062 0,063 0,064 0,065 0,066 0,077 0,085 0,088 0,089 0,088 0,087 0,086 0,085 0,084 0,073 0,065 0,059 0,052 0,046 0,042 0,038 0,035 0,033 0,018	0,071 0,070 0,071 0,072 0,073 0,074 0,075 0,077 0,078 0,079 0,091 0,097 0,100 0,101 0,101 0,101 0,100 0,099 0,098 0,087 0,077 0,069 0,060 0,053 0,048 0,043 0,040 0,037 0,019

Удельная нагрузка на единицу длины периметра слива для тарелок всех типов, м³/(мс):

; .

Если нагрузка на единицу длины периметра слива > 0,017 при ISP = 0 или ISP = 2, то необходимо увеличить диаметр тарелки. Если > 0,017 при ISP = 1, принять тарелку с большим относительным сечением перелива, соответствующую ISP = 2, и пересчитать допустимую скорость пара в рабочем сечении тарелки. Если  0,0017, вычислить подпор жидкости над сливным порогом, м:

и вести расчет дальше.

Если < 0,0017, использовать зубчатую сливную планку и вычислить подпор жидкости над сливным порогом по уравнению

.

Высота газожидкостного слоя на тарелке, м:

.

Минимальную глубину барботажа h_б принять равной h_д (табл. 7).

Таблица 7.

Рекомендуемые значения глубины барботажа

Параметр процесса	hб, м
Вакуумная колонна (рабочее давление 0,004–0,025 МПа) Атмосферная колонна (рабочее давление 0,025–0,30 МПа) Колонна под средним давлением (0,30–0,65 МПа) Колонна под повышенном давлении (свыше 0,65 МПа)	0,030 0,050 0,075 0,100

Для колпачковых тарелок высота газожидкостного слоя

.

Если диаметр тарелки менее 3,4 м, принять высоту прорези капсульного колпачка h₃ равным 0,02 м. При наличии загрязнении в разделяемой среде, установить капсульные колпачки с зазором h₄, выбранным по следующей зависимости:

D, м 0,4 0,6-1,0 1,2-3,2 3,4-4,0

h₄, м 0,007 0,01 0,014 0,018

Если загрязнений нет, принять h₄ = 0.

Высота сливного порога, м:

h₇ = h₂ - h₁.

Если h₇ < 0,015, принять h₇ = 0,015 м.

Для колпачковых тарелок, если h₇ < 0,02, принять h₇ = 0,02.

Для жалюзийно-клапанных тарелок высоту сливного порога h₇ принять равной величине исходной глубины барботажа .

Динамическая глубина барботажа (в метрах) для колпачковых тарелок

;

,

где h₇ - градиент уровня жидкости на тарелке (число рядов колпачков т выбирают по табл. приложения).

Для ситчатых, ситчато-клапанных и клапанных тарелок динамическая глубина барботажа

.

Минимально допустимая скорость пара (газа) в свободном сечений ситчатого полотна (в том числе и ситчатой тарелки), м/с:

.

Коэффициент, зависящий от глубины барботажа,

.

Минимально допустимая скорость пара (газа) в свободном сечении колпачковой тарелки, м/с:

.

Минимально допустимая скорость пара (газа) в свободном сечении клапанов, м/с:

; ,

где - нагрузка по жидкости на единицу площади тарелки, м/с.

Минимально допустимая скорость пара (газа) в свободном сечении жалюзийно-клапанных тарелок, м/с:

.

Расчетное относительное свободное сечение ситчатого полотна (в том числе и ситчатой тарелки), %:

.

В зависимости от исполнения тарелки и диаметра отверстий ситчатого полотна по табл. приложения выбрать ближайшее к f₁ стандартное относительное свободное сечение тарелки f₃ и шаг между отверстиями t. Принять рабочее относительное свободное сечение тарелки f₅ равным стандартному f₃.

Расчетное относительное свободное сечение клапанов, %:

Максимальная скорость в свободном сечении клапанов, м/с:

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления клапанов, принять равным 4,7; ζ - коэффициент гидравлического сопротивления технологических зазоров клапанов (для ситчато-клапанных тарелок в первом приближении можно принять равным 1,6, а для клапанных тарелок = 215).

Для ситчато-клапанной тарелки при f₂  4,35 принять тарелку модификации А, при f₂ < 4,35 - модификации Б. В зависимости от модификации и исполнения ситчато-клапанной тарелки, а также от величины диаметра отверстия сита d₀ по табл. приложения выбрать ближайшее меньшее к f₁ стандартное относительное свободное сечение ситчатого полотна f₆ и шаг между отверстиями t. Стандартное относительное сечение клапанов f₄ выбрать по табл. приложения. Если не найдено ближайшее меньшее к f₁ значение стандартного относительного свободного сечения f₆, а также если ISP = 2 или ISP = 0, прекратить расчет: ситчато-клапанная тарелка не пригодна по сечению отверстий сита. Если ISP = 1, принять ISP = 2, выбрать новые значения периметра слива l₂ и относительного сечения перелива S₂ и повторить расчет.

Исполнение колпачковой, клапанной и жалюзийно-клапанной тарелок определяется коэффициентом запаса сечения тарелки, %:

.

Для колпачковых тарелок расчетное число колпачков КР определяют при 0,7 K₁ < 1,0. Если K₁ < 0,7, прекратить расчет: тарелка не удовлетворяет по степени перекрытия капсульных колпачков, стандартная конструкция неприменима.

Скорость пара в прорезях капсульного колпачка, м/с:

,

где S₃ - площадь прорезей колпачка, определяемая по табл. .