2.5. Расчет насадочного абсорбера.

Абсорбционные методы санитарной очистки газов основаны на способно­сти жидкостей растворять газы. В процессе абсорбции участвуют две фазы – жидкая и газовая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую.

Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорб­ции, называют абсорберами.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов полу­чили колонные аппараты, заполняемые насадкой. Контакт газа с жидкостью в таких аппаратах происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость.

Насадочный абсорбер выполнен в виде цилиндра, в нижней части кото­рого установлена опорная решетка. На решетку укладывают насадку. Орошаю­щая жидкость подается на насадку сверху с помощью специальных ороситель­ных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа, от­вода жидкости. Штуцера для подачи жидкости и отвода газа расположены в верхней части аппарата.

От правильного выбора типа насадки и ее укладки завися гидравлический режим и эффективность работы абсорбера. Наибольшее применение получила цилиндрическая кольцевая насадка – кольцо Рашига, представляющая собой тонкостенные тела, наружный диаметр которых обычно равен высоте.

Количественная оценка компонентов

Определяем объемные начальные и конечные концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси по формулам:

V=V₁*3600=1,73*3600= 6228 (м3/ч)

Мг.к = Свх * V = 17,8*10^-3 * 6228 = 110,85 (кг/ч);

Vг.к. = Мг.к. / ρ_гк =110,85 / 1,17 = 94,74 (м³/ч);

Ун = (Vг.к. / V) * 100= (94,74/6228)*100 = 1,52 (%);

Ук = Ун * (1-η) =1,52*(1- 0,96)= 6(%).

Определяем количество инертного газа и кислорода, поступающего в абсорбер, из уравнения:

где B_i=R/μ_i – удельная газовая постоянная, зависящая от молекулярной массы газа;

R – универсальная газовая постоянная. R=8.31*10³ Дж/(кмоль*град);

М_гк,V_гк- масса и объем газового компонента соответственно;

ρ_гк- плотность извлекаемого газового компонента.

Определяем удельные газовые постоянные:

B_{ацетилена} = 8.31*10³/ 26,08 = 318,63

B_ин.г = 8.31*10³/ 28,98 = 286,7

Определяем парциальное давление кислорода (компонента газа) на входе в абсорбер:

^PВ_{Хацетилен}а= P*_УН=10.133*1⁰4*0,06=6079 Па (2.5.1)

Определяем парциальное давление инертного газа:

^PВ_Хин.г =P(1-_УН)=10.133*1⁰4*(1-0,06)= 95250,2 Па (2.5.2)

М^ВХ_ин.г =10.133*10⁴*6228/(286.7*303)=729 кг/ч;

М^ВХ_ацетил=10.133*10⁴*6228/ (318,63*303)= 6605 кг/ч;

Концентрация кислорода в поступающем газе, в килограммах на 1 кг инертного газа составит:

= М^ВХ_ацетил/М^ВХ_ин.г =729/6605 = 0,11 кг/кг (2.5.3)

Концентрация SO₂ в газе на выходе, в килограммах на 1 кг инертного газа, рассчитывается по формуле:

(2.5.4)

где Р^вых_ацетил= 10.133*10⁴*0,0045 = 455,99 Па

P_P – парциальное давление растворителя, Па

Для воды при 30ºС P_P=4238.94 Па

Тогда =455,985*26/((101330-455,985-0,0045)*29.98) = 0,0039кг/кг (Па)

(2.5.5)

Содержание кислорода в уходящем поглотителе на 1 кг раствора составит: М_ацетил=М^ВХ_ацетил*η; (2.8.1)

М_ацетил=6605*0.96=6340,8 кг/ч

L_д = 2,5* М^вх_ин.г = 2,5 * 729 = 1822,5

Х_к = М_ацетил/ L_д = 26/1822,5 = 0,014

^*=0.0028 кг/кг).

Тогда минимальный расход поглотительного раствора составит:

L_min= М_SO2/ ^*; (2.8.2)

L_min=734.28/0.0028=262242.86 кг/кг

Удельный расход поглотителя:

l=( )/( )=(0,99-0,0052)*(0,27-0)=3,65 (кг/ч) (2.5.7)

По уравнению m_xy=m_px/P определяется константа фазового равновесия, принимая во внимание, что m_xy=У^*/X, где выражения концентраций представлены в мольных долях (Х=0,000043).

m_px=481 Па – константа фазового равновесия кислорода.

где Р*= m_px* Х=481*0,000043=0,021 Па.

0,021/101330 = 0,21*10^-6

Строим график линии равновесия:

Из графика видно, что:

=0,99-0,21*10^-6=0,99 (кг/кг) (2.5.8)

=0,0052 (кг/кг)

Находим среднюю движущую силу процесса:

(кг/кг) (2.5.9)

Число единиц переноса:

. (2.5.10)

Конструктивные параметры абсорбера

В качестве насадки выбираем кольца Рашига размером 15х15х2 мм.

Характеристики насадки:

а - удельная поверхность, а = 60 м²/м³;

ε- свободный объем, ε = 0,72 м³/м³;

dэ - эквивалентный диаметр = 0,048 м;

ρ - насыпная плотность ρ=670 кг/м³;

число штук в кубическом метре - 1050.

Плотность смеси воздуха и ацетилена:

(2.5.11)

(729*1,29+6605*1,17)/(729+6605) =1,18 кг/м³.

Плотность и вязкость жидкости

=999 кг/м³; =0,0008 Па*с

Площадь сечения абсорбера определяется из условия скорости к свободному сечению аппарата =1 – 2 м/с. Принимаем =1.75 м/с.

S_a = + /3600* * ρ_г=

729+6605/3600*1,75*1,17= 1,0004 м² (2.5.12)

Диаметр аппарата:

(м) (2.5.13)

D_a = (4*S_a/ ) = (4*1,0004/3,14) = 1,13

Определяем высоту единицы переноса (ВЕП):

- для газовой фазы:

h_Г=0,615*d_Э*Re_Г^0,345*Pr^2/3 (2.5.14)

h_Г=0,615*0,048*7083,3^0,345*

- жидкой фазы:

h_ж=119*Q_прив*Re_ж^0,25*Pr^0,5 (2.5.15)

Где приведенная толщина пленки жидкости;

Q_прив=(μ_ж/ρ_ж²*g)^1/3=(0,0008/999²*9,8)^1/3=4,34*10^-4 (2.5.16)

где ρ_ж=999 кг/м³; μ_ж=0,0008 Па*с.

Коэффициент диффузии кислорода в газе-носителе (воздухе) при 20°C определяется по формуле:

где D₀ – коэффициент диффузии кислорода в воздухе при P=10⁵ Па и 0 ºС (D₀=0,175*10^-4 м²/с=0,063 м²/ч),

Т – абсолютная температура газа, (303 ºС);

Т₀ – температура, при которой определен коэффициент диффузии (273 ºС).

Критерий Рейнольдса для газа:

(2.5.17)

где =G_m/(3600*S_a); = 7334/(3600*1,0004) = 2,04

Re_г=4*2,04/60*19,2*10^-6 = 8,16/0,001152 = 7083,3

G_m=M_ИН^ВХ+M_SO2^ВХ=729+6605=7334 (кг/ч)

μ_г=19,2*10^-6

Критерий Рейнольдса для жидкой фазы:

(2.5.18)

=0,0008 Па*с, L_д = 1822,5;

=L_Д/(3600*S_a)=1822,5/(3600*1,0004)= 3,56 кг/м² с

= 4*3,56/60*0,0008 = 296,6

Коэффициент диффузии ацетилена в жидкой фазе при 20°C определяется по формуле:

=0,00208*10⁶*[1+0,179(30-20)]=0,00245*10⁶ (2.5.19)

Диффузионный коэффициент Прандтля для газа:

(2.5.20)

Pr_Г=μ_Г/(ρ_Г*D_Г)

Pr_Г=1,74*10^-5/(1,3*13,15*10^-5)=0,102

Диффузионный коэффициент Прандтля для жидкой фазы:

(2.5.21)

Высота единицы переноса по формуле 4.5.14 и 4.5.15:

- для газовой фазы: h_Г=0,615*0,048*8282^0,345*0,0013^2/3 =0,008 (м)

- жидкой фазы: h_ж=119*4,34*10^-4 * 249,17^0,25*359,54^0,5 =3,89 (м)

Суммарная высота единицы переноса:

(2.5.22)

где У_Г и У_Ж – коэффициент ухудшения массоотдачи в газовой и жидкой фазах, находятся в пределах У_Г=0,85÷0,97; У_Ж=0,9÷0,995. Принимаем У_Г=0,97; У_Ж=0,995.

Высота насадки составляет:

(2.5.23)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой примем 1.15 D_a. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера примем 0.5 D_a. Тогда общая высота абсорбера составит:

(м) (2.5.24)

Гидравлическое сопротивление сухого аппарата:

(2.5.25)

где при Rе > 40 ε₀=16/Re_Г^0,2 ε₀=16/8282^0,2 =2,63

ω_К–действительная скорость газа в абсорбере

ω_К =ω_Г/ε= 2,38/0,72=3,30м/с.

(Па)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

(2.5.26)

β*10³ – керамические кольца Рашига.

L_ОР – плотность орошения

м³/(м²*ч).

(Па)

Общее гидравлическое сопротивление составляет:

(Па) (2.5.27)

Эффективность абсорбера:

.