3. Расчет теплообменника.

3.1. Уравнения теплового баланса и теплопередачи:

Q = G_г·С_pг·(t_нг – t_кг) = G_в·C_pв (t_вк - t_вн) = К·F·t_cр, (3.1)

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·град;

F – поверхность теплообмена, м²;

t_cр – средний температурный набор, °C, определяется по уравнению:

t_cр = (t_б –t_м)/(ln(t_б/t_м))

t_cр = 53,27(°C).

t_м = t_кг - t_вн = 30 – 15 = 15 °C.

t_в = t_нг - t_вк = 220 – 90 = 130 °C.

С_pг = 1,0 кДж/кг·град – удельная теплоемкость газа;

С_pв = 4,18 кДж/кг·град – удельная теплоемкость воды.

t_нг = 220°C – температура входящего газа;

t_кг = 30°C – температура выходящего газа;

t_вк = 90°C – температура воды на выходе;

t_вн = 15°C – температура воды на входе.

K= 1/((d_н/_в·d_в) + ((1/)·(ℓn(d_н/d_в)) + (d_в/_н·d_н)) , (3.2)

где  - коэффициент теплоотдачи от ядра потока, движущейся среды к стенке:

_в = 450 Вт/м²·град; _н = 2500 Вт/м²·град;

 - коэффициент теплопроводности,  = 25 Вт/м·град;

d_н = 0,018 м - наружный диаметр трубки;

d_в = 0,014 м - внутренний диаметр трубки.

3.2. Количество теплоты из уравнения (2.6.1):

Q = G_г·С_pг·(t_нг – t_кг),

где G_г = V₁·_г – расход газа;

G_г = 0,253·1,25 = 0,316 (кг/с)

Q = 0,316·1·(220 – 30) = 60,04 (кДж/с)= 60,04 кВт.

3.3. Расход воды из уравнения (3.1):

G_в = Q/C_pв·(t_вк - t_вн),

G_в = 60,04/4,18·(90 - 15) = 0,19 (кг/с).

K= 1/((0,018/450·0,014) + ((1/25)·(ℓn(0,018/0,014)) + (0,014/2500·0,018)) = 76,92. (3.3)

3.2. Поверхность теплообмена, м²

F = Q/K·t_ср, (3.4)

F = 60040/4,18·75 = 14,65 (м²)

Из опыта известно, что при таком расположении трубок коэффициент заполнения равен площади, занимаемой трубным пучком.

_з = S_тр/S₁ = 0,82, (3.5)

где _з – коэффициент заполнения;

S₁ – площадь, занимаемая трубным пучком;

S_тр – площадь сечения теплообменника.

_з = πd_н²·n/πD²/4→ _з =d_н²·n/ D²→ n= D²·_з/ d_н²,

где D = 1 м – диаметр теплообменника

n – количество трубок

S_тр =πd_в² n/4

n = S_тр·4/ πd_в²

n = 0,05·4/3,14·(14·10^-3)² = 333

W_г=V/ S_тр

W_г =0,253/5 =0,05 (м²)

Откуда:

0,7 ≤ _з ≤ 0,82→ _з = 0,72

Длина теплообменника:

l = F/(π·d_н·n), (м) (3.6)

l = 14,65/(3,14·0,018·333) = 0,8 (м).

Ширина крышки:

H = 0,3·D, (м) (3.7)

H = 0,3·0,387 = 0,116 (м).

Общая длина теплообменника:

L = 2H + l, (м) (3.8)

L = 2·0,15 + 1,1 = 1,4 (м).

4. 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, а при десорбции, наоборот, - из жидкой в газовую фазу. Таким образом, абсорбция – это процесс выделения газа из жидкости. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или абсортивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, или инертным газом. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем, поглотителем или, абсорбентом. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберами.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).

При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается химической реакцией.

При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

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 внавал или правильными рядами 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. Жидкость, подаваемая сверху, имеет тенденцию растекаться к периферии. При этом насадка в центре аппарата остается не смоченной, образуя так называемый сухой конус. Для равномерного стекания жидкости по насадке ее укладывают правильными рядами по всей высоте аппарата, уменьшая размер насадки снизу вверх. Для этой же цели насадку разбивают на секции, между которыми устанавливают перераспределительные устройства для жидкости.

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. Насадку чаще всего изготовляют из керамики или фарфора, реже – из металлов, углеграфитовых и пластических масс.

Орошение насадок оказывает решающее влияние на эффективность работы насадочных абсорберов. Существует большое количество устройств для орошения насадок.

Орошение насадок может производиться с помощью компактных и раздробленных струй. Компактные струи обеспечивают неразбрызгивающие оросители. Их применяют при небольших расходах жидкости и когда недопустим большой брызгоунос.

Трубчатые распределители жидкости наиболее просты по конструкции. Их, как правило, применяют в колоннах малого диаметра. В данном случае выбираем трубчатый распределитель с двукольцевым коллектором.

Распределительные плиты обеспечивают равномерное распределение жидкости по торцу насадки. В данном случае используем гладкую перфорированную распределительную плиту.

Исходные данные.

Необходимо спроектировать насадочный абсорбер для очистки газа от диоксида азота раствором Ca(OH)₂ при следующих условиях: V_г = 2200 м³/ч; t_г = 30°C.

4.1. Начальная концентрация NO₂ в газовой смеси по объему y_н = V_гк100/V= 16%, где V_гк= М_гк/ρ_гк = С_вхV/ρ_гк = 1,82/1,25 = 1,46 м³/ч, конечная концентрация y_к = y_н(1-) = 0,16(1-0,773) = 0,036% по объему; температура раствора Ca(OH)₂, подаваемого на орошение - 30°C. Процесс протекает при атмосферном давлении: Р = 10,133·10⁴ Па.

4.2. Количественная оценка компонентов, участвующих в процессе.

4.2.1. Определяем количество инертного газа, и диоксида серы, поступающего в абсорбер из уравнения:

М_ин.г^вх = Р^вхV/B_ин.гT (4.1)

М_ин.г^вх =10,133· 10⁴·910/286,7·303=1061,4

где B_ин.г = R/_{i ин.г} = 83100/28,98 = 286,7 (Дж/гград)– удельная газовая постоянная, зависящая от молекулярного веса газа;

4.2.2. Определяем парциальное давление компонента на входе в абсорбер.

PNO₂^вх = P^вх·y_н, (Па) (4.2)

PNO₂^вх =10,133·10⁴·0,16 =151,99

4.2.3. Определяем парциальное давление инертного газа на входе в абсорбер

Pин.г^вх = P^вх(1 - y_н), (Па) (4.3)

Pин.г^вх = 10,133·10⁴ (1 – 0,16) = 101127,34 (Па).

4.2.4. Определим удельные газовые постоянные.

Bин.г = R/μ_i; B₂ NO₂ = R/μ_i(NO₂), (Дж/кг·K) (4.4)