книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

Величина а — постоянная, зависящая от диаметра колец насадки:

Рассчитав частные коэффициенты массоотдачи ßr и рж, можно оп­ ределить общий коэффициент массопередачи. Если движущая сила процесса вычисляется по концентрациям газовой фазы и имеет раз­ мерность [кг/кг], общий коэффициент массопередачи вычисляют по формуле (12-15). Он равен

l/ßr + r[)/ß>K

Если движущая сила массопередачи рассчитана по концентрациям жидкой фазы (кг!кг), общий коэффициент массопередачи по формуле

(12-19) равен

Общая высота единицы переноса, отнесенная к газовой фазе, по формуле (12-25) равна h0 г= /гг + ^ -/гж • Соответственно для жидкой

фазы получим /і0 ж = — /гг+ /іж.

Ф

В режиме эмульгирования общий коэффициент массопередачи может быть определен по уравнению

Остальные обозначения прежние.

Расчет насадочных абсорберов

При расчете насадочного абсорбера определяется его диаметр и рабочая высота насадки.

По заданным начальной концентрации компонента в газовой смеси Ух и эффективности его поглощения т] определяется конечная концен­ трация на выходе из аппарата у 2. Если заданы также конечная кон­ центрация жидкой фазы х 2 и ее начальная концентрация x lt то по формуле (12-11) вычисляют удельный расход жидкости I, а также ее общий расход L0.

Далее по выбранным характеристикам насадки и заданным свой­ ствам газа и жидкости определяется скорость в точке инверсии (фор­

267

мула 13-9) и по заданному или выбранному режиму работы — скорость газа в свободном сечении аппарата. Диаметр абсорбера определяют по уравнению расхода. Вычислив затем плотность орошения Q м3/ч-м2, проверяют выполняется ли условие смачиваемости насадки, по кото­ рому должно быть Q > Q CM. Величина QCM, соответствующая опти­ мальной смачиваемости насадки, зависит от ее удельной поверхности f и приближенно может быть определена по формуле

где у — коэффициент, зависящий от характера поглощаемого компо­ нента. Для аммиака можно принять у — 0,158. В каждом случае эта величина определяется экспериментально; для большинства компо­ нентов у — 0,1 0,2. Затем по данным о равновесии строится линия равновесия, а также рабочая линия процесса и решается вопрос о методе дальнейшего расчета. Если линия равновесия прямая, расчет сводится к определению средней движущей силы, коэффициентов мас­ соотдачи и общего коэффициента массопередачи, после чего по формуле (13-16) может быть определена общая поверхность насадки, а также ее рабочий объем и высота. Если линия равновесия не прямая, боль» шую точность дает расчет высоты насадки через число единиц переноса и высоту единицы переноса.

Пример. Рассчитать насадочный абсорбер для поглощения сернистого ан­ гидрида водой из газо-воздушной смеси, содержащей 2% S02 (объемных). Рас­ ход газовой смеси 5000 нм3/ч, ее температура 30° С, температура кислоты на вы­ ходе 15°, барометрическое давление 760 мм рт. сг. Эффективность поглощения должна быть не менее 99%.

Р е ш е н и е . Примем давление в нижней части аппарата 800 мм рт. ст. Тогда по формуле (13-3) равновесное содержание S02 в растворе составит

0,03 • 0,02 -800-1,0363~15 = 0,281 %.

При работе абсорберов с ограниченной высотой насадки равновесные кон­ центрации не достигаются. Примем, что конечная концентрация кислоты на вы­ ходе составит 75% от равновесной. Тогда получим 0,75-0,281 = 0,211% или х2 = 0,00211 кг/кг воды. Теплота растворения S02 равна 485 кдж/кг, теплоем­ кость 0,59 кдж/кг-град-, воды — 4,19 кдоіс/кг-град. Из формулы (13-7) начальная температура воды

Таким образом, температура воды в процессе абсорбции практически ос­ тается постоянной. Давление в аппарате изменяется пропорционально высоте насадки. Тогда, как это следует из уравнения (13-5), линия равновесия процесса будет прямой.

Плотность газовой смеси на входе при нормальных условиях равна

1,293-0,98 + 2,927-0,02 = 1,33 кг/нм3, где 1,293 и 2,927 — плотности воздуха и сернистого ангидрида; 0,98 и 0,02 — их объемные доли. Массовая доля по фор-

268

Определим скорость в точке инверсии. Для этого нужно найти физические характеристики, от которых она зависит. Вязкость воды при t = 15° равна цж = 1 ,1 4 спауз. Плотность газа для средних условий поглощения определяется температурой, давлением и составом. Температура газа на выходе из аппарата

Примем насадку из керамических колец размером 50 X 50 X 5 мм. Ее удельная поверхность Ц= 87,5 м2/м3 и свободный объем е = 0,785 (К. Ф. Пав­ лов, П. Г. Романков и А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М.—Л., 1964, стр. 572). Подставим найден­ ные значения в формулу (13-9):

Вычисления дают lg ( овнв0,0232) — — 1,608 = 2,392, откуда 0,0232 о^ив =

= 0,02465. Следовательно, оШІВ — 1,033 місек. Выбираем турбулентный гидро­ динамический режим с о0/Оцнв = 0,95, откуда скорость в полном сечении аппа­

ловие смачиваемости насадки выполняется (Q>>QCm)-

Для оценки выбранного режима определим сопротивление 1 м слоя насадки.

269

Вязкость S02 при 24° С по формуле (1-13) равна

=------- ^ .--------= 2970. Коэффициент сопротивления по формуле (2-35) 0,0181 • 10“ 3-87,5

Далее определим коэффициенты массоотдачи; для этого нужно знать коэф­ фициенты молекулярной диффузии S02 в газе и жидкости Dr и £>ж. Из справоч­

270

По формуле (13-16) диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы

271

принятого в начале расчета (800 мм рт. ст.). Поскольку с увеличением давления условия абсорбции улучшаются, такое расхождение (в сторону увеличения) до­ пустимо. В рассматриваемом примере это ведет к увеличению эффективности поглощения.

АБСОРБЦИЯ В БАРБОТАЖНЫХ АБСОРБЕРАХ

Барботажные абсорберы характерны тем, что поверхность междуфазового контакта в них развивается потоком газа, который с помощью специальных устройств распределяется в жидкости в виде пузырьков и струек. Этими устройствами являются перегородки (тарелки) с от­ верстиями и щелями или колпачки с волнистыми краями и щелями. Движение газа в виде пузырьков и струек через слой жидкости назы-

тов с колпачковыми и переливными тарелками. В обоих случаях жид­ кость с верхних на нижние переходит по специальным переливным устройствам (трубы, каналы прямоугольной или сегментной формы и т. п.). Газ через жидкость барботирует из-под колпачков колпачко­ вой тарелки и при истечении через отверстия или щели ситчатой та­ релки.

На рис. 13-2 показан аппарат с провальными тарелками. Такие абсорберы применяются в сульфитном производстве для получения варочных растворов. Аппарат представляет собой колонну, разделен­ ную по высоте перегородками (тарелками) с отверстиями диаметром

272

ках гіо газу и жидкости. При уменьшении или увеличении расхода газа против расчетного работа аппарата значительно ухудшается.

Рассмотрим более подробно работу аппаратов с провальными та­ релками.

Гидродинамические режимы провальных тарелок

При небольшом расходе газа жидкость и газ свободно проходят через одни и те же отверстия и щели тарелки. Слоя жидкости на та­ релке не образуется.

С увеличением скорости газа силы трения газа о стекающую жид­ кость возрастают. При некоторой скорости газа сила трения увеличи­ вается настолько, что жидкость не будет проходить через отверстия и станет накапли­ ваться на тарелке, т. е. как бы подвисать

. над отверстиями. Критическая скорость газа, соответствующая началу подвивания, назы­ вается точкой подвисания. При скоростях

Подвисание жидкости и переход к барботаж­ ному режиму сопровождаются резким повы­ шением сопротивлёния тарелки. В барботаж-

свободные в данный момент от прохождения газа. При этом отверстия для прохода газа и провала жидкости непрерывно меняются, но в среднем равномерно распределяются по всему сечению тарелки. С увеличением ско­ рости газа высота пузырьковой зоны в барботажном слое уменьшается, а слой пены воз­ растает.

Барботажный режим заканчивается в тот момент, когда вся жидкость на тарелке перейдет в пену. Скорость газа, соответ­ ствующая этому моменту, называется точкой аэрации, а следующий за ней

режим работы тарелки — режимом аэрации, пенным режимом или режимом эмульгирования. В этой режиме провал жидкости через от­ верстия тарелки сначала происходит так же, как и в барботажном ре­ жиме. Однако при дальнейшем росте скорости газа равномерный ре­ жим провала жидкости сменяется пульсирующим, при котором жид­ кость на нижележащую тарелку переходит не равномерно, а отдель­ ными порциями. Скорость газа, соответствующая началу неравно­ мерного провала жидкости, называется точкой пульсации.

При пенном режиме сопротивления тарелки (при постоянном расхо­ де жидкости) с увеличением скорости газа возрастают незначительно. Это объясняется тем, что так же незначительно увеличивается и слой

Пены. В конце этого режима скорость газа в отверстиях тарелки на­ столько увеличивается, что отдельные пузырьки газа при барботаже сливаются в струи. Образование струй происходит то в одном, то в другом месте тарелки, что приводит слой пены в колебательное дви­ жение. Скорость газа, соответствующая началу струйного режима барботажа, называется точкой волнообразования, а следующий за ней режим работы тарелки — волновым. Волновой режим обычно наблю­ дается при сравнительно небольшом расходе жидкости. С увеличением плотности орошения при волновом режиме масса жидкости на тарелке возрастает и колебательные движения слоя становятся менее замет­ ными. Переход к волновому режиму сопровождается увеличением гидравлического сопротивления тарелки. При дальнейшем увеличе­ нии скорости газа жидкость перестает проваливаться на нижележащую тарелку. Количество жидкости на данной тарелке мгновенно возрас­ тает, увеличивается слой пены и жидкость начинает выбрасываться с тарелки. Сопротивление тарелки при этом резко возрастает. Такой режим работы называется р е ж и м о м з а х л е б ы в а н и я . Ско­ рость газа, соответствующая переходу от волнового режима к режиму захлебывания, называется точкой захлебывания ѵзахл. Оптимальный режим работы тарелки отвечает скорости газа вблизи точки захлебы­ вания, так как эффективность массопередачи при этом максимальная. Скорость газа ѵ0, отнесенная к полному сечению аппарата и соответст­

вующая оптимальному режиму, определяется из соотношения ■ѵ,} =

^захл

= 0,85 -г- 0,95. Нормальной работой провальных тарелок считается также устойчивая работа и в других режимах, вплоть до точки подвисания. Разумеется, при ѵ0 ниже точки подвисания работать нельзя.

Скорость захлебывания зависит от диаметра колонны, ширины или диаметра отверстий в тарелках, их свободного сечения, расходов газа и жидкости и их физических и гидродинамических характеристик. Она может быть определена по эмпирическому уравнению

мается ширина щелей, а тарелок с круглыми отверстиями — эквива­ лентная ширина отверстия Ьэ. Величина b3 ss 0,55 d0, где d0 — диа­ метр отверстий. В приближенных расчетах за определяющий линей­ ный размер тарелок с отверстиями можно принять их диаметр. Погрешность при расчете по формуле (13-25) составит около 5%.

274

Комплекс -Кзахл может быть определен по эмпирическому уравне­ нию

Рис. 13-3. Обобщенный график устойчивой работы провальных та­ релок в различных гидродинамических режимах с изображением критических линий:

/ — подвнсання; 2 — аэрации; 3 —і пульсации; 4 — волнообразования; 5 — захлебывания

которое справедливо при — = 0,4ч-20 кгікг. Кроме того, можно

Go

пользоваться также обобщенным графиком области устойчивой ра­ боты тарелок провального типа (рис. 13-3). Величина К зыл здесь определяется по критической кривой захлебывания 5 в зависимости

от соотношения — . Здесь также показаны критические кривые друGo

гих гидродинамических режимов. Между линиями 1 и 2 находится область барботажного режима, между линиями 2 и 4 область аэрации с равномерным (2—5) и пульсирующим (3—4) провалом жидкости, между линиями 4 и 5 — область волнового режима, за линией 5 —■ область захлебывания. По этим кривым в зависимости от значения

— могут быть определены комплексы К для любых режимов работы

Go

абсорбера. Величину этого комплекса для выбранного режима вычис­ ляют также по формуле

( 1 3 - 2 7 )

Гидравлические сопротивления провальных тарелок и высота слоя пены

Общее сопротивление орошаемой тарелки складывается из сопро­ тивлений сухой тарелки, сопротивления на преодоление сил поверх­ ностного натяжения и сопротивления столба жидкости на тарелке. Величина общего сопротивления зависит от физических свойств жид­ кости и газа, гидродинамического режима работы тарелки и линейных размеров тарелки и ее отверстий. Она может быть определена по урав­ нению

Уравнение (13-28) пригодно также для определения гидравличе­ ских сопротивлений тарелки в режиме захлебывания. В этом случае

G0

В расчетной практике получило также распространение эмпири­ ческое уравнение'

где X — коэффициент сопротивления;

276