Расчет безнасадочного аппарата:

Вследствие трудности определения поверхности теплообмена смешивающих аппаратов в некоторых случаях расчет их проводят по объемному ко­эффициенту теплопередачи. При этом уравнение теплопередачи прини­мает вид:

(1)

где k_v— объемный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1 м³ активного объема аппарата, Вт/(м^{3 0}C); V—полезный или активный объем смесительной камеры, м³; Δt - средняя разность температур теп­лоносителей,⁰С,

Для определения коэффициента теплоотдачи при тепло- и массопередаче между каплями и газовым потоком в условиях вынужденной конвекции (Rе = 1—200) можно пользоваться формулой А. В. Нестеренко

где α—коэффициент теплоотдачи. Вт/м^{2 0}C); d_K—диаметр капель, м; λ —коэффициент теплопроводности воздуха или газа при средней тем­пературе между поверхностью капель и воздухом, Вт/(м-°С); Nu_о — критерий Нуссельта при Rе=0 (Nu_о =2); для значений Nu_о >80 величи­ной Nu_о можно пренебречь; Rе=w₀d/v—критерий Рейнольдса; здесь w₀—скорость движения капли относительно газа, м/с; v—коэффициент кинематической вязкости воздуха при средней его температуре, м²с; Рг = v /а—критерий Прандтля для воздуха (его величина может быть принята равной 0,72); Gu = (Т_с—Т_m)/Т_с—критерий Гухмана (учиты­вает влияние массообмена на теплообмен), где Тс и Т_m —температуры воздуха или газа по сухому и мокрому термометрам, К.

Для приближенных расчетов средний диаметр капли может быть определен по формуле

где р— давление жидкости перед форсункой. Па.

Если принять за форму капель правильный шар, то поверхности ка­пель в 1 л жидкости может быть получена из следующих соотношений:

где n—число капель в единице объема.

Полный объем их

/6, л

Удельная поверх­ность капель

Для определения скорости падения капли воды в скруббере необ­ходимо определить скорость витания ее. Под скоростью витания капли понимают такую скорость, при которой наступает равновесие силы тя­жести капли и сопротивления газовой среды. Это условие равновесия можно выразить уравнением

где d_K —диаметр капли, м; р_к и рг—плотности капли и газа. кг/м³; ξ - коэффициент лобового сопротивления капли в газовом потоке; w_вит — скорость витания капли, м/с.

Условие равновесия может быть представлено в виде критерия Федорова

Расчет насадочных аппаратов

Оросительные скрубберы с насадками. Для получения больших активных поверхностей теплообмена между газом и жидкостью применяют колонны с различными насадками, например: кольцами Рашига, коксом, деревянными рейками в виде хордовых насадок, с металлической стружкой и т. п.

Насадки характеризуются:

• поверхностью единицы объема S, м ² / м³;

• свободным объемом Vсв м³/м³;

• проходным сечением f, м²-,

• просветом на 1 м² поперечного сечения аппарата

• периметром U—условным пери­метром просветов в метрах на 1 м² поперечного сечения аппарата.

При противоточном движении газа и жидкости в насадочных колон­нах по мере возрастания скорости наблюдаются четыре характерных ре­жима движения потоков: пленочный, промежуточный, турбулизации и эмульгирования.

В режиме эмульгирования интенсивность тепло- и массообмена до­стигает максимального значении, одновременно происходит накаплива­ние жидкости и, когда вся насадка затапливается жидкостью, проис­ходит так называемое захлебывание и начинается выброс жидкости из колонны. При проектировании скрубберов принимают рабочую скорость w_г несколько меньше скорости эмульгирования w_э, при которой насту­пает инверсия (пенообразное перемешивание) фаз:

w_г=(0,80-0,85) w_э, м/с.

Скорость газов, соответствующая оптимальному режиму работы колонн,

определяется из формулы

Оптимальная скорость газа

Вычисленная по этому методу Wопт составляет примерно 80% ско­рости захлебывания.

Определение основных размеров колонны сводится к подсчету по­лезного или активного объема В, диаметра D и полезной высоты H.

В насадочных колоннах под полезным или активным объемом и по­лезной высотой следует понимать объем и высоту насадки.

Полезный или активный объем скруббера определяется по формуле

где Q—количество тепла, передаваемое в скруббере, Вт; k—коэффициент теплопередачи насадки, Вт/(м ^{2 0}С); Δt—средняя разность температур теплоносителей, ⁰С; S—поверхность насадки в единице объема, м² /м³; —коэффициент смачиваемости.

Коэффициент смачиваемости насадки  (отношение поверхности смоченной насадки к полной поверхности ее) можно найти как отношение количества жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки, V, к количеству жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки при полной ее смачиваемо­сти, V. Таким образом,

где S—поверхность насадки в единице объема, м² /м³; _ж - плотность орошения, м³/(м².ч )

Если  получается больше едини­цы, то насадка смачивается полностью и в расчете принимается φ =1

Для равномерного распределения газа и жидкости по сечению аппарата отношение высоты насадки к ее диаметру Н/D не должно быть меньше 1,5—2 и больше 5—7.

Коэффициент теплопередачи при охлаждении воздуха водой в скрубберах с насадкой можно определить по формуле Тадеуша Хоблера], обобщившего работы Н. М. Жаворонкова к Н. Э. Фурмер:

α =0.0024*λ /d_э *Re^0.7_гPr_г^0.33(Re_ж)^0.7_tж=20⁰с *(1+εх)

где λ,—теплопроводность смеси (влажного воздуха), Вт/(м*°С); d_э =4 V_св/S —эквивалентный диаметр насадки, м; Re_г = w *d_э /ν_г—критерий Рейнольдса для парогазовой смеси, в котором w - скорость газа в на­садке, м/с; ν_г - кинематическая вязкость парогазовой смеси, м²/с; Рг= ν_см / а_см—критерий Прандтля для парогазовой смеси; Reж= H_w d_э / 3600ν_ж - критерий Рейнольдса для жидкости при температуре 20°С, в котором H_w = 4L/ πD² —плотность орошения насадки, м³/(м².ч ); L — расход жид­кости, м³/ч); ν_ж —кинематическая вязкость жидкости при температуре 20С, м² с; ε- безразмерный комплекс, учитывающий влияние массообмена, ε=130 при температуре в скруббере 20-90; i—энтальпия пара¹ ; r—теплота парообразования; φ=α/β= Ср—соотношение Льюиса, где α —коэффициент теплоотдачи, β — коэффициент массообмена; m=μ_п/μ_в — отношение молекулярных весов пара и воздуха; с_p—теплоемкость влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха, А=1/427—тепловой эквивалент единицы работы, R—га­зовая постоянная влажного воздуха: Т—температура парогазовой смеси, К,

В большинстве случаев процессы в скрубберах при тепло- и массообмене воздуха с водой протекают при температурах от 20 до 90°С;

Т. Хоблер предлагает в расчетах принимать среднее значение комплек­са ε=130; Х—средняя концентрация пара в парогазовой смеси:

Х= (Х_п –Х_в )/ln Х_п/ Х_в

где Хп — концентрация пара и смеси при ее средней температуре, кг/кг; Хв-—концентрация пара в смеси у зеркала испарения воды при темпе­ратуре 20 ⁰С, кг/кг.