3 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

3.1 Определение расхода абсорбента

При расчете абсорбера с нелетучим жидким поглотителем массовые (или мольные) расходы поглотителя и инертного, не растворяющегося в жидкости газа будут постоянными по высоте абсорбера. Выражая концентрации поглощаемого компонента в газе и жидкости в относительных массовых (или мольных) единицах, получим уравнение материального баланса (в массовых единицах):

где M – расход поглощаемого компонента, кг/с; Gy и L – расходы инерт-

ного газа и жидкого поглотителя, кг/с; Y н, Y к – концентрации поглощаемого компонента в газе в низу и на верху абсорбера, кг/кг инертного газа; X к, X н – концентрации поглощаемого компонента в жидкости на верху и в низу абсорбера, кг/кг жидкого поглотителя [8, с. 290].

Концентрацию X к находят в зависимости от равновесной концентрации X *к и коэффициента избытка абсорбента ε по выражению:

задается в табличной форме при нелинейной связи X * = f (Y ) .

3.2 Определение диаметра абсорбера

Выбирают материал и тип насадки [8, с. 524, таблица XVII]. Мелкая насадка имеет большую поверхность массообмена, но при очень большой удельной поверхности насадка может оказаться не полностью смоченной

14

жидкостью и поверхность контакта будет меньше поверхности насадки. Это явление учитывается коэффициентом смачиваемости Ψ. Максимальное смачивание насадки (Ψ = 1) достигается при некоторой оптимальной плотности орошения Uопт . При дальнейшем увеличении плотности оро-

шения Ψ остается постоянным и равным единице. Оптимальную плотность орошения можно приближенно определить по формуле (Х-39) [9, с. 667]:

U опт = b f , м3 /(м2 ч),

где b – коэффициент, значения которого приведены в табл. Х-7 [9, с. 667]; f – удельная поверхность насадки, м2 / м3 . Значения коэффициента смачи-

ваемости Ψ при U < Uопт даны на рис. Х-3 [9, с. 667].

Определяютфактическую(рабочую) плотностьорошенияпоформуле(3.4):

где ρж – плотность абсорбента, кг/м3; S – площадь сечения колонны, м2.

Если фактическая плотность будет меньше оптимальной, то коэффициент смачивания будет меньше единицы. В этом случае следует применять насадку с меньшей удельной поверхностью, чтобы снизить Uопт .

Практически полное смачивание достигается при плотности орошения по-

рядка 5 м3 /(м2 ч)[9, с. 667].

Если U << Uопт , т. е. неполное смачивание, то целесообразно взять насадку больших размеров и расчет повторить. Если U >> Uопт – прини-

мают насадку меньших размеров и повторяют расчет.

Диаметр колонны определяют по уравнению расхода. Для этого необходимо рассчитать рабочую скорость газового потока в колонне.

Расчет абсорбера производят для работы при оптимальном гидродинамическом режиме. Рабочую скорость газа w в абсорбере можно определить по критериальной зависимости [8, с. 292]. Тогда диаметр абсорбера будет равен

15

3.3 Определение высоты абсорбера

Существуют несколько методов расчета высоты слоя насадки [8, с. 292, 673]. Высоту насадки Hн абсорбера рассчитывают через по-

верхность массопередачи, число единиц переноса, а также число действительных тарелок. Высота насадки определяется аналитически или графически.

Аналитическим методом высоту насадки можно рассчитать по уравнению:

Если же равновесная линия прямая (или приближается к прямой), то:

где ∆yср – средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, кг/кг; определяется по формуле

Можно поступить и по-другому. Согласно основному уравнению мас-

16

няя движущая сила процесса абсорбции, выраженная через парциальное давление, кПа, определяется по формуле

Поверхность контакта фаз в абсорбере при пленочном режиме работы:

где βy – коэффициент массоотдачи для газа; βx – коэффициент массоотдачи для жидкости; ϕ – коэффициент распределения.

17

Коэффициент массоотдачи для газа βy определяется из критериального уравнения [9, с. 703]:

где Nu'y – критерий Нуссельта в газовой фазе; Dy – коэффициент диффузии газа в газе при рабочих условиях, м2/с; ρy – средняя плотность газовой

фазы при рабочих условиях, мкг3 ; dэ – эквивалентный диаметр насадки,

м; Риг – среднее парциальное давление инертного газа в газовой смеси,

кПа; Мсм – средняя молекулярная масса газовой смеси.

Критерий Нуссельта в газовой фазе определяется по формуле

[10, с. 379–403]:

где Rey и Pry' – критерии Рейнольдса и Прандтля в газовой фазе, определяются по формулам

Коэффициент массоотдачи со стороны жидкости βx определяется по формуле [8, с. 294]:

где Dx – коэффициент диффузии газа в жидкости, м2/с; Nux' – критерий Нуссельта в жидкой фазе определяется по формуле [10, с. 379–403]:

18

Критерии Re, Pr и Ga в жидкой фазе определяются по формулам

[10, с. 379–403]:

где d Н – наружный диаметр элемента насадки, м.

Можно привести еще один из широко распространенных методов определения высоты насадки [8, с. 285; 9, с. 689] через объемный коэффици-

ент массопередачи K y' υ :

где wопт – скорость газа, соответствующая оптимальному режиму работы

насадки, м3/м3; σ – удельная поверхность насадки, м2/м3. Критерий Рейнольдса

19

Объемный коэффициент массопередачи определяется по уравнению

В заключение следует напомнить, пересчет коэффициентов массоотдачи, массопередачи, движущей силы процесса, из одной размерности в другую [10, с. 47].

Для улучшения смачиваемости насадки в колонне большого диаметра насадку укладывают слоями высотой 2–3 м, под каждой секцией устанавливают перераспределитель жидкости [6; 10].

Общая высота колонны Нк слагается из высоты насадки Нн и общей

высот верхней и нижней сепарационных частей, выбираемых конструк-

тивно по [6, с. 235].

Высота насадочной части

Общая высота колонны

где Zв и Zн – соответственно высота сепарационного пространства над на-

садкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Значения Zв и Zн выбирают в соответствии с таблицей 1 [6, с. 235].

Таблица 1 – Зависимость высоты сепарационного пространства над насадкой и расстоянием между днищем колонны и насадкой от диаметра колонны Размеры в мм

20