Розділ 4. Розрахунок абсорберів

В абсорберах, так само як і в інших масообмінних апаратах, масообмін здійснюється на поверхні контакту фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинуту поверхню контакту між рідиною й газом. За способом утворення цієї поверхні абсорбційні апарати умовно поділяються на наступні групи: 1) поверхневі й плівкові; 2) насадкові; 3) барботажні (тарілчасті); 4) розпилюючи.

У даному розділі будуть розглянуті схеми розрахунку насадкових і тарілчастих абсорберів.

У насадкових колонах апарат заповнений насадкою – твердими тілами різної форми. Поверхня контакту між фазами являє собою поверхню плівки, пузирчиків, струменів, піни (в залежності від режиму роботи колони), яка утворюється при стіканні рідини по елементах насадки.

У тарілчастих колонах, які називаються також барботажними, по висоті розміщені тарілки різної конструкції. Газ проходить (знизу догори) через контактні елементи тарілок і на поверхні пузирчиків і струменів відбувається масообмін між фазами.

За способом зливання рідини з тарілки на тарілку барботажні колони поділяються на колони: 1) з тарілками зі зливними пристроями (ситчасті, ковпачкові, клапанні, баластні); 2) з тарілками без зливних пристроїв, інакше – із провальними тарілками (дірчасті, решітчасті, трубчасті).

Загальна схема розрахунку насадкових і тарілчастих абсорбційних колон приведена нижче.

Розв’язання рівнянь матеріального балансу й визначення навантаження абсорбера по рідині

Вибір конструктивних розмірів контактного пристрою.

Визначення робочої швидкості газу. Розрахунок діаметра абсорбера.

Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі й масопередачі.

Визначення поверхні масопередачі, висоти насадки, числа тарілок.

Визначення висоти абсорбера.

Розрахунок гідравлічного опору абсорбера

4.1. Насадкова колона.

4.1.1. Розрахунок витрати абсорбенту і діаметра абсорбера

4.1.1.1. Розробляють принципову технологічну схему абсорбційної установки [2, 3, 4].

4.1.1.2. Приводять дані о фізико – хімічних властивостях інертного газу, абсорбенту, компоненту, який поглинається, та його розчину в абсорбенті в залежності від температури й складу.

4.1.1.3. У додатках даного методичного посібника (додаток 5.4 ), або довідковій літературі [4, 9], знаходять експериментальні дані по рівновазі в системі „рідина – газ” і будують рівноважну лінію.

Для багатьох систем із низькою концентрацією компонента в рідкій фазі для знаходження співвідношення між рівноважними концентраціями можна використовувати закон Генрі

р^* = Е х, (4.1)

де р^* - парціальний тиск компонента в газовій фазі над рівноважною з газом рідиною;

Е – коефіцієнт Генрі, який залежить від температури та природи газу й рідини;

х – мольна частка компонента в рідині.

У відповідності із законом Дальтона Р^* = П٠у. Таким чином

у^* = ·х, (4.2)

де П - загальний тиск газової суміші; у^* - рівноважна концентрація в газовій фазі.

Рівнянню (4.2) можна надати вигляд

у^* = mх, (4.3)

де m – коефіцієнт розподілу компонента між фазами. Для систем, які підпорядковуються закону Генрі, m = Е/П – постійна величина, і рівноважна залежність прямолінійна.

Рівноважний склад фаз у мольних частках у^*, х перераховують у відносні мольні концентрації В^*, Х , або у відносні масові концентрації ^*, і записують у вигляді таблиці. За даними таблиці будують лінію рівноваги.

Якщо система газ – рідина не підпорядковується закону Генрі, рівноважну криву будують згідно дослідних даних і величину m із достатньою точністю знаходять випрямлянням ділянок кривої рівноваги, тобто заміною кривої рівноваги ломаною лінією, при цьому

m = (m₁ + m₂ + m₃ +...+m_і)/і, (4.4)

де m₁, m₂, m₃... – тангенси кутів нахилу прямих на окремих ділянках, і – число прямолінійних ділянок ламаної лінії.

Середній нахил лінії рівноваги можна визначити як нахил хорди, проведеної через точки М і N (рис. 4.1), які обмежують робочу ділянку лінії рівноваги:

Рис. 4.1. Визначення середньої величини коефіцієнта розподілу m.

m = (. (4.5)

Зазначимо, що коефіцієнт розподілу необхідний у подальших розрахунках висоти насадки.

4.1.1.4. Розраховують витрату абсорбенту.

З цією метою задані концентрації цільового компонента (який поглинається, далі – компонент) у газовій фазі й у рідині перераховують у відносні (мольні або масові) частки.

Розраховують витрати інертного газу G_ін (кг/с) і цільового компонента М (кг/с).

Якщо витрата вихідної суміші задана в м³/с і початкова концентрація компонента в об’ємних процентах, витрату інертного газу G_і (в кг/с) розраховують за формулою

G_і = , (4.6)

де G – витрата вихідної суміші, м³/с; у_п – об’ємна початкова концентрація компонента; ρ_і - густина інертного газу, кг/м³ .

Маса абсорбтиву, яка поглинається в одиницю часу рідиною з газової фази (кг/с)

М = G_і (_п - _к), (4.7)

де _п, _к – відносна масова концентрація компонента на вході й на виході з абсорбера.

Якщо склад фаз заданий в інших одиницях вимірювання, треба провести необхідні перерахунки.

Використовуючи лінію рівноваги, визначають концентрацію компонента в рідині на виході з абсорбера , рівноважну з газом на вході в абсорбер. Розраховують мінімальну витрату абсорбенту L_min (кг/с)

L_min = M / ( - ), (4.8)

де - концентрація поглинача на вході в абсорбер, кг/кг.

Робочу витрату поглинача L визначають з урахуванням його надлишку

L = φ L_min, (4.9)

де φ – коефіцієнт надлишку поглинача.

У більшості випадків φ = 1,3 - 1,5.

З рівняння

М = L ( - ) (4.10)

визначають кінцеву концентрацію поглинача на виході з абсорбера.

Виконують перевірку правдивості проведених розрахунків за рівнянням матеріального балансу:

М = G(_п - _к) = L( - ). (4.11)

4.1.1.5. Розраховують діаметр абсорбера з рівняння витрат

d = , (4.12)

де V – об’ємна витрата газу за робочої температури t в абсорбері, м³ / с;

V₀ – об’ємна витрата газу за нормальної температури t₀;

w – швидкість газу, віднесена до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Для насадкових колон швидкість газу приймають на 15 – 30 % менше швидкості захлинання w_з, яку визначають із залежності [15]:

ℓg, (4.13)

де - питома поверхня насадки, м² / м³;

μ_р – в’язкість поглинача при температурі в абсорбері, мПа٠с;

А й В – коефіцієнти, які залежать від виду насадки;

L, G – витрати фаз, кг / с.

ε – питомий вільний об’єм насадки, м³/м³; ρ_г і ρ_р – густина газу і рідини відповідно, кг/м³.

Значення коефіцієнтів А і В приведені нижче [9]:

Таблиця 4.1

Тип насадки А В

Плоско паралельна хордова 0 1,75

Пакетна 0,062 1,55

Кільця Рашига в навал - 0,073 1,75

Кільця Палля - 0,49 1,04

Сідла розміром 25 мм - 0,33 1,04

Сідла розміром 50 мм - 0,58 1,04

Окрім того, граничну швидкість газу можна розрахувати з критеріальної залежності [11]:

Rе_г = 0,045 Аr^0,57 (G/L)^0,43, (4.14)

де Аr = - критерій Архімеда; w_з = Rе_г٠а٠µ_г/4ρ_г; а - питома поверхня насадки, м² / м³; μ_г – в’язкість газу при температурі в абсорбері, Па٠с; L, G – витрати фаз, кг/с.

d_е – еквівалентний діаметр насадки,м; ρ_г і ρ_р – густина газу і рідини відповідно, кг/м³.

Після визначення розрахункового діаметра колони приймають найближчий за стандартом.

Нижче приведені нормальні ряди діаметрів колон (в м), прийняті в хімічній і нафтохімічній промисловості:

у хімічній промисловості – 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,2; 2,6; 3,0;

у нафтохімічній промисловості - 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,4; 7,0; 8,0; 9,0.

4.1.1.6. Визначають густину зрошування й коефіцієнт змочуваності насадки.

Густину зрошування (швидкість рідини) розраховують за формулою

U = L/(ρ_р٠S), (4.15)

де S – площа поперечного перерізу абсорбера, м²; L – витрата абсорбенту, кг/с; ρ_р - густина рідини, кг/м³.

Якщо густина зрошування недостатня, поверхня насадки може бути змочена не повністю.

Існує деяка мінімальна ефективна густина зрошування U_mіn, вище якої всю поверхню насадки можна рахувати змоченою. Для насадкових абсорберів її розраховують за формулою

U_mіn = аq_еф, (4.16)

де q_еф – ефективна лінійна густина зрошування; а – питома поверхня насадки, м²/м³.

Для кілець Рашига розміром 75 мм і хордових насадок із кроком більше 50 мм q_еф = 0,033٠10^-3 м²/с; для всіх інших насадок q_еф = 0,022٠10^-3 м²/с.

Отже, якщо густина зрошування більше або дорівнює мінімальній, коефіцієнт змочуваності Ψ можна рахувати таким, що дорівнює одиниці. Якщо густина зрошування U менше U_min, приймають U = U_min, із залежності (4.15) визначають нове значення витрати абсорбенту L, перераховують із залежності, наприклад. (4.13) швидкість захлинання w_з, визначають робочу фіктивну швидкість w, розраховують діаметр абсорбера по залежності (4.12) і виконують перерахунки по процедурі пункту 4.1.6.

Коли після перерахунків U ≥ U_min, з рівняння (4.11) визначають кінцеву концентрацію речовини у рідині на виході з абсорбера.