1.4. Розрахунок висоти колони [1].

Для розрахунку робочої висоти колони треба визначити кількість тарілок і відстань між та­рілками .

Необхідну кількість тарілок визначають діленням загальної площі тарілок F на робочу площу f однієї тарілки.

n = F / f .

Для знаходження загальної площі тарілок звичайно використовують модифіковане рівняння масопередачі, в якому коефіцієнти масопередачі для рідкої К_хf і газової К_уf фаз відносять до одиниці робочої площі тарілки:

,

де М - маса речовини, яка переноситься через поверхню масопередачі за одиницю часу, кг / с; F - загальна робоча площа тарілок в абсорбері, м².

1.4.1. Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної загальної площі тарілок і числа тарілок

Коефіцієнт масопередачі визначимо за рівнянням адитивності фазових дифузійних опорів:

,

де β_хf, β_уf - коефіцієнти масовіддачі, віднесені до робочої площі тарілки відповідно для рідкої і газової фаз, кг/(м² ٠с).

Коефіцієнти масовіддачі будемо розраховувати за рівняннями (4.70) і (4.71):

β_хf = 6.24٠10⁵٠ ;

β_yf = 6.24٠10⁵ .

У наведених рівняннях: D_x, D_y - коефіцієнти молекулярної дифузії компоненту, який поглинається, в рідині і газі, м² / с; U / (1 - ε), w / ε - середні швидкості рідини та газу у барботажному шарі, м / с; ε - газовміст барботажного шару, м³ / м³; U – густина зрошування, м³/(м²٠с); µ_х і µ_у – в’язкість рідини і газової суміші за робочих умов в абсорбері, Па٠с; h₀ – висота світлого шару рідини на тарілці, м.

Густина зрошування U = L/(ρ_х٠S_т) = 2,04/(999٠0,785) = 2,6٠10^-3 м³/(м²٠с) (S_т - робоча площа тарілки).

Висоту світлого шару рідини для ситчатих тарілок визначимо за залежністю (4.82):

h₀ = 0,787q^0,2,

де показник степені m = 0,05 – 4,6 h_пер; у наведеній залежності µ_х – в мПа٠с; σ_х, σ_в – поверхневий натяг абсорбенту і води відповідно в мН/м; h_пер – висота переливної перегородки (приймається в межах 30 – 50 мм), м; q – лінійна густина зрошування, м³/(м٠с), яка дорівнює q = Q/L_з; Q = L/ρ_р = 2,04/999 = 2,04٠10^-3 - об’ємні витрати рідини, м³/с; L_з =0,8 - периметр зливу (ширина переливної перегородки), м; w = 1,2 м/с – швидкість газу в абсорбері; σ_х, σ_в – відповідно поверхневий натяг абсорбенту і рідини, мН/м.

Приймемо висоту переливної перегородки h_пер = 40٠10^-3 м, тоді

m = 0,05 - 4,6٠40٠10^-3 = -0,134.

Лінійна густина зрошування q = 2,04٠10^-3/0,8 = 2,55٠10^-3.

Висота світлого шару рідини:

h₀ = 0,787٠(2,55٠10^-3)^0,2٠(40٠10^-3)^0,56٠1,2^-0,134[1 – 0,31ехр(- 0,11٠1,14)];

h₀ = 0,028 м.

Газовміст барботажного шару знайдемо за рівнянням (4.80):

ε = ,

де Fr = w² / (gh₀).

Критерій Фруда Fr = 1,2²/(9,8٠0,028) = 5,24

ε = 5,24^0,5 /(1 + 5,24^0,5) = 0,696 м³/м³.

Коефіцієнт дифузії аміаку у воді при 20⁰С D_х = 1,83٠10^-9 м²/с (додаток 5.1).

При 15⁰С :

D_х = D₂₀⁰ [1 + 0,02(t – 20)] = 1,83٠10^-9[1 + 0,02(15 – 20)] = 1,65٠10^-9 м²/с.

В’язкість газової суміші µ_г = 16,1٠10^-6 Па٠с.

В’язкість рідкої фази µ_р = 1,14٠10^-3 Па٠с = 1140٠10^-6 Па٠с.

Коефіцієнти масовіддачі:

β_хf = 6.24٠10⁵٠(1,65٠10^-9)^0,5[2,6٠10^-3 /(1 – 0,696)]^0,5٠0,028٠[16,1/(16,1 + 1140)]^0,5.

β_хf = 7,75٠10^-3 м/с.

β_yf = 6.24٠10⁵٠(1,79٠10^-5)^0,5٠(1,2/0,696)^0,5٠0,028٠[16,1/(16,1 + 1140)]^0,5.

β_yf = 11,45 м/с.

Виразимо β_х в обраній для розрахунку розмірності (додаток 5.7):

β_х = 7,75٠10^-3(ρ_р - ) = 7,75٠10^-3(999 – 39,34) = 7,43 кг/(м²٠с).

де = = = 999٠0,041/1,041 = 39,34 кг/м³ – середня об’ємна масова концентрація аміаку в рідині; - середня відносна масова концентрація аміаку у рідині.

Аналогічно в газовій фазі:

β_г = 11,45(ρ_г - ) = 11,45( 1,34 – 0,101) = 14,18 кг/(м²٠с).

де = ρ_г٠= 1,34٠0,075 = 0,101 кг/м³ – об’ємна масова концентрація газу;

= ( = (0,14 + 0,01)/2 = 0,075 кг аміаку/кг суміші.

Коефіцієнт масопепредачі:

= = 3,69 кг/(м²٠с).

Загальна площа тарілок:

F = М/() = 0,168/(3,69٠0,021) = 2,168 м².

Кількість тарілок:

n = F/f = 2,168/0,713 = 3,041.

Приймаємо кількість тарілок n = 4.

4.1.2. Вибір відстані між тарілками й визначення висоти абсорбера

Відстань між тарілками складається з висоти барботажного шару (піни) h_n і висоти сепараційного простору h_c:

h = h_n + h_c

Висоту сепараційного простору розрахуємо, виходячи з допустимого бризко виносу з тарілки, який приймають 0,1 кг рідини на 1 кг газу. З іншого боку, бризко виніс з сітчастих тарілок можна розрахувати по залежності

(4.86) :

е = 0,000077 (73 / σ) (w / h_с)^3,2,

де σ – поверхневий натяг рідини, мН/м; w – фіктивна швидкість газу, м/с.

Поверхневий натяг води [3] σ = 72,8мН/м; w = 1,2 м/с.

Підставимо дані у приведену залежність:

0,1 = 0,000077(73/72,8)(1,2/h_с)^3,2,

звідки h_с = 0,128 м.

Висоту барботажного шару визначаємо по залежності (4.73)

h₀ = (1 – ε)h_п.

h_п = h₀/(1-ε) = 0,028/(1-0,696) = 0,092 м.

Відстань між тарілками:

h = 0,092 + 0,128 = 0,22 м.

Вибираємо з стандартного ряду відстань між тарілками h = 0,25 м.

Висота тарілчастої частини абсорбера

Н_т = (n – 1)h = (4 – 1)·0,25 = 0,75 м.

Загальна висота абсорбера

Н = Н_т + h_в + h_н,

де h_в – відстань від верхньої тарілки до кришки абсорбера, м і h_н – відстань між днищем абсорбера й нижньою тарілкою, які приймаються з конструктивних міркувань (звичайно, h_н приймають (1÷1,5)d).

Приймемо h_в = 2 м; h_н = 1,5 м.

Тоді Н = 0,75 + 2 + 1,5 = 2,25 м.

4.2. Розрахунок гідравлічного опору колони

4.2.1. Гідравлічний опір сухої тарілки по залежності (4.92):

,

де F_в = 0,136 – відносне вільне січення тарілки; ξ = 1,5 – коефіцієнт гідравлічного опору сухої сітчастої тарілки (табл.. 4.7).

∆Р_с = 1,5·1,2²·1,34/(2·0,136²) = 78,24 Па.

4.2.2. Гідравлічний опір газорідинного шару на тарілці

ΔP_n = gρ_xh₀ = 9,81·999·0,028 = 274,4 Па.

4.2.3. Гідравлічний опір, обумовлений силами поверхневого натягу

ΔP_σ = 4σ/d_e = 4·72,8·10^-3/0,005 = 58,24 Па

де - d_e = 0,005 м - еквівалентний діаметр отвору або щілини в тарілці, м;σ – поверхневий натяг рідини, Н/м; σ = 72,8·10^-3 Н/м.

4.2.4. Повний гідравлічний опір тарілки і колони в цілому

Опір тарілки:

∆Р_т = ∆Р_с + ΔP_n + ΔP_σ = 78,24 +274,4 + 58,24 = 410,9 Па.

Опір колони:

∆Р = ∆Р_т·n = 410,9·4 = 1643,5 Па.

4.3. Гідравлічний розрахунок – дивись приклад розрахунку насадкового абсорбера.

231