3.1.2 Расчет размеров абсорберов

Из анализа механизма и кинетики процесса абсорбции сероводорода из газа поглотительным содовым раствором следует, что основное сопротивление процессу переноса оказывает газовая фаза. При скоростях газа 1 – 3 м/с в насадочных аппаратах диффузионное сопротивление жидкой фазы составляет 10 – 30% общего сопротивления [3]. Из этого следует, что для осуществления этого процесса необходимо использовать аппараты, обеспечивающие интенсивное перемещение как газовой, так и жидкой фаз. Этим требованиям в полной мере отвечают абсорберы с металлической насадкой из просечно – вытяжных листов.

Принимаем следующие параметры металлической насадки:

Толщина листа , м 0,0010

Расстояние между листами в, м 0,015

Высота листов в пакете, h, м 0,4

Удельная поверхность насадки:

2 2

 = –––––– = –––––––––––––– = 125 м²/м³

 + в 0,001 + 0,015

Удельный свободный объем насадки:

в 0,015

V_св = ----------- = ------------ = 0,937 м³/м³

в +  0,016

Поперечное сечение абсорбера определяется из уравнения расхода газа:

V_г = w * S

Для цилиндрических аппаратов:

 * D²

S = ----------- = 0,785* D²

4

Отсюда диаметр аппарата:

D =  V_г/3600 * 0,785 * w ,

где V_г – объемный расход газа, м³/час

w – фиктивная скорость газа в аппарате, т.е. скорость отнесенная к полному сечению аппарата, м/с.

Средний объемный расход газа в аппарате при температуре 30С и давлении 820 мм рт.ст.:

303 760  29510

V_г = V_сг + V_п + V_H2S = -------- * -------- * --------------- +

273 820  0,434

2853 163

+ -------------- * 22,4 + ------------- * 22,4 = 73708 м³/ч

18 34

Средняя плотность газа :

29510+2853+163 32526

_г = --------------------------- = ---------------- = 0,44 кг/м³

73708 73708

Из-за ограниченности напора га зодувок на коксохимических предприятиях скорость газа в насадочных абсорберах выбирается из условия обеспечения пленочного режима работы, а именно:

w₃ = (0,2 – 0,5) * w₃,

где w₃ – скорость захлебывания, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с.

Последняя определяется по эмпирическому уравнению В.А.Мамосова и Н.М.Жаворонкова [4]:

 w_з² *  _г   G_ж  ^0,25  _г ^0,125

lg ---------------- * ------- * _ж^0,16  = А – B * -------  * ------  ,

 4 * v_св³ * g _ж   G_г   _ж 

где _ж – динамический коэффициент вязкости, мПа * с;

G_ж, G_г – расход жидкости и газа соответственно, кг/час;

А, В – постоянные, значения которых зависит от типа насадки (табл. 9).

Таблица 9 - Значение постоянных А и В

Тип насадки	А	В
Деревянная хордовая	0	1,75
Металлическая плоско – параллельная	0	1,75
Кольца Рашага внавал	- 0,073	1,75
Пакетная	0,062	1,55

При вязкости поглотительно го раствора _ж = 2,0 мПа*с и приведенных выше значениях других параметров получим:

 w_з² * 125 0,44   877000 ^0,25

lg  ------------------- * ------------ * 2^0,16  = 0 – 1,75 * ----------  *

 4*0,937³*9,81 1170   32526 

 0,44 ^0,125

* ---------  ,

 1170 

0,08537

lg [ w_з² * 1,6307 * 10^-3 ] = -1,0687; w_з = -------------- =  52,35 =

• 1,6307*10^-3

= 6,45 м/с.

Рабочую скорость, отнесенную к полному сечению аппарата, принимаем равной:

w = 0,3* w_з = 0,3 * 6,45 = 1,94 м/с

Тогда диаметр серного абсорбера составит:

73708

D = ---------------------- = 3,67 м

 3600*0,785*1,94

Принимаем стандартный диаметр аппарата D = 3,6 м. Тогда фиктивная скорость газа в аппарате (абсорбере) составит:

73708

w = ---------------------- = 2 м/с,

3600*0,785*3,6²

а истинная скорость газа в насадке:

w 2

w_ист = ------ = ------- = 2,1 м/с.

v_св 0,937

Необходимая поверхность насадки в абсорбере определяется из уравнения массопередачи:

G_H2S

F = -----------------,

K_p * P_ср

где G_H2S – количество сероводорода, погло щенного из коксового газа содовым раствором, кг/ч;

К_р – коэффициент массопередачи, кг/(м²*ч*мм рт.ст.);

P_ср – средняя движущая сила массопередачи, мм рт. ст.

Коэффициент массопередачи определяется через коэффициенты массоотдачи в газовой _г и в жидкой фазе _ж:

1

К = ----------------------------

1 m

--------- + ------------

_г _ж

При выражении движущей силы в единицах давления коэффициент распределения m = 1. Для определения коэффициента массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок рекомендуется критериальное уравнение И.А.Гильденблата [5]:

 h ^-0,47

Nu_г = 0,167*Re_г^0,74 * Pr_г^0,33* ----- 

 d_э 

Значение критерия Рейнольдса для проектируемого абсорбера:

w_ист*d_э*_г

Re = --------------

_г

Эквивалентный диаметр насадки:

4*v_св 4*0,937

d_э = ---------- = ----------- = 0,03 м

 125

Вязкость коксового газа при температуре 30^оС _г = 12,7*10^-6 Па*с [2].

Тогда

2*0,03*0,44

Re_г = ------------------- = 2079

12,7*10^-6

Значение критерия Прандтля для коксового газа:

_г

Pr_г = -----------,

_г*D_г

где D_г – коэффициент диффузии сероводорода в коксовом газе, м²/с.

Значение D_г можно определить по формуле:

4,3*10^-7*T^1,5 1 1

D_г = ---------------------------- * ------- + ------ ,

P*(v_H2S^0,33 + v_кг^0,33)²  M_H2S M_кг

где T = 303 К – абсолютная температура в скруббере;

Р = 820/733,5 = 1,115 ат – давление в скруббере;

v_H2S, v_кг - мольные объемы сероводорода и коксового газа, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа, см³/моль;

M_H2S и M_кг – мольные массы сероводорода и коксового газа, кг/кмоль.

По данным К.Ф.Павлова, Н.Г.Романкова и А.А.Носкова [6] находим:

v_H2S=33,0; v_H2=14,3 ; v_CH4=28,9; v_CO=30,7; v_C2H444,4; v_СО2=34,0; v_N2=31,2; v_O2=25,6.

С учетом объемной доли каждого компонента в коксовом газе определяем:

V_кг = 14,3*0,6 + 28,9*0,256 + 30,7*0,057 + 44,4*0,025 + 34*0,021 +

+ 31,2*0,035 + 25,6*0,006 = 20,79 см³/моль

Молекулярная масса коксового газа:

М_кг = 22,4 * _г^о = 22,4 *0,434 = 9,7 2 кг/кмоль

Тогда

4,3*10^-7 *303^1,5 1 1

D_г = ---------------------------------* ------ + ----- = 20,82*10^-6 м²/с

1,115*(33^0,33 + 20,79^0,33)²  34 9,72

Критерий Прандтля:

_г 12,7*10^-6

Pr = --------- = ----------------------- = 1,445,

_г * D_г 0,422*20,82*10^-6

где _г – плотность коксового газа при 35^оС и давлении 820 мм рт. ст.:

Р*T_o 820 * 273

_г = _г^о * ---------- = 0,434* -------------- = 0,422 кг/м³

P_o*T_o 760 * 308

Критерий Нуссельта:

 0,4  ^-0,47

Nu_г = 0,167*2079^0,74*1,455^0,33* -------  = 17,6

• 0,03

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

D_г 20,82*10^-6

_г = Nu_г *-------- = 17,6 * ------------- = 12,3*10^-3 м/с

d_э 0,03

В пересчете на 1 час и на движущую силу, выраженную в мм рт. ст. имеем:

М_H2S * 3600 34*3600 кг

_г^’ = _г * ------------------ = 12,3*10^-3 * --------------- = 0,0892 ---------------

22,4*760 22,4*760 м²*ч*мм рт. ст

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при физической абсорбции может быть определен по уравнению В.М.Рамма и З.В.Чагина [4]:

Nu_ж = 0,0019*Re_ж^0,77*Pr_ж^0,5 ,

_ж*_прив

где Nu_ж = ----------- - критерий Нуссельта для жидкости;

D_ж

 _ж² ^0,33

_прив =  ----------  - приведенная толщина пленки жидкости на

 _ж²*g  поверхности насадки, м

4*q_ж

Re_ж = ----------- - критерий Рейнольдса для пленки жидкости;

*_ж

G_р

q_ж = --------- - массовая скорость жидкости (поглотительного раство-

S*3600 ра), кг/м²*с.

Массовый расход поглотительного раствора G_р = 877000 кг/ч, площадь поперечного сечения абсорбера S = 0 ,785*3,6² = 10,2 м².

Тогда

877000

q_ж = -------------- = 23,9 кг/м²*с

3600*10,2

4 * 23,9

Тогда Re_ж = ---------------- = 382

125 * 2*10^-3

Значение критерия Прандтля для поглотительног о раствора:

_ж

Pr_ж = -----------

_ж*D_ж

Коэффициент диффузии сероводорода в поглотительном растворе при 20^оС можно определить по формуле [11]:

1*10^-6 1 1

D_ж²⁰ = ----------------------------------------- * ------- + --------- ,

А*В*  _ж *(v_H2S^0,33 + v_H2O^0,33)²  M_H2S M_H2O

где А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворителя и растворенного вещества;

_ж – динамическая вязкость раствора, мПа*с.

Для газов А = 1, для воды В = 4,7 и тогда:

1*10^-6 1 1

D_ж²⁰ = ----------------------------------------- * ------- + ------ =

1*4,7*  2 *(14,8^0,33 + 33^0,33)^{2 } 34 18

= 1,394*10^-9 м²/с

При температуре раствора 30^оС коэффициент диффузии составит:

D_ж^t = D_ж²⁰ * [1 + b*(t-20)],  2,0

где температурный коэффициент b = 0,2*  _ж / ³ _ж = 0,2 * ----------- =

³ 1170

= 0,027

Тогда D_ж³⁰ = 1,394*10^-9 * [1+0,027*(30 – 20)] = 1,77*10^-9 м²/с.

2*10^-3

И тогда Pr_ж = ----------------------- = 965,8

1170*1,77*10^-9

Критерий Нуссельта:

Nu_ж = 0,0019*382^0,77*965,8^0,5 = 2,52

Приведенная толщина пленки жидкости на поверхности насадки:

  2*10^-3 1  ^0,33

_прив =   --------  * -----  = 0,688*10^-4 м.

  1170  9,81 

Коэффициент массоотдачи в жидко й фазе:

D_ж 1,77*10^-9

_ж = Nu_ж * -------- = 2,52 * ------------- = 6,94*10^-5 м/с

_прив 0,668*10^-4

В пересчете на 1 час и на движущую силу, выраженную в мм рт. ст. имеем:

_ж^’ = _ж * 3600 / Е ,

где Е = Р^* /с – константа Генри, мм рт. ст / (кг/м³);

Р^* - равновесное давление сероводорода над поглотительным раствором при концентрации сероводорода в растворе с , мм рт. ст.

Поскольку уравнение равновесия между газом и раствором является нелинейным, а именно:

Р^* = 12,3* (с/34) + 17*(t + 48)*(c/34)^3,04 ,

то константа Генри является переменной по высоте абсорбера величиной. Среднелогарифмическое значение ее:

Е₁ – Е₂

Е = ----------------

ln(Е₁/Е₂)

Значение константы Генри вверху абсорбера:

Р₁^*

Е₁ = -------- ,

с₁

где с₁ – концентрация сероводорода в поглотительном растворе на входе в скруббер, кг/м³.

В соответствии с материальными расчетами с₁ = 0,91 кг/м³ , а равновесное давление сероводорода над раствором:

Р₁^* = 12,3*(0,91/34) + 17*(30+48)*(0,91/34)^3,04 = 0,351 мм рт. ст.

И тогда Е₁ = 0,351 / 0,91 = 0,386 (мм рт. ст*м³) / кг

Внизу абсорбера с₂ = 5,24 кг/м³ и

Р₂^* = 12,3*(5,24/34) + 17*(30+48)*(5,24+34)^3,04 = 6,4 мм рт. ст.

И тогда Е₂ = 6,4 / 5,24 = 1,22 (мм рт . ст*м³) / кг.

Тогда

0,386 – 1,22

Е = -------------------- = 0,725 (мм рт. ст*м³) / кг

ln ( 0,386/1,22)

Тогда получаем

3600*_ж 3600*6,94*10^-5

_ж^’ = ------------ = -------------------- = 0,3462 кг / (м²* ч *мм рт. ст.)

Е 0,725

Коэффициент массопередачи в абсорбере:

1 1

К_р = ------------------------------ = -------------------------------- =

1 1 1 1

------ + ------------ ------------ + -------------

_г^’ _ж^’ 0,0892 0,3462

= 0,071 кг/ (м² * ч* мм рт. ст).

Среднелогарифмическое значение движущей силы процесса абсорбции:

Р_низ - Р_верх

Р_ср = ----------------------- , Р_г2, а₂ с_1, Р_ж1

ln (Р_низ / Р_верх)

где Р_низ = Р_г1 – Р_ж2; газ раствор

Р_верх = Р_г2 – Р_ж1.

Р_г1, а₁ с₂, Р_ж2

Парциальное давление сероводорода в коксовом газе на входе в абсорбер ( низ аппарата ) определяется по закону Дальтона:

V_H2S

Р_г1 = Р_общ * --------------

V_г + V_H2S

Пренебрегая объемом водяных паров в ко ксовом газе (около 3%), получим (см. материальный расчет):

(а₁ * 22,4)/34 0,016 * 22,4

Р_г1 = Р_общ * ----------------------- = 820* ------------------------ = 9,54 мм рт.ст.

1 + (а₁*22,4)/34 34 + 0,018*22,4

Парциальное давление сероводорода в коксовом газе на выходе из абсорбера (верх аппарата):

0,0025*22,4

Р_г2 = 810* ------------------------ = 1,44 мм рт. ст.,

34 + 0,0027*22,4

где 810 – давление коксового газа на выходе из абсорбера при потере давления в нем Р_пот  10 мм рт. ст.

Равновесное давление сероводорода над раствором внизу абсорбера (см. расчет константы Генри):

Р_ж1 = Р₂^* = 12,3*(5,24/34) + 17*(30+48)*(5,24/34)^3,04 = 6,4 мм рт.ст.

Равновесное давление сероводорода над р аствором вверху абсорбера:

Р_ж2 = Р₁^* = 12,3*(0,91/34) + 17*(30+48)*(0,91/34)^3,04 = 0,351 мм рт.ст.

Тогда Р_низ = 9,54 – 6,40 = 3,14 мм рт.ст.

Р_верх = 1,44 – 0,35 = 1,09 мм рт.ст.

и окончательно средняя движущая сила процесса:

3,14 – 1,09

Р_ср = -------------------------- = 1,94 мм рт.ст.

ln (3,14/1,09)

Необходимая поверхность массопередачи:

G_H2S 877

F = --------------------- = -------------------------- = 6367 м²

K_p * P_ср 0,071 * 1,94

Учитывая, что в промышленных аппаратах большого диаметра из-за неравномерного распределения газа и жидкости в поперечном сечении коэффициенты массопередачи в несколько раз меньше, чем в экспериментальных установках, фактическая поверхность должна приниматься со значительным запасом. По данным исследований [7] в промышленных абсорберах сероводорода с хордовой насадкой при скорости газа 0,7 – 0,9 м/с коэффициент массопередачи в 4 – 6 раз меньше, чем в экспериментальных условиях. Поскольку в проектируемом аппарате скорость газа (и плотность орошения) в 2,5 – 3 раза больше, то принимаем коэффициент запаса поверхности массопередачи равным 3,5.

Таким образом, необходимая поверхность насадки F = 3,5 * 6967 = 22285 м².

Объем насадки в аппарате:

F 22285

V_нас = --------- = ---------------- = 178,3 м³

• 125

Общая высота насадки:

V_нас 178,3

Н_нас = -------- = --------------- = 17,5 м

S 0,785*3,6²

Принимаем высоту одной секции насадки:

Н_сек = 0,4*6 = 2,4 м ,

где 6 - число пакетов по высоте секции;

0,4 – высота одного пакета, м.

Тогда число секций насадки:

Н_нас 17,5

n_сек = ---------- = ------------  8

Н_сек 2,4

Принимая расстояние между секциями 0,5 м, высоту подскрубберного сборника 5 м и высоту пространства над насадкой 3 м, найдем общую высоту абсорбера:

Н = 2,4 * 8 + 0,5 * 7 + 5 + 3 = 30,7 м