7.3.1. Розрахунок насадочних абсорберів

Метою розрахунку є визначення діаметру і висоти колони, гідравлічного опору насадки. Гідродинамічний розрахунок виконується на основі результатів технологічного розрахунку.

Діаметр колони визначається методом наближення: попередній розрахунок − виходячи з виду процесу і геометричного фактору насадки; остаточний − з урахуванням типу і матеріалу насадки.

Попередній розрахунковий діаметр колони D визначається залежно від значення допустимої швидкості суцільної фази w_д (газу, пари або рідини), розрахованої на повний переріз колони:

де V₀ − витрати суцільної фази (газу), м³/с.

В свою чергу, допустима швидкість газу w_д функцією швидкості захлинання w_з:

Швидкість газу (пари) в перерізі колони, що відповідна захлинанню колони, з урахуванням виду процесу і геометричного фактору насадки визначається відповідно до рівняння:

Для процесів абсорбції і десорбції b = 0,022; с = 1,62; для процесу ректифікації b = -0,125; с = 1,75. Значення коефіцієнтів b і c для деяких видів насадок приведені в додатку .

Швидкість захлинання для насадки із сідел “Інталокс” можна розрахувати також за рівнянням:

У цьому рівнянні поправка на в’язкість враховується при μ_x > 1 мПа∙с. Значення коефіцієнтів K₁ і K₂ наведені в табл. 7.4.

Таблиця 7.4

Значення коефіцієнтів K₁-K₆

Вид насадки	Розмір, м	К1	K2	К3	К4∙10-8	К5	K6
Кільця з кераміки, фарфору, напівфарфору	0,015 0,025 0,035 0,050	0,050 0,062 0,074 0,083	0,110 0,095 0,083 0,077	45,5 44,4 16,7 15,5	1460 1400 1300 955	0,3 0,3 0,3 0,3	0,115 0,1 0,09 0,08
Кільця з прорізами: з металу з пластмаси	0,025 0,035 0,050 0,050	0,100 0,107 0,113 0,113	0,071 0,064 0,058 0,062	12,9 9,9 7,1 7,1	1260 1140 1025 650	0,6 0,55 0,45 0,3	0,1 0,09 0,08 0,08
Сідловидна насадка: з кераміки з напівфарфору	0,035 0,050	0,083 0,093	0,070 0,065	7,8 7,1	730 650	0,35 0,3	0,09 0,08

Швидкість захлинання для сідловидної насадки розміром 0,05 м (система газ - рідина) можна розрахувати за рівнянням:

при значенні коефіцієнтів b = -0,099, с = 1,505; робоча швидкість w_д = 0,7∙w_з.

Швидкість захлинання для кілець Паля знаходять за співвідношенням:

де A₀ і A₁ − коефіцієнти, які визначаються за графіками на рис. 7.16 і 7.17.

Рис. 7.16. Графік для визначення коефіцієнта А₀ (насадка − металеві кільця Паля)

Рис. 7.17. Графік для визначення коефіцієнта А₁

Характеристики основних типів насадок наведені в додатку .

З урахуванням коефіцієнта можливого збільшення продуктивності K₇, попередній розрахунковий діаметр колони складе:

.

З двох заздалегідь розрахованих величин D для верхньої і нижньої частин колони вибирають найбільшу величину D_max. Із стандартного ряду діаметрів приймають найближчий (вищий за значенням) до D_max, що є попереднім діаметром колони D_поп.

Дійсний розрахунковий діаметр колони D_p визначають за розрахунковою швидкістю w_p, яка є функцією максимально допустимої швидкості w_д.max,

,

де ;

.

Значення коефіцієнтів K₁ і K₂ приймають за табл. 7.4. Величина А = f(μ_х). Попередня об’ємна швидкість рідини:

,

де .

Відповідно до вищого розрахункового значення D_p для нижньої і верхньої частин колони приймають для проектування діаметр колони D_к із стандартного ряду діаметрів.

Якщо D_p > 2,8 м, розрахунок припиняють, оскільки стандартної насадочної колони такого діаметру немає.

Для колони, прийнятої до проектування:

• вільний перетин колони f_к = 0,785∙D_к²;

• об’ємна швидкість рідини L_V = L/f_к;

• швидкість газу в колоні w = V/f_к;

• чинник навантаження по газу F = w(ρ_y)^0,5.

Висоту шару насадки визначають за рівнянням:

,

де N_Т − число теоретичних тарілок;

h_екв − висота насадки, еквівалентна одній теоретичній тарілці.

Висоту насадки з кілець Рашига, еквівалентну одній теоретичній тарілці, можна розрахувати за рівнянням:

,

де d_екв = 4ε/а − еквівалентний діаметр насадки;

m − тангенс кута нахилу ділянки лінії рівноваги.

Для нерегулярної насадки h_екв орієнтовно можна розрахувати відповідно до рівності:

.

Коефіцієнти К₅ і К₆ підбирають по табл. 7.4.

Величину f(d/D_к) наближено визначають за рис. 7.18 або розраховують за рівнянням:

.

Якщо d/D_к ≤0,043, приймають f(d/D_к) = 1.

Рис.7.18. Залежність функції f(d/D_к) від співвідношення d/D_к

Гідравлічний опір насадки для систем газ - рідина і пара - рідина в точці інверсії можна розрахувати за рівнянням:

,

де − опір насадки за наявності зрошування в точці инверсії для такої ж швидкості газу, як і при сухій насадці (на 1 м її висоти);

L/G − відношення масових витрат рідини і газу (пари);

− опір сухої насадки (на 1 м її висоти).

Значення А, m, n і с приведені в табл. 7.5.

Таблиця 7.5

Значення коефіцієнтів А, m, n і с

Система	А	m	n	c
Газ - рідина при	8,4	0,405	0,225	0,045
Газ - рідина при	10	0,945	0,525	0,105
Пара - рідина при	0,352	0,342	0,190	0,038

Гідравлічний опір шару сухої насадки:

;

еквівалентний діаметр:

;

робоча (дійсна) швидкість:

,

де Н − висота шаруючи насадки, м;

λ − коефіцієнт опору насадки;

w_ф − фіктивна швидкість газу, віднесена до повного перерізу незаповненого скрубера, м/с;

а − питома поверхня насадки, м²/м³;

ε − вільний об’єм насадки, м³/м³;

R_г − гідравлічний радіус насадки, м.

Коефіцієнт опору насадки λ є функцією критерію Re_y для газового (парового) потоку:

і λ можна визначити за такими співвідношеннями:

при Re_y < 80 ;

при 80 < Re_y < 400 ;

при 400 < Re_y .

Гідравлічний опір в режимі емульгування вище точки інверсії:

;

,

де ρ_е − густина газорідинної або парорідинної емульсії.

Висота переливної труби в насадочній колоні, що забезпечує роботу в режимі емульгування, дорівнюватиме

де Н − загальна висота рідини в колоні.

Опір зрошуваної нерегулярної насадки загального призначення на 1 м висоти шару можна розрахувати за рівнянням:

.

Коефіцієнти K₃ і K₄ підбирають за табл. 7.4.

Загальний гідравлічний опір шару насадки обчислюють за формулою:

;

тиск в нижній частині колони:

,

де Р_в − тиск у верхній частині колони.