4. Приклад розрахунку безперервно діючої абсорбційної насадкової колони, яка працює в плівковому режимі

4.1. Завдання на проектування

Розрахувати безперервно діючу абсорбційну насадкову колону для поглинання аміаку водою з повітря при аналогічних умовах, які приведені в розділі 3 "Приклад розрахунку безперервно діючої абсорбційної колони з ковпачковими тарілками". Додатково вводиться обмеження по гідравлічному опору колони, який не повинен перевищувати допустимий опір ΔР_доп=1200 Па.

4.2. Розрахунок діаметра колони

Тип і розмір насадки (рис. 3, табл. 6 Додатку 3) вибирають за наступними параметрами [10]:

• оптимальним навантаженням по газу і рідині (рис. 4 Додатку 3);

• опору насадки даного навантаження по рідині і швидкості газу (рис. 5 Додатку 3);

• орієнтованій ефективності насадки (рис. 6 Додатку 3).

Перше вибирають металеву насадку кільця Палля 25х25х1 мм. Вибір типу і розміру насадки уточнюють після повного розрахунку вказаних параметрів.

Побудову рівноважної і робочої ліній на діаграмі у–х, розрахунки матеріальних потоків і фізико-хімічних властивостей речовин див. в розділі 3.

Знаходять приведену швидкість газу при захлинанні (інверсії фаз) W_з, застосувавши рівняння Бейна – Хоугена (2.51). У рівняння підставляють витрати газу і рідини і їх густину, які відповідають найбільше навантаженій по газу і рідині нижній частини колони

.

Визначають параметри рівняння.

Масова витрата рідини на виході з колони

Масова доля аміаку в рідині на виході з колони

Густина 11,72 % (мас.) аміачної води при температурі 20ºС складає кг/м³ (див. табл. 9 Додатку 2), а в’язкість μ_х=0,8360 мПа·с.

Масова витрата газу на вході в колону G_{у п}=3,3736 кг/с.

Густина газу на вході в колону кг/м³.

Металева насадка кільця Палля 25х25х1 мм має наступні геометричні параметри a =176 м²/м³, ε=0,925 м³/м³ (див. рис. 3 і табл. 6 Додатку 3), а коефіцієнти b і с відповідно рівні 0,022 і 1,75.

Остаточно

Розв’язуючи рівняння, одержують W_з = 2,7129 м/с.

Оскільки робота колони обмежена по гідравлічному опору, доцільно забезпечити її роботу в плівковому режимі. Приймають відношення приведеної швидкості газу в колоні до приведеної швидкості газу при захлинанні W/W_з=0,4. Розраховують приведену швидкість газу в колоні

.

Розрахунковий діаметр колони

.

Приймають стандартний діаметр обичайки колони D=1,8 м.

Розраховують площу перетину колони

.

Уточнюють приведену швидкість газу

.

Уточнюють відношення приведених швидкостей газу

.

Густина зрошення

.

4.3. Визначення висоти колони

Розраховують число одиниць переносу, яке виражене через рушійну силу в газовій фазі, застосувавши чисельний метод Сімпсона.

Визначають більшу і меншу рушійні сили. Дані вибирають з рівноважної і робочої ліній, які зображені на діаграмі у–х (див. рис. 3.2).

Із нерівності

з'ясовують, що розрахунок числа одиниць переносу достатньо вести за трьома значеннями функцій. Поділяють відрізок (у_п, у_к) на два рівних відрізка і розраховують значення аргументу

Значення функцій

,

,

.

Число одиниць переносу розраховують по рівнянню (2.37)

Середня рушійна сила

Розраховують висоту одиниці переносу для рідкої фази.

Критерій Рейнольдса для рідкої фази

,

де

μ_х=0,9094·10^-3 Па∙с – в’язкість 6,32% (мас.) аміачної води при робочій температурі.

Дифузійний критерій Прандля для рідкої фази

.

Приведена товщина плівки

.

Висота одиниці переносу для рідкої фази

Розраховують висоту одиниці переносу в газовій фазі.

Висота одиниці переносу для газової фази в точці підвішування W/W_з=0,6

Висота одиниці переносу для газової фази в точці захлинання (інверсії фаз) W/W_з=1,0

Дифузійний критерій Прандля для газу

Розраховують для точок підвішування (W/W_з=0,6) і захлинання (W/W_з=1,0). Дані наносять на логарифмічну шкалу, див. рис. 4.1. Пряма лінія, яка проведена через розрахункові точки, дає залежність від W/W_з для металевих кілець Палля розміром 25х25х1 мм. Величину h_{у пл} знаходять при відносній приведеній швидкості газу W/W_з=0,41.

Зручно розраховувати висоту одиниці переносу для газової фази, якщо знайти аналітичну залежність h_y від W/W_з. Для цього діють наступним способом. Складають таблицю 4.1.

Таблиця 4.1.

До розрахунку h_y

0,6	-0,2218	0,6255	-0,2038
1,0	0,0	0,5000	-0,3010

Рис. 4.1. Залежність від W/W_з для металевих кілець Палля розміром 25х25х1 мм: а – розрахункові точки; б – шукана точка при W/W_з=0,41; в – шукана точка при W/W_з=0,92.

Застосовують програмну середу, наприклад, Excel, за допомогою якої проводять лінійну апроксимацію розрахованих табличних точок , див. табл. 4.1. Одержують рівняння

.

Остаточно аналітична залежність h_y від W/W_з має вигляд

.

Звідси висота одиниці переносу для газової фази в точці W/W_з=0,41 (плівковий режим роботи)

Середньо арифметична константа фазової рівноваги (дані вибирають із таблиці 3.2)

.

Середня мольна витрата газу

.

Середня мольна витрата рідини

.

Загальна висота одиниці переносу, яка виражена в концентраціях газової фази

Робоча висота насадки для плівкового режиму при W/W_з=0,41 рівна

м.

Для проведення ізотермічної абсорбції в насадковій колоні організують відведення нагрітої і повернення охолодженої аміачної води. В колоні виділяють перерозподільну зону висотою 0,7 м, де встановлюють глуху тарілку і розподільну тарілку ТСН-ІІІ.

Висота насадкової колони

м.