 |
Методы расчёта абсорбционных процессов
|
|
|
|
В последние годы привлекают внимание абсорбционные аппараты с псевдоожиженным слоем насадки. При разработке этих аппаратов необходимо определить не только основные конструктивные размеры, исходя из гидродинамических условий ведения процесса, но и параметры (число секций, высоту слоя насадки), которые могут быть рассчитаны на основе уравнений, базирующихся на физической сущности процесса абсорбции в этих условиях.
Пример 3.1. Абсорбер с псевдоожиженным слоем шаровой насадки [1].
Для орошаемой шаровой насадки характерны три режима “кипения” шаровых частиц:
1) режим начального псевдоожижения, характеризующийся постоянством или малым ростом гидравлического сопротивления с увеличением скорости газового потока;
2) режим промежуточного псевдоожижения – концентрация шаров в центральном ядре увеличивается, что влечет за собой увеличение количества удерживаемой слоем жидкости и вследствие этого рост гидравлического сопротивления слоя;
3) режим полного псевдоожижения, когда все шаровые частицы переходят в динамическое состояние.
Исследования гидродинамики в аппарате проведены [8] на системе воздух-вода-шаровая насадка. В качестве насадки использовались полые шары из полистирола диаметром dш с эффективной плотностью ρэ. Статическая высота Нст слоя насадки изменялась от 50 до 250 мм, скорость газового потока ωг – от 0,5 до 5 м/с, плотность орошения L – от 10 до 70 м3/(м3ч). При этом получены эмпирические формулы для определения критических скоростей газа (3.1 и 3.2).
Исходные данные приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Исходные данные
| № | Параметр | Обозначения | Ед.измерения | Величина параметра |
| Диаметр шаровой насадки Эффективная плотность шара Плотность орошения Удельный объемный расход газовой фазы | dш ρш L VГ | мм кг/м3 м3/(м2·ч) м3/(м2·ч) | 10-20 100-200 10-70 1000-10000 |
Продолжение табл.3.1
|
|
|
| Свободное сечение решетки Рабочая скорость газового потока Объемный расход газового потока Коэффициент распределения Плотность газа Вязкость газа Начальная концентрация абсорбтива в газе Конечная концентрация абсорбтива в газе | Fсв ω V M ρ μ·105 ун ук | м/с м3/ч кг/кг кг/м3 Па·с % об % об | 0,3-0,9 3-5 2000-10000 0,133-0,55 1,0-3,5 1,0-2,0 5-10 0,2-0,5 |
Решение:
1. Скорость газа, соответствующая началу псевдоожижения орошаемой насадки:
. (3.1)
2. Скорость газа, соответствующая началу уноса жидкости:
. (3.2)
3. Критическую скорость псевдоожижения сухой насадки определяют по формуле Тодеса:
, (3.3)
где 
– критерий Рейнольдса (dш – диаметр шара; ρ – плотность газа; μ – динамическая вязкость газа); 
– критерий Архимеда.
4. Диаметр колонны:
. (3.4)
5. Число единиц переноса по газовой фазе:
(3.5)
6. Число ступеней (тарелок) n:
, (3.6)
где φ = (ун – ук)/ ун – степень извлечения; А = L/(mG).
Коэффициент эффективности Еу (по газовой фазе):
, (3.7)
где 
; n0y – общее число единиц переноса по газовой фазе:
. (3.8)
Число единиц переноса по жидкой фазе nx:
. (3.9)
Пример 3.2. Абсорбер с псевдоожиженной кольцевой насадкой.
Кольца, выполненные из инертного по отношению к контактирующим фазам материала, движутся во всех направлениях по криволинейным траекториям, подвергая жидкую фазу дроблению на большое количество мелких струй, которые пронизываются газовыми вихрями, что позволяет увеличить время контакта фаз, межфазную поверхность и обеспечить высокую интенсивность массопереноса.
|
|
|
В качестве насадки используются полиэтиленовые кольца размером 40×20×2,7 мм.
Ниже приводится методика приближённого расчёта абсорбера с кольцевой насадкой в псевдоожиженном слое [9].
Исходные данные приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2
Исходные данные
| № п/п | Параметр | Обозначение | Единица измерения | Величина параметра |
| Скорость газового потока | ω | м/с | 4-доωmax | |
| Плотность газа | ρ | кг/м3 | 1,29-4,0 | |
| Свободное сечение провальной тарелки по отношению к полному поперечному сечению аппарата | Fсв | % | 40-55 | |
| Эффективная плотность колец насадки | ρк | кг/м3 | 1-3 | |
| Высота неподвижного слоя насадки | Hст | м | 0,15-0,2 | |
| Порозность неподвижного слоя кольцевой насадки | ε0 | – | 0,64-0,95 | |
| Плотность орошения | L | м3/(м2·с) | 36-120 | |
| Скорость газового потока в сепараторе | ωс | м/с | 2-2,5 | |
| Скорость газового потока в отверстиях ограничительной решётки | ωо.р. | м/с | 6-10 | |
| Объёмный расход газа, поступающего на очистку | V | м3/ч | 10000-40000 |
Решение:
1) Общее гидравлическое сопротивление одной ступени абсорбера определить по формуле:
. (3.11)
Составляющие общего гидравлического сопротивления (в Па) выражаются следующими соотношениями:
сопротивление сухой тарелки:
. (3.12)
сопротивление орошаемого аппарата:
. (3.13)
сопротивление, обусловленное жидкостью, задержанной в трёхфазной системе:
. (3.14)
сопротивление от веса кольцевой насадки, находящейся во взвешенном состоянии:
. (3.15)
2) Нижний предел устойчивой работы аппарата определяется минимальной скоростью псевдоожижения, которая может быть рассчитана по эмпирической зависимости:
(3.16)
3) Верхний предел устойчивой работы аппарата с сепарационным объёмом после каждой ступени определяется максимально допустимой скоростью газа, свыше которой нарушается работа аппарата в результате интенсивного брызгоуноса на вышележащую тарелку, величина которой рассчитывается по эмпирической зависимости:
. (3.17)
4) Рабочая скорость газового потока находится в пределах между ωмин и ωмакс (устойчивая работа аппарата). Определив рабочую скорость газового потока, рассчитывают диаметр колонны:
. (3.18)
5) Диаметр сепаратора определяют по формуле:
. (3.19)
6) Верхняя часть колонны вдаётся в сепарационное пространство и заканчивается ограничительной решёткой. Высоту ограничительной решётки сепаратора рассчитывают по формуле:
|
|
|
(3.20)
7) Динамическая высота слоя насадки Ндин (в мм) рассчитывается по эмпирической зависимости (Fсв = 50%):
. (3.21)
Библиографический список
1. Лукин В.А., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. – Л: Химия, 1980. – 232 с.
2. Зиганшин М.Г., Колесник А.А., Посохин В.И. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. М:”Экспресс-ЗМ”, 1998. – 505с.
3. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. – М: Химия, 1981. – 392 с.
4. Биргер М.И., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Русанов А.А., Урбах И.И. Справочник по пыле- и золоулавливанию. Под общ. ред. Русанова А.А. – М. “Энергия”, 1975. – 296с.
5. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Справочник. – М.: “Металлургия”. 1986. – 544 с.
6. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. – Л.: Химия, 1982. – 256 с.
7. Аэров М.Е., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. – Л.: Химия, 1968.
8. Серова Л.А. В кн.: Сборник трудов ВНИИБ, Л: 1972. вып. 60, с 111.
9. Крайнев Н.И., Парфенов Е.П. и др. Методические рекомендации для расчёта абсорберов с подвижной кольцевой насадкой. М., 1978.
|
|
|
