Расчет насадочного абсорбера

Введение

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых  или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом. Если поглощаемый газ  – абсорбтив – химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречает сочетание обоих видов абсорбции.

Физическая абсорбция обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов  основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция. Десорбцию  газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции  абсорбенты обычно регенерируют химическими  методами [1].

Сочетание абсорбции и десорбции  позволяет многократно применять  поглотитель и выделять поглощенный  газ в чистом виде. Часто десорбцию  проводить не обязательно, так как  полученный в результате абсорбции  раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппараты – абсорберы – должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами. По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: пленочные; насадочные; тарельчатые; распыливающие.

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой  колонны, заполненные насадкой –  твердыми телами различной формы. В  насадочной колонне 1 (рисунок 1 а, б) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров, а между секциями устанавливают перераспределители жидкости 5 (рисунок 1 б), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси.

а – насадочный абсорбер с одной секцией;

б – насадочный абсорбер с перераспределителем жидкости

Рисунок 1 – Насадочные колонны

 

 

Жидкость в насадочной колонне  течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая  пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и  брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения  насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.

Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз  является смоченная поверхность  насадки. Поэтому насадка должна иметь, возможно, большую поверхность  в единице объема. Вместе с тем  для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять  следующим требованиям: хорошо смачиваться  орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей  жидкости должен быть лиофильным; оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь, возможно, большее значение свободного объема или сечения насадки; создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу, для этого насадка должна также иметь большие значения пористости ε или свободного сечения S_св; иметь малую плотность; равномерно распределять орошающую жидкость; быть стойкой к агрессивным средам; обладать высокой механической прочностью; иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые  бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям  нарушает соответствие другим.

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных  по форме и размерам насадок, изготовленных  из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые  удовлетворяют основным требованиям  при проведении того или иного  процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига (рисунок 2), имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Такую насадку называют нерегулярной. Большие кольца укладывают правильными рядами, сдвинутые друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку – регулярной [1,2].

1 – кольца Рашига; 2 – нерегулярная насадка; 3 – регулярная насадка

Рисунок 2 - Виды насадки

 

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением  размеров ее элементов увеличивается  допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера  снижается. Общая стоимость колонны  с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра абсорбера, несмотря на то, что высота насадки  несколько увеличится по сравнению  с таковой в абсорбере, заполненном  насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции  плохо растворимых газов более  подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

 

1 Технологический расчет абсорбера

 

1. Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

 

Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранной  для расчета размерности [3]:

Начальное содержание хлора в газе:

,      (1.1)

где ρ_0y – плотность газа при нормальных условиях, [4].

 

Конечное содержание хлора в  газе определяем по уравнению (1.2):

,      (1.2)

 

Начальное содержание хлора в абсорбенте (воде) определяем по уравнению (1.3):

,      (1.3)

 

Построение равновесной зависимости  (рисунок 3). Для сильно разбавленных растворов можно использовать равновесную зависимость:

,      (1.4)

где m - коэффициент распределения или константа фазового равновесия.

Определим коэффициент распределения  для данной системы по уравнению (1.5):

,      (1.5)

где Е – коэффициент Генри для поглощаемого компонента в жидком поглотителе  при температуре абсорбции, Па;

П – абсолютное давление в аппарате, Па.

Для хлора коэффициент Генри при температуре абсорбции t=25⁰C равен:  Е=0,454∙10⁶мм.рт.ст. =0,454∙10⁶∙133,3=60,5∙10⁶ Па=60,5 МПа [4].

 

Равновесную конечную концентрацию хлора  в воде при температуре абсорбции определим, используя равновесную зависимость (1.4):

 

Минимальный удельный расход поглотителя определяем по уравнению (1.6):

,     (1.6)

 

Конечная концентрация вещества в  поглотителе Х_к обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому Х_к выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. В химических производствах расход абсорбента L принимают на 30 – 50% больше минимального L_min . В этом случае конечную концентрацию Х_к определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию [2].

Определим удельный расход абсорбента с учетом коэффициента избытка орошения по уравнению (1.7):

,     (1.7)

 

Определим конечное (рабочее) содержание хлора в жидкости по уравнению (1.8):

,     (1.8)

 

Определим  расход инертной части  газа по уравнению (1.9):

,    (1.9)

где  y_об – объемная доля распределяемого компонента (хлора) в газовой смеси, определяемая по уравнению (1.10):

(1.10)

где М_Cl - мольная масса хлора, М_Cl = 70,9 кг/кмоль.

 

 

Расход поглощаемого компонента (хлора) по формуле (1.11):

(1.11)

 

Определим массовый расход поглотителя (воды) по формуле (1.12):

(1.12)

 

 

2. Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

 

Определим предельную фиктивную скорость газа (скорость захлебывания) по формуле (1.7).

,  (1.13)

где ε — свободное сечение насадки, м²/ м²;

а — удельная поверхность насадки, м²/м³;

ρ_y , ρ_x  – плотности газовой смеси и жидкости при рабочих условиях в абсорбере соответственно, кг/м³;

m_ж - вязкость абсорбента при температуре абсорбции, мПа·с;

L и G — массовые расходы жидкости и газа, кг/с;

Коэффициенты А и В в уравнении определяются экспериментально и зависят от условий эксплуатации аппарата, конструкции элементов насадки и ее размеров.

Определим параметры уравнения, зависящие  от насадки. В качестве насадки используем керамические кольца Рашига  25х25х5 засыпанные внавал. Для данного типа насадки находим [1, с.524, табл. XVII]

 Удельная поверхность -  a=204 м²/м³; свободный объём -  e=0,74 м³/м³

Плотность и вязкость поглотителя (воды)  при температуре 25°С  равны:

r_х= 997 кг/м³, [1, с.512, табл.IV];    m_х= 0,902 мПа^.с.

Значения коэффициентов для  колец  А=- 0,073 и В= 1,75.

Подставим имеющиеся значения в  уравнение и выразим предельную скорость (скорость захлебывания).

Плотность газа при рабочих условиях в абсорбере по формуле (1.14):

,     (1.14)

где М_см- мольная масса газовой смеси, кг/кмоль.

 

 

 

_{Тогда после подстановки} 

 

получаем: w_пр=0,0376 м/с, рабочая скорость w=0,75^.w_пр=0,028 м/с.

Найдем диаметр  абсорбера из уравнения расхода (1.15):

,   (1.15)

 

 

 

Принимаем  стандартный диаметр аппарата  D= 1,4м = 1400 мм.

 При этом действительная рабочая скорость газа в колонне будет равна:

 

 

3. Расчет движущей силы

 

Определим среднюю движущую силу массопередачи по уравнению (1.16):

,     (1.16)

где    и - движущие силы на входе и выходе из аппарата, _.

_,

 

Равновесную концентрацию хлора в  газе, равновесную с концентрацией  в жидкой фазе на входе в абсорбер определим по уравнению равновесия (1.4):

 

 

Равновесную концентрацию хлора в  газе, равновесную с концентрацией  в жидкой фазе на выходе в абсорбер определим по уравнению равновесия (1.4):

 

 

Тогда:

 

 

 

 

1.4 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

 

Плотность орошения определяем по формуле (1.17):

,     (1.17)

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м².

 

Минимальная эффективная плотность  орошения определяется по уравнению (1.18):

,     (1.18)

где q_эф=0,022∙10^-3 м²/с, [3].

Тогда:

 

В проектируемом абсорбере плотность  орошения U выше  U_min, поэтому в данном случае коэффициент смачиваемости  насадки Ψ  равен 1.

 

1.5 Расчет коэффициентов массоотдачи

 

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи в газовой фазе β_у находят из уравнения (1.19):

,   (1.19)

Коэффициент диффузии хлора  в газе можно рассчитать по формуле (1.20):

,    (1.20)

где М_Cl и М_г – мольные массы хлора и инертного газа, кг/кмоль;

υ_Cl и υ_г– мольные объемы хлора и ин.газа, см³/моль;

υ_Cl= 2∙24,6=49,2 см³/моль;   υ_г= 29,9 см³/моль.

Р – абсолютное давление в абсорбере, кгс/см².

 

Число Рейнольдса для насадочного абсорбера определим по формуле (1.21) :

,    (1.21)

где μ_у – коэффициент динамической вязкости газовой смеси, Па∙с.

 

_{dЭ – эквивалентный диаметр насадки.}

 

 

 

 

 

 

 

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной для расчета размерности:

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находим из обобщенного уравнения (1.22):

,    (1.22)

где  - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Тогда:

,

где D_х – коэффициент диффузии хлора в воде, м/с;

- приведенная толщина стекающей  пленки жидкости, м;

  - модифицированный критерий  Рейнольдса для стекающей

по насадке  пленки жидкости;

   -  диффузионный критерий  Прандтля для жидкости.

Коэффициент диффузии хлора  в жидкости (воде) при 20°С равен:

D_x=1,6∙10^-9 м²/с.

Для заданной температуры абсорбции 25°С коэффициент диффузии можно пересчитать по формуле:

,

где b – коэффициент, определяемый по формуле: