Расчетно-аналитический выбор пылегазоочистной установки

;

;

(ºС)

(ºС)

(ºС)

Рисунок 2.4.1 – Схема движения теплоносителей

 

(м²)

2.4.5. Определяем конструктивные  параметры теплообменника.

 

 

Рисунок 2.4.2 - Схема кожухотрубного теплообменника.

 

Из опыта известно, что при  таком расположении трубок коэффициент  заполнения равен:

,

 

 где S₁- площадь, занимаемая трубным пучком,

       S_тр- площадь, занимаемая трубным пучком.

      Принимаем, что  =0,8.

 
Принимаем, что  W_г=5 м/с , тогда                         

 

 

  (м²)

(шт)

D=

D=

Длина теплообменника составит:

 

 

 

Ширина крышки определяется по формуле:

 

.

(м)

 

Общая длина  теплообменника определяется из выражения:

 

,

 

(м)

 

2.5 Расчет  насадочного абсорбера

 

Абсорбционные методы санитарной очистки газов  основаны на способности жидкостей растворять газы. В процессе абсорбции участвуют две фазы – жидкая и газовая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или абсортивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, или инертным газом. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем или абсорбентом. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберами.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается химической реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

Широкое распространение  в промышленности в качестве абсорберов получили колонные аппараты, заполняемые насадкой. Контакт газа с жидкостью в таких аппаратах происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость.

Насадочный  абсорбер выполнен в виде цилиндра, в нижней части которого установлена опорная решетка. На решетку укладывают насадку. Орошающая жидкость подается на насадку сверху с помощью специальных оросительных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа, отвода жидкости. Штуцера для подачи жидкости и отвода газа расположены в верхней части аппарата.

От правильного выбора типа насадки  и ее укладки завися гидравлический режим и эффективность работы абсорбера. Наибольшее применение получила цилиндрическая кольцевая насадка  – кольцо Рашига, представляющая собой  тонкостенные тела, наружный диаметр которых обычно равен высоте.

Спроектировать  насадочный абсорбер для очистки  газа от диоксида углерода раствором (суспензией) Ca(OH)₂ при следующих условиях: степень очистки η=99%; температура раствора Ca(OH)₂ , подаваемого на орошение – 30ºС. Процесс протекает при атмосферном давлении P=10,133·10⁴ Па.

2.5.1. Определим объемные начальные и конечные концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси:

 

Vr = V1*3600 (м3/ч),

 

Vr =1,79*3600=6444 (м3/ч) ;

 

Мг.к = Свх * V (кг/ч),

 

Мг.к = 0,00962011*6444 = 110,99 (кг/ч);

 

 

;                                               (2.5.1)

,

 

где – масса извлекаемого компонента, кг/ч;

      – объем извлекаемого компонента, м³/ч;

      , – начальная и конечная концентрация, %.

 

Определяем  количество инертного газа и диоксида углерода, поступающих в абсорбер, из уравнения:

 

                                         ,                                                  (2.5.2)

где – удельная газовая постоянная, зависящая от молекулярной массы инертного газа и извлекаемого компонента соответственно;

       R – универсальная газовая постоянная. R=8,31·10³ Дж/(кмоль·град),

      – объем инертного газа и извлекаемого компонента соответственно, м³/ч.

Определяем  парциальное давление компонента на входе в абсорбер:

 

            (Па)                      (2.5.3)                 

 

Определяем  парциальное давление инертного  газа на входе в абсорбер:

 

(Па)  

 

Определяем  удельные газовые постоянные для  инертного газа и извлекаемого компонента

                                                                   (2.5.5)

 

                                

 

Тогда, используя  уравнение (5.2.2)              

    

(кг/ч);

 

 

Концентрация  Н₂ в поступающем газе, в килограммах на 1 кг инертного газа составит

                      (кг/кг)                         (2.5.6)

 

Количество поглощаемого Н_2:

 

;                                              (2.5.7)

(кг/ч).

Тогда

(кг/ч)

 

Определяем  массу газа на выходе:

                                  

                                             (2.5.8)

(кг/ч)

 

Действительный  расход поглотителя составит:

 

(кг/ч)

 

(кг/ч)

 

Содержание  Н₂ в уходящем поглотителе на 1 кг раствора составит

 

                                                       (2.5.9)

 

(кг/кг).

 

Принимаем

 

Удельный расход поглотителя

 

                                                                                          (2.5.10)

 

( кг/кг)

 

Полный расход поглотителя

 

                                                                  (2.5.11)

 

(кг/ч)

 

Уравнение материального баланса абсорбера имеет вид

 

                             (2.5.12)

 

 

Погрешность

(кг/ч)

 

(кг/ч), что допустимо.

 

 

2.5.2. Решение уравнений массопередачи

 

Из уравнения рабочей линии

 

,

 

принимаем     L/G=l, тогда     

 

                                    (2.5.13)

 

Ограничимся определением в точке, соответствующей среднему значению :

 

кг/кг

 

Для этой точки из (4.13) получим :

 

 

                                         (2.5.14)

 

=(0,00385-0,0083+1,847*0,0041)/1,877 = 0,00173 (кг/кг)

 

Для построения линии равновесия  на входе газа принимаем

 

0,0041кг/кг;   =0,0083 кг/кг.

 

Парциальное давление диоксида углерода над раствором  на входе газа составит 

 

P^*=

Па.

 

 

Равновесное значение

 

=P^*/P;

 

=0,0299 ( кг/кг).

 

Аналогично  на выходе газа:

 

=0;

 

=0,000603 ( кг/кг).

Для средней  точки:

 

=0,00173 (кг/кг);

 

 

(кг/кг);

 

P^*

Па

 

=3066,85 / 101330=0,03027 кг/кг.

 

Исходя из полученных данных, можно построить график:

Рисунок  2.5.1 – График уравнений рабочей линии  и линии равновесия

Определяем

 

(кг/кг)

 

(кг/кг)

Сравниваются  численные значения и . То значение, которое больше принимается , а то значение, которое меньше –

Находим среднюю  движущую силу процесса

 

 

Движущая сила для переноса водорода:

 

=0,0436 кг/кг , =   кг/кг.

 

(кг/кг)

 

Число единиц переноса:

 

;

 

= (0,0083-0,000603) / 0,005867 =1,3119

 

В качестве насадки  выбираем кольца Рашига размером 25х25х3 мм.

По приложению А  определяем характеристику насадки: а=100 м²/м³; ε=0,735 м³/м³; d_экв=0,027м; штук 8500 в м³; ρ=670 кг/м³.

Плотность смеси  воздуха и водорода:

 

;

 

(6712,35*1,29+59,496*0,099) / (6712,35+55,496) = 1,2802  (кг/м³).

Плотность и  вязкость жидкости   =999 кг/м³;  =0,0008 Па·с

Площадь сечения  абсорбера определяется из условия  скорости газа к свободному сечению аппарата =1 – 2 м/с. Принимаем =1,8 м/с.

 

,

где .

 

 

S_a= 6767,846/(3600*1,8*1,2802) = 0,8158 ( м²).

 

Откуда диаметр  аппарата:

 

D_A=

; 

 D_A=

=1,019 (м).

 

Определим высоту единицы переноса (ВЕП):

- для газовой  фазы:

 

h_Г=0,615*d_Э*Re^0,345*Pr^2/3

;

 

-для жидкой  фазы:

 

h_ж=119* Q_ПРИВ *Re_ж^0,25*Pr_ж^0,5

 

где Q_ПРИВ. – приведенная толщина пленки жидкости, м;

 

Q_ПРИВ.=

;

      Коэффициент диффузии кислорода в газе-носителе (воздухе) при 30ºС, определяется по формуле:

;

 

где D₀ – коэффициент диффузии О₂ в воздухе при P=101330 Па и 0 ºС                                        (D₀=0,175*10^-4 м²/с), 

Т – абсолютная температура газа, К;

Т₀ – температура, при которой определен коэффициент диффузии, К.

 

(м²/с).

 

Критерий Рейнольдса для смеси:

 

 

где а – удельная поверхность колец Рашига,

     =G/(3600*S_a) –массовая скорость,

 

= 6767,846 (кг/ч),

 

=6767,846 /(3600*0,8158)=2,3044 (кг/м²·с) ;

 

 

=0,0084·10^-3 Па·с.

 

= 10952,381.

 

Критерий Рейнольдса для жидкой фазы:

 

,

 

где

=L_о/(3600*S_a) = 14065,57 / (3600*0,13) = 30,054 ( кг/м²·с);

 

=0,8·10^-3 Па·с

 

 

Коэффициент диффузии О₂ в жидкой фазе при 20ºС определяется по справочным данным. D₂₀=0,0305*10^-5 м²/с.

Коэффициент диффузии D₃₀ при 30ºС определяется из уравнения:

 

D_Ж30=D_20*[1+b_t*(t-20)]

 

D_Ж30=0,0305*10^-5 *[1+0,0179* (30-20)]=0,036*10^-5 (м²/с),

 

где b_t – температурный коэффициент:

 

 

.

 

Диффузионное  число Прандтля для газа:

 

Pr_Г=μ_см/(ρ_см*D_Г)

 

Pr_Г=0,0084*10^-3/(0,09*7,13*10^-3)=1,31

Диффузионное  число Прандтля для жидкости:

 

Pr_Ж=μ_Ж/(ρ_Ж*D₃₀)

 

 

Pr_Ж=0,8*10^-3/(999*0,036*10^-5)=2,23