Проект абсорбционной установки непрерывного действия

    Существует некоторая  минимальная эффективная плотность  орошения , выше которой насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную плотность орошения находят по соотношению [3]:

                                      ,                                         (1.1.4.7)

 где  – эффективная линейная плотность орошения, м²/с.

 

    Для керамических колец Палля размером 60 мм 

                               м³/м²с

     Коэффициент смачиваемости насадки для керамических колец Палля при заполнении колонны внавал можно определить из следующего эмпирического уравнения [6]:

                                       ,                          (1.1.4.8)

где – диаметр насадки;

                         

    При абсорбции  водой и водными растворами  хорошо растворимых газов, смоченная  поверхность насадки уменьшается  [3]. Поэтому полная смачиваемость  достигается при более высоких  значениях Г. Для таких систем  значение , может быть рассчитано по уравнению:

                                   ,                         (1.1.4.9)

где Г_min – минимальная линейная плотность орошения, кг/(м·с); ϭ –поверхностное натяжение, мН/м.

                         кг/(м·с)

   Доля активной  поверхности  может быть найдена по формуле[3]:

                                       ,                                (1.1.4.10)

 где  – коэффициенты, зависящие от типа насадки [4].

    Подставив численные  значения, получим:

                                

    Как видим,  не вся смоченная поверхность  является активной. Наибольшая активная  поверхность насадки достигается  при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое  число точек орошения и на  1 м² поперечного сечения колонны [3]. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства[3].

 

    В разбавленных  растворах коэффициент диффузии  может быть достаточно точно вычислен по формуле [3]:

                                     (1.1.4.11)

где – мольная масса C₃H₆O, кг/моль; – температура C₃H₆O, К;– вязкость C₃H₆O, Па·с; – мольный объём C₃H₆O, см³/моль; – параметр, учитывающий ассоциацию молекул.

 

      Подставив  численные значения в уравнения(1.22) получим: 

                           м²/с,

                             ,

                          

                           

                    

     Выразим в выбранной для расчёта размерности:

 

где средняя объёмная концентрация C₃H₆O в поглотителе,    кгC₃H₆O /(м² см).

    По уравнению  (1.8) рассчитаем коэффициент массопередачи  в газовой фазе :

                             

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.5. Расчёт высоты колонны

 

Поверхность массопередачи  и высота абсорбера.

Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (1.1.1) равна:

 м² .

Высоту  насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле

,                                  (1.1.5.1)

Подставив численные значения, получим:

 м.

Обычно  высота скрубберов не превышает 40–50 м., в нашем случае это условие выполняется.

С учетом того, что высота слоя насадки в  одной секции м, общее число секций в колонне составляет 13.

Общую высоту абсорбционной установки определяют по формуле:

,                   (1.1.5.2)

где – высота насадки в одной секции;

 – число секций;

 – высота промежутков  между секциями насадки, в которых  устанавливают распределители жидкости, м;

 и  – соответственно расстояние от верха насадки до крышки и расстояние между днищем и низом насадки.

Расстояние  между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения

брызгоуноса из колонны). Согласно [1], примем эти расстояния равными

 

соответственно 2,5 и 1,4 м. Тогда  общая высота абсорбера:

 м.

 

1.1.6. Расчёт гидравлического сопротивления колонны

 

Гидравлическое  сопротивление обусловливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле [4]:

,                              (1.1.6.1)

где – гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па;

U – плотность орошения, м³/(м²·с);

b – коэффициент, значения которого для керамических колец Палля внавал равен [3].

Гидравлическое  сопротивление сухой насадки  определяют по уравнению:

,                                    (1.1.6.2)

,                                            (1.1.6.3)

где – скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;

 – коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления  для беспорядочно насыпанных кольцевых  насадок рассчитывается по формуле  для турбулентного режима движения ():

.                                                (1.1.6.4)

,

 

 м/с,

 Па,

 Па.

 

Приведённый расчёт выполнен без учёта влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.). которые в ряде случаев могут привнести в расчёт существенные ошибки. Эти явления по-разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведёнными в литературе [2, 4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Расчёт штуцеров колонны.

 

Диаметры штуцеров для  входа и выхода материальных потоков  в абсорбере рассчитывают по уравнению  расхода:

,                                   (1.2.1)

где G – массовый расход среды, кг/с.

Вход и выход в колонне  поглотителя:

Принимаем скорость перемещения воды по трубопроводу ω=3,3 м/с

Диаметр штуцеров:

 

Принимаем d_шт=65 мм

Вход и выход газа:

Принимаем скорость перемещения газового потока по трубопроводу:

 

При этом:

 

  Принимаем d_фл.=1000 мм.

Выбираем для труб и  трубной арматуры газопровода фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 МПа с соединительным выступом с основными размерами:

 

Диаметр	Давление	Внешний диаметр	Высота фланца	Диаметр соединительных отверстий
D=1000 мм	Py<2,5МПа	Dф=1020	h=25	d=23

 

 

Выбираем для труб и  трубной арматуры трубопровода поглотителя  штуцеры стальные:

Диаметр внутренний	Давление	Внешний диаметр	Длина штуцера	Диаметр резьбы
D=65 мм.	Py<32 МПа	Dш=102 мм.	h=180 мм.	М240×6,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчёт  холодильника абсорбента.

2.1. Тепловой  баланс холодильника.

После нагрева поглотителя, с растворённым в нём аммиаком, в десорбере  абсорбент проходит регенерацию  и возвращается обратно в абсорбционную  колонну. Для это поглотитель (воду) нужно охладить до температуры абсорбции. В качестве охладителя примем пластинчатый теплообменник.

Исходные данные:

Расход поглотителя (воды) G=0,98 кг/с

Начальная температура поглотителя (воды) t_1н=55ºС

Конечная температура поглотителя (воды) t_1к=20ºС

Плотность поглотителя (воды) ρ₁=998 кг/м³

Вязкость поглотителя (воды) *₁=0,89 мПа·с

Коэффициент теплопроводности поглотителя (воды) λ₁=0,61 Вт/м·К

Теплоёмкость поглотителя (воды) с₁=4,21 кДж/кг·К

Число Прандтля поглотителя (воды) Pr₁=6,27

Начальная температура охлаждающей  жидкости (воды) t_2н=15ºС

Конечная температура охлаждающей  жидкости (воды) t_2к=80ºС

Плотность охлаждающей жидкости (воды) ρ₂=999 кг/м³

Вязкость охлаждающей жидкости (воды) *₂=1,14 мПа·с

Коэффициент теплопроводности охлаждающей  жидкости (воды) λ₂=0,58 Вт/м·К

Теплоёмкость охлаждающей жидкости (воды) с₂=4,12 кДж/кг·К

Число Прандтля охлаждающей жидкости (воды) Pr₂=8,3

 

 

Рис. 2.1.1 – Схема движения теплоносителей

 

Определим ориентировочные значения коэффициента теплопередачи k для плоской стенки:

k=,                                             (2.1.1)

где α ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи:

k==952 Вт/м²К

По  ориентировочному значению k определяют предварительное эскизное значение поверхности теплообмена Fэс:

Fэс=_,                                               (2.1.2)

Тепловая  нагрузка аппарата:

Q=Gc_1,                                             (2.1.3)

Q=0,98·4180·50=395010 Вт

Определяют  средние температуры теплоносителей в аппарате. Если можно принять  теплоёмкости постоянными, то среднюю  температуру теплоносителей можно  определить по формуле, при противотоке:

Средняя разность температур:

_,                                     (2.1.4)

_{= 4}7,5 ºС

Fэс=₌8,74 м²

 

 

Рассмотрим  пластинчатый теплообменник поверхностью 10 м², поверхность пластины 0,6 м², число пластин N=20 [1].

Скорость  жидкости и число Re в 10 каналах площадью поперечного сечения канала 0.00245 м² и эквивалентным диаметром канала 0.0083 м [1]

ω₂=,                                          (2.1.5)

ω₂=

Re₂= ω₂d_эρ₂/ *₁,                                       (2.1.6)

Re₂= 0,08·0,0083·999/ 0,00089=745,3

Коэффициент теплоотдачи от поглотителя рассчитан  по формуле:

α₂=_Re2^0.73·Pr₂^0.43,                                  (2.1.7)

α₂=745,3^0,73·8,3^0,43=2169,45 Вт/(м²К)

Коэффициент теплоотдачи к охлаждающей жидкости:

Re₁= G₁L/ *₂F,                                         (2.1.8)

где L – приведённая длина канала, равная 1,01 м [1]

Re₁= 9·1,01/ (0.00114·10)= 797,37

α₂=_Re1^0,73·Pr₁^0,43,                                 (2.1.9)

α₁=797,37^0.73·6,27^0.43=2124,66 Вт/(м²К)

Толщина пластины 1мм, материал – нержавеющая сталь, =20 Вт/(мК).

Коэффициент теплопередачи:

К=(1/α₂+1/α₁+)^-1,                                    (2.1.10)

К=(1/2124,66+1/2169,45+0,001/20)^-1=1018 Вт/(м²К)

Требуемая поверхность теплопередачи:

F=Q/ _,                                      (2.1.10)

F=395010/₌8,2 м²

Определение запаса поверхности теплопередачи:

Δ=(10-8,2)/8,2=22%

 

2.2. Расчёт  штуцеров холодильника.

 

Диаметры штуцеров для входа  и выхода материальных потоков в  охладитель рассчитывают по уравнению  расхода:

,                                   (2.2.1)

 

где G – массовый расход среды, кг/с.

 

Вход и выход поглотителя (воды):