Расчет скорости и диаметра абсорбера

Насадочные колонны. При противотоке газа и жидкости в зависимости от скоростей потоков наблюдаются четыре различных гидродинамических режима.

1. Пленочный режим наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости.

2. Режим подвисания характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличивается.

3. Режим захлебывания или барботажный возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит сил трения. Накопление жидкости в насадке приводит к обращению (инверсии) фаз: газ перестанет быть сплошной фазой и движется путем барботажа через слой заполнившей насадку жидкости, уровень которой может быть установлен на произвольной высоте (как выше, так и ниже верха насадки).

Режим захлебывания соответствует максимальной эффективности насадочной колонны. Причина высокой интенсивности в режиме захлебывания объясняется большой поверхностью соприкосновения фаз, которая определяется в этом режиме не геометрической поверхностью насадки, а условиями барботажа. Работа аппаратов в режиме захлебывания неустойчива. Поэтому на практике применяют абсорберы с искусственно затопленной насадкой (эмульгационные колонны), работающие достаточно устойчиво.

4. Режим уноса возникает при повышении скорости газа против величины, соответствующей режиму захлебывания (барботажа). Происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом в основном в виде брызг.

В настоящее время насадочные колонны преимущественно проектируются для следующих условий работы.

1. Рабочая скорость газа несколько меньше скорости , при которой наступает инверсия фаз:

.

Скорость в обычных насадочных колоннах, работающих в условиях затопления насадки и появления эмульгационного слоя (т.е. в режиме инверсии фаз), определяется по уравнению:

.

Здесь – вязкость жидкости при температуре процесса; – вязкость воды при температуре 20ºC; А=0,022 – коэффициент для насадки из колец и спиралей.

2. При работе в режиме эмульгирования предельную скорость эмульгирования определяют из формулы:

.

3. Скорость газа, соответствующая оптимальному режиму работы обычных насадочных колонн, может определяться по уравнению:

,

отсюда

,

где - критерий Рейнольдса, значение которого соответствует началу подвисания:

.

Критерий Архимеда:

.

Здесь – эквивалентный диаметр насадки; G – расход газа (пара); L – расход жидкости.

Вычисленная по этому методу составляет примерно 80 % от скорости захлебывания.

Расчет диаметра колонны. Диаметр колонны D_к определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне газов (паров):

.

По [3] принимается стандартный диаметр колонны и уточняется скорость газа (пара):

.

Определение плотности орошения[2]. Для обычных насадочных колонн после определения диаметра абсорбера необходимо рассчитать действительную плотность орошения U, которая должна быть не меньшеU_опт:

,

где b – коэффициент (при абсорбции аммиака водой м³/(м²с); при абсорбции паров органических жидкостей м³/(м²с); при ректификации м³/(м²с) ).

Если плотность орошения U меньше U_опт, насадка будет недостаточно смочена; в связи с этим в процессе массопередачи будет участвовать не вся возможная поверхность. Это учитывается коэффициентом смачиваемости Ψ, который определяется при U/U_опт <1 по рис. 1.5.

Для увеличения плотности орошения U следует применять насадку с меньшей удельной поверхностью, чтобы снизить U_опт.

Максимальное смачивание насадки (Ψ=1) достигается при U/U_опт > 1. Кроме того, для равномерного смачивания насадки необходимо обеспечить следующее соотношение диаметра колонн D_к и диаметра насадки d_н:

.

Рис. 1.5. Коэффициент смачиваемости Ψ при различном отношении U/Uопт 1 – на насадке из колец навалом; 2 – на деревянной хордовой насадке.

Тарельчатые колонны. При противотоке газа и жидкости в зависимости от скорости потоков на тарелке устанавливаются режимы:

1) режим неравномерной работы;

2) режим равномерной работы;

3) режим газовых струй;

4) режим брызг.

Режим неравномерной работы наблюдается при малых скоростях газа в свободном сечении колонны . При рассматриваемом режиме образующаяся на тарелке двухфазная система состоит по высоте из трех зон (считая снизу вверх): зоны собственно барботажа (газ распределяется в виде пузырьков или газовых мешков – факелов), зоны неподвижной пены и зоны брызг. В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа не полностью открыты, имеет место пузырьковый режим барботажа. В ситчатых тарелках жидкость проваливается через отверстия и не успевает накапливаться на тарелках.

Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении скорости газа (до 1 м/с). При этом увеличивается высота зоны пены и уменьшается высота зоны собственно барботажа. В известных условиях зона собственно барботажа исчезает полностью и возникает так называемый пенный режим. Равномерный режим работы колпачковых тарелок характеризуется полным раскрытием прорезей всех колпачков и струйным движением газа (пара) через жидкость. В ситчатых тарелках истечение газа (пара) в жидкость происходит через все отверстия.

Режим газовых струй и брызг наблюдается при повышении скорости газа (пара) более 1 м/с. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается. В результате над пеной появляется большое количество брызг. При дальнейшем увеличении скорости газа (пара) наблюдается инжекционный режим: жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени уносится с ним в виде брызг.

Допустимая оптимальная скорость газа (пара) может быть определена по одному из ниже приведенных вариантов.

I вариант. Скорость газа должна быть ниже некоторого предельного значения w_пред, при котором начинается брызгоунос:

w_опт =(0,8 – 0,9) w_пред.

Значение w_пред приближенно можно определить по графику [4 рис. 17 –20, с. 624]. График составлен для тарелок с круглыми колпачками. Для тарелок других конструкций значения w_пред, найденные по графику, следует умножать на соответствующий поправочный коэффициент:

Тарелки Коэффициент

С прямоугольными колпачками 0,7

Ситчатые 1,35

Провальные 1,5

Задаваясь расстоянием между тарелками Н и определив в зависимости от ρ_г/ρ_жзначение w_пред и, далее, по формулам , w_опт и диаметр колонны D_к, проверяют соответствие Н диаметру колонны [8 или 9.2]:

D_к, м 0-0,6 0,6-1,2 1,2-1,8 1,8 и более

Н, м 0,15 0,3 0,46 0,6 и более

Если полученному значению D_к не соответствует Н, принимаем его согласно рекомендаций и выполняем расчет, повторно.

Минимальное расстояние между тарелками должно обеспечить работу гидравлического затвора на тарелке. Минимальное расстояние между тарелками со сливными устройствами определяется как

H_min =1,8D ρ/(ρ_ж g).

Для колпачковой тарелки

H_min =23300,

где F - площадь поперечного сечения колонны, м²; n - число колпаков на тарелке; d_к - диаметр колпачка, м.

Принятая величина Н должна быть равна H_min или больше.

II вариант

Допустимую оптимальную скорость газа (пара) в колонне можно определить по формуле:

.

Здесь С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости. Определяется по графику [1, рис. 7-2, с. 323].

III вариант.

Предельная скорость для тарельчатых колонн может также определяться по формулам:

1)для колонн с колпачковыми тарелками

,

где d_к – диаметр колпачка, см; Н_т - расстояние между тарелками, см; h_к - высота колпачка, см;

,

где d_к – диаметр колпачка, м; h_к - высота колпачка, м;

2) для колонн с ситчатыми тарелками

;

3) для колонн с провальными тарелками

.

Величины А и С находятся по следующим зависимостям:

;

.

Здесь W_ж, W_г - массовые скорости жидкости и газа, кг/(м₂·с); d_э– эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке, м; S_c - относительное свободное сечение тарелки; μ_ж, μ_в. - вязкости поглотителя и воды при 20 °С, Па·с; В – коэффициент (для колонн с решетчатыми, трубчатыми и дырчатыми провальными тарелками В =3÷16).

Для выбранной тарелки необходимо проверить надежность работы сливного устройства. Во избежание захлебывания сливного устройства скорость жидкости в нем должна отвечать условию

,

где F_сл - площадь сливного устройства выбранной тарелки, м².

Значения коэффициентов К₅ и показателей степени n₂ в зависимости от фактора вспениваемости жидкости φ [9]:

Поиск по сайту: