Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии (очной и заочной форм обучения)

площадь свободного сечения абсорбера, м²; K – коэффициент массопередачи,  – число единиц переноса по газовой фазе; у – мольный рабочий состав газа, доли единицы; у*– мольный равновесный состав газа, доли единицы; h_y – высота единицы переноса.

Интеграл     находят графически [9, с. 675].

Если же равновесная линия прямая (или приближается к прямой), то:

 ,                             (3.7)

где Δу_ср– средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, кг/кг; определяется по формуле

 .                        (3.8)

Можно поступить и по-другому. Согласно основному уравнению массопередачи,

,                             (3.9)

где G – количество абсорбируемого газа, кмоль/с; K_ΔP – коэффициент массопередачи, кмоль/м²·с·кПа; F – поверхность массопередачи, м²; Δp_ср – средняя движущая сила процесса абсорбции, м²; выраженная через парциальное давление, кПа определяется по формуле:

 ,                          (3.10)

где Δp_н – движущая сила процесса внизу колонны, кПа; Δp_в – движущая сила процесса вверху колонны, кПа.

Высота слоя насадки:

.                                   (3.11)

Поверхность контакта фаз в абсорбере при пленочном режиме работы:

  ,                               (3.12)

где S_k =πD²/4 – площадь поперечного сечения колонны, м²; D – диаметр колонны, м; σ – удельная поверхность сухой насадки, м²/м³.

В этом случае движущая сила процесса выражена через парциальные давления поглощаемого компонента.

Коэффициент массопередачи ΔKp определяется [8, с. 287]

 ,                            (3.13) где β_y – коэффициент массоотдачи для газа; β_x – коэффициент массоотдачи для жидкости; φ – коэффициент распределения. Коэффициент массоотдачи для газа β_y определяется из критериального уравнения

                   (3.14)

где – критерий Нуссельта в газовой фазе; – коэффициент диффузии газа в газе при рабочих условиях, м²/с; ρ_y – средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях, кг/м³; d_э – эквивалентный диаметр насадки, м; Р_иг– среднее парциальное давление инертного газа в газовой смеси, кПа; М_см – средняя молекулярная масса газовой смеси.

Критерий Нуссельта в газовой фазе определяется по формуле

                (3.15)

где Re_y и Pr_y – критерии Рейнольдса и Прандтля в газовой фазе, определяются по формулам

 ;                               (3.16)

  .                                (3.17)

Коэффициент массоотдачи со стороны жидкости βx определяется по формуле

 ,            (3.18)

где D_x – коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с; Nu^'_x – критерий Нуссельта в жидкой фазе определяется по формуле

 .            (3.19)

Критерии Re, Pr и Ga  в жидкой фазе определяются по формулам:

  ;                              (3.20)

  ;                                (3.21)

 ;                              (3.22)

где d_Н – наружный диаметр элемента насадки, м.

Можно привести еще один из широко распространенных методов определения высоты насадки через объемный коэффициент массопередачи K^'_yυ:

             (3.23)

где w_опт– скорость газа, соответствующая оптимальному режиму работы насадочной колонны, м/c; K^'_υy – объемный коэффициент массопередачи, 1/с; и – содержание компонента в газовой фазе и равновесное, в любом сечении аппарата; – число единиц переноса по газовой фазе (интегрирование производится от меньшей концентрации до большей). y

Скорость газа определяется по формуле

 ,                              (3.24)

где – эквивалентный диаметр насадки, м; V_c– свободный объем насадки, м²/м³; – удельная поверхность насадки, м²/м³.

Критерий Рейнольдса:

.               (3.25)

Объемный коэффициент массопередачи определяется по уравнению

,                               (3.26)

где  [9, с. 689]. (3.27)

В заключение следует напомнить пересчет коэффициентов массоотдачи, массопередачи, движущей силы процесса, из одной размерности в другую. Для улучшения смачиваемости насадки в колонне большого диаметра насадку укладывают слоями высотой 2–3 м, под каждой секцией устанавливают перераспределитель жидкости [10].

Общая высота колонны Н_к слагается из высоты насадки Н_н и общей высоты перераспределительных разрывов насадки , высот верхней и нижней сепарационных частей, выбираемых конструктивно по [6, с. 235].

Высота насадочной части

.                  (3.28)

Общая высота колонны    

,                            (3.29)

где Z_в и Z_н – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м. Значение Z_в и Z _н выбирают в соответствии с табл.1.

Таблица 1

Зависимость высоты сепарационного пространства над насадкой и расстоянием между днищем колонны и насадкой от диаметра колонны.  Размеры в мм
Диаметр колонны	Zв	Zн
400-1000	600	1500
1200-2200	1000	2000
2400 и более	1400	2500

3.4. Определение гидравлического сопротивления орошаемой насадки  и общего гидравлического сопротивления

Данные расчеты проводят согласно [9, с. 684].

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

Рассчитать насадочный абсорбер для поглощения водой сернистого газа (SO₂) из смеси его с воздухом.

1. Количество перерабатываемой смеси – V = 1,6  м³/с.

2. Начальная концентрация SO₂ в смеси – _Н=6, 0 масс. %.

3. Конечная концентрация SO₂ в смеси –    _к =0,4масс.%.

4. Избыток абсорбента – 20 %, следовательно, .

5. Давление абсорбции – П = 141,5 кПа.

6. Температура абсорбции – t = 35 ⁰С.

7. Начальная концентрация SO₂ в абсорбенте –  _Н =0 масс. %.

Определить:

1. Количество поглощаемого газа – G_SO2, кг/с.

2. Расход абсорбента –  L, кг/с.

3. Диаметр абсорбера – D_к, м.

4. Высоту колонны –  Н_к, м.

5. Гидравлическое сопротивление – Δр, кПа.

Схема установки приведена на рис. 3.

Рисунок 3.  Схема насадочного абсорбера для поглощения водой сернистого газа (SO₂) из смеси его с воздухом

4.1. Определение количества поглощаемого сернистого газа

Количество поглощаемого сернистого газа (SO₂) определяется по формуле

,                 (4.1)

где y_н – начальная концентрация SO₂ в газовой смеси, выраженная в мольных