Ветошкин А.Г. Защита атмосферы от газовых выбросов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 19. Колонна с колпачковыми тарелками.

Рис. 20. Колонна с ситчатыми тарелками (с двумя зонами контакта фаз).

Рис. 21. Колонна с ситчато-клапанными тарелками.

Скорость газа при захлебывании вычисляют из уравнения

125,025,016,0

)()(])/(lg[

вж

жc

μμ

ρε

−= ,

где

- скорость газового потока при захлебывании, м/с; f - удельная по-

верхность насадки, м

/м

; ρ

- плотность газа, кг/м

; ρ

- плотность жидко-

сти, кг/м

; ε

- свободный объем насадки, м

/м

; g = 9,8м/с

; μ

- вязкость

жидкости, мПа

с; μ

- вязкость стандартной жидкости (воды), мПа

с; G, L -

расход газа, жидкости, соответственно, кг/ч (кг/с);

А, В - коэффициенты,

принимаются в зависимости от типа насадки (приложение 5). Значения μ

, ρ

принимаются по параметрам среды в абсорбере.

На практике обычно работают вблизи точек подвисания. Рабочую

скорость газа

принимают в зависимости от технических, эксплуатаци-

онных, экономических и других факторов. Обычно она превышает поло-

вину скорости начала захлебывания слоя насадки:

= (0,75…0,9)w

. ()

Для пенящихся жидкостей

= (0,3…0,4)w

При этом скорость газа, отнесенная к свободному сечению аппарата,

равняется 0,5-1,0 м/с и более.

Диаметр абсорбера

рассчитывают из уравнения расхода для газо-

вой фазы по рабочей скорости

, м/с, и объемному расходу газа в колонне

, м

/с:

2/1

)

785,0

(

D = .

Затем выбирают ближайший диаметр D

из нормализованного ряда

диаметров колонн (таблица приложения 6) и уточняют рабочую скорость,

которая не должна превышать 70...85% от предельной w

5. Определяют плотность орошения.

Под плотностью орошения q

ор

понимают объемный расход погло-

щающей жидкости, приходящийся на единицу площади сечения колонного

абсорбера, м

(м

ч):

ор

= L/(ρ

0,785

где L – массовый расход жидкости в колонне, кг/ч.

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации

подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью,

а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе мас-

сопередачи. Существует некоторая минимальная эффективная плотность

орошения q

min

, выше которой всю поверхность насадки можно считать

смоченной.

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность

орошения ρ

min

определяют по соотношению:

min

= f

эф

где q

эф

- эффективная линейная плотность орошения, которую можно

принимать равной 3,3

-5

/с для крупных колец Рашига (размером более

75 мм) и хордовых насадок с шагом более 50 мм, и 2,2

-5

/с для всех ос-

тальных случаев.

Если q

ор

> q

min

, то коэффициент смачиваемости насадки принимают

равным единице. При несоблюдении указанного условия принимают q

ор

min

, пересчитывают расход жидкости в колонне L и, соответственно, ко-

нечную концентрацию поглощаемого компонента в жидкой фазе.

6. Определяют коэффициенты массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи по газовой фазе β

в абсорберах с регуляр-

ной насадкой находят из соотношения

= 0,167

0,74.

0,33.

(h/d

)

-0,47

= Nu

, м/с,

где Nu

– диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы; Re

/(μ

ε) – критерий Рейнольдса для газовой фазы в порах насадки; Pr

/(ρ

) – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы; μ

– ди-

намическая вязкость газа, Па

с; h – высота элемента насадки, м, d

– экви-

валентный диаметр насадки, м; D

– коэффициент диффузии улавливаемо-

го компонента в газовой фазе, м

/с.

Значение Nu

для аппаратов с неупорядоченной насадкой (внавал)

при величинах Re

от 10 до 10000 можно найти по уравнению:

= 0,407 Re

0,655

0,33

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β

может быть найден из

соотношений:

= 0,0021 Re

0,75

0,5

= Nu

/δ,

где Nu

- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы; D

усредненный по улавливаемым компонентам коэффициент диффузии в

жидкой фазе, м

/с; δ = [μ

/(ρ

g)]

0,33

- "приведенная" толщина жидкой

пленки, м; Re

= 4 L/(0,785 D

f ψ μ

) - критерий Рейнольдса для жидкой

фазы в насадке; Pr

= μ

/(ρ

) - диффузионный критерий Прандтля для

жидкой фазы; ψ - коэффициент смачиваемости элементов насадки.

Коэффициенты диффузии в газовой D

и жидкой фазах D

зависят от

свойств диффундирующего компонента и среды, в которой происходит

диффузия, а также от температуры и давления процесса.

В справочных таблицах приводятся коэффициенты диффузии D

в га-

зах при температуре Т

= 273 К и абсолютном давлении Р

=1,01

Па

(см. таблицу приложения 7).

При других абсолютных температуpax Т и давлениях Р он определя-

ется по формуле

2/3

)(

= .

При отсутствии экспериментальных данных для определения коэф-

фициента диффузии газа А в газе В при абсолютной температуре Т и абсо-

лютном давлении Р, кг/см

, пользуются следующей зависимостью:

2/1

3/13/1

2/34.

)

(

)(

100043,0

vvP

D +

−

где v

, v

- молекулярные объемы газов А и В; М

, M

- молекулярные

массы газов А и В.

Для приближенного определения коэффициентов диффузии в жидко-

стях при 20°С можно пользоваться формулой:

BAж

vvBA

)(

101

23/13/1

20.

−

где D

ж.20

- коэффициент диффузии в жидкости при t = 20°С, м

/с; μ

—

динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа

с; v

- мольные

объемы растворенного вещества и растворителя; М

, М

- мольные объе-

мы растворенного вещества и растворителя; А

, В

— коэффициенты, за-

висящие от свойств растворенного вещества и растворителя (таблица при-

ложения 12).

Коэффициент диффузии газа в жидкости D

ж.t

(при температуре t) свя-

зан с коэффициентом диффузии D

ж.20

(при температуре 20°С) следующей

приближенной зависимостью:

ж.t

= D

ж.20

[1 +b(t - 20)],

в которой температурный коэффициент может быть определен по эмпири-

ческой формуле

ρμ

/2,0

= ,

где μ

- динамический коэффициент вязкости жидкости при 20°С, мПа; ρ

- плотность жидкости, кг/м

Молекулярные объемы определяются как сумма атомных объемов

элементов, входящих в состав соединений. Значения атомных объемов

приведены в таблице приложения 8.

7. Определяют коэффициенты массопередачи.

Коэффициенты массопередачи по жидкой K

и газовой K

фазам нахо-

дят, складывая коэффициенты массоотдачи β

и β

(предварительно пред-

ставленные в требуемых единицах измерения) по принципу аддитивности:

)

(

ββ

+= ,

)

(

ββ

где m - коэффициент в уравнении линии равновесия.

Если равновесная линия хорошо аппроксимируется уравнением Генри

и ее можно представить прямой, то коэффициент m определится как тан-

генс угла наклона этой линии к оси абсцисс.

8. Определяют поверхность массопередачи.

Поверхность массопередачи находят из основного уравнения массо-

передачи:

срxсрy

где

, K

- коэффициенты массопередачи, определенные соответственно

по газовой и жидкой фазе; ΔY

ср

, ΔХ

ср

, - средние движущие силы абсорбции

по газовой и жидкой фазам

Поток массы загрязняющего вещества из газовой фазы в жидкую M

определяют по уравнению материального баланса:

)()(

нккн

XXLYYGM

−

где G, L - расходы газовых выбросов и поглотителя.

Величины, входящие в уравнения по определению коэффициентов

массоотдачи, массопередачи и основное уравнение массопередачи, долж-

ны быть выражены в соответствующих друг другу единицах измерения.

Соотношения между параметрами - коэффициентом массоотдачи, движу-

щей силой и потоком загрязняющего вещества А, улавливаемого абсорбен-

том

В, выраженными в различных единицах измерения, приведены в таб-

лице приложения 9.

9. Определение высоты абсорбера. Необходимую высоту насадки

Н,

м, подсчитывают по соотношению:

H = F/(0,785

ψ), м.

Для расчетов параметров массопередачи в насадочных колоннах часто

используют соотношения, связывающие высоту насадки H в колонне с

числом и высотой единиц переноса:

ср

кн

fSK

−

= .,

где K

– коэффициент массопередачи по газовой фазе, кг/[м

с(кг А/кг В];

S – площадь поперечного сечения аппарата, м

; Y

, Y

– относительные

массовые концентрации загрязнителя A в газе-носителе В на входе в аб-

сорбер и на выходе соответственно, кг А/кг В; ΔY

ср

– средняя движущая

сила в абсорбере по газовой фазе, кг А/кг В.

Величина (Y

- Y

)/ΔY

ср

представляет собой изменение рабочих

концентраций на единицу движущей силы и называется числом единиц

переноса:

= (Y

- Y

)/ΔY

ср

Одна единица переноса (N

= 1) соответствует участку аппарата, на

котором изменение рабочих концентраций равно средней движущей силе

на данном участке.

Величина G/(K

f) представляет собой высоту участка, соответст-

вующего одной единице переноса, и называется высотой единицы перено-

са (ВЕП):

h = G/(K

f).

Таким образом, рабочая высота аппарата Н равна произведению числа

единиц переноса на высоту единицы переноса:

H = N

При помощи этого уравнения можно вести расчет процесса массопе-

редачи, если линия равновесия является прямой или кривой, а также в тех

случаях, когда поверхность соприкосновения фаз не может быть геометри-

чески определена и потому непосредственное применение основного урав-

нения массопередачи невозможно.

Подставив в выражение высоты единицы переноса значение 1/K из

уравнения, связывающего коэффициент массопередачи с коэффициентами

массоотдачи

1/K

= 1/β

+ m/β

получим

xyxy

ββββ

.+=+=

Величина G/(f

) = h

представляет собой высоту единицы переноса

для фазы G.

Величина L/(f

) = h

является высотой единицы переноса для фазы

Таким образом,

h = h

+ (m/l)

где l = L/G.

При проектировании массообменного оборудования применяют сле-

дующие методы определения числа единиц переноса:

- метод графического интегрирования;

- графический метод;

- метод численного интегрирования.

При использовании метода графического интегрирования (рис. 22)

строят зависимость 1/(Y – Y*) = f(Y).

Затем определяют площадь f, ограниченную кривой, осью абсцисс Y

и Y

, которые являются пределами интегрирования. Число единиц перено-

са определяют по уравнению

mmfN

= ,

где f - площадь, мм

; т

- число единиц Y в 1 мм по оси абсцисс; m

- чис-

ло единиц 1/(Y – Y*), в 1 мм по оси ординат; (т

, m

) — масштаб.

Рис. 22. Зависимость

)(

−

При графическом методе определения числа единиц переноса осуще-

ствляют следующие стадии (рис.6):

- строят диаграмму Y-X;

- изображают рабочую линию АВ;

- наносят линию равновесия ОС;

- проводят среднюю линию МN через точки, делящие пополам отрез-

ки ординат между рабочей линией и линией равновесия;

- строят ломаную линию между рабочей

и равновесной линиями - из

точки В, характеризующей конечное состояние газа, проводят линию BD

до пересечения со средней линией и продолжают ее до точки Е,

причем,

отрезок BD равен отрезку DE; затем из точки Е восстанавливают перпен-

дикуляр EF до пересечения с рабочей линией и ставят точку F, причем EF

= 2KD = KL; отрезок EF показывает изменение концентрации газа, соот-

ветствующее одной единице переноса (ступенька BEF); продолжая анало-

гичное построение ступенек до начального состояния газа (точка А), опре-

деляют число единиц переноса; последняя ступенька РА либо принимается

за полную ступеньку, либо рассчитывают её часть АР/ST (на рис. 23 N

3).Графический метод обеспечивает удовлетворительные результаты, если

линия равновесия близка к прямой.

При применении метода численного интегрирования последовательно

выполняют следующие действия (рис. 24):

- строят диаграмму Y-X, рабочую линию АВ, равновесную линию ОС;

- рабочую линию АВ делят на два равных отрезка AM = MB.

Рис. 23. Определение числа единиц переноса графическим методом.

Вертикальные отрезки между рабочей линией АВ и линией равнове-

сия ОС, приведенные из точек состояния газа в начале и в конце процесса

(точка А и точка В), а также из средней точки М, показывают значение

движущей силы процесса. Из рис. 24 видно,

что

222

111

,, YYYYYYY −=Δ

′

−

′

=Δ

′

−=Δ .

Число единиц переноса N

равно:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

′

−

141

Средняя движущая сила процесса Δ

ср

равна:

141

′

=Δ