Абсорбционная установка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчет насадочного абсорбера

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

где – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2∙с).

2.2.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу бензольных углеводородов (БУ), переходящих в процессе абсорбции из газовой смеси (Г) в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

где  – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

- начальная и конечная  концентрация бензольных углеводородов  в поглотительном масле, кг БУ/кг  М;

где - средняя плотность коксового газа при нормальных условиях.

Получим:

 

Конечная концентрация бензольных углеводородов в поглотительном масле обусловливает его расход (который, в свою очередь, влияет на размеры как абсорбера, так и десорбера), а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Для коксохимических производств расход поглотительного каменноугольного масла L принимают в 1,5 раза больше минимального Lmin. В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (см.рис.4 и 5):

отсюда

где - концентрация бензольных углеводородов в жидкости, равновесная с газом начального состава.

Расход инертной части газа:

где - объемная доля бензольных углеводородов в газе, равная

- мольная масса бензольных  углеводородов.

Тогда:

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

 кг/с         (2.7)

Расход поглотителя (каменноугольного масла равен:

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит:

 

Рисунок 4- Зависимость между содержанием бензольных углеводородов в коксовом газе и каменноугольном масле при 300С:

1 – равновесная линия; 2 – рабочая линия

Рисунок 5- Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере

 

2.2.2 Движущая сила массопередачи

Движущая сила может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой  фазы:

где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг БУ/кг Г (рис.  и рис.).

В данном примере:

где и - концентрации бензольных углеводородов в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см.рис.):

 

2.2.3 Коэфффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи Ку находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

где и - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м2∙с);

- коэффициент распределения, кг М/кг Г.

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса – нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В коксохимической промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при сильно изменяющихся нагрузках по газу, возможность быстро и дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т.д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральные насадки.

Выберем более дешевую насадку – деревянную хордовую, размером 10Х100 мм с шагом в свету 20 мм.

Удельная поверхность насадки а = 65 м2/м3;

свободный объем ε = 0,68 м3/м3;

эквивалентный диаметр dэ = 0,042 м;

насыпная плотность ρ = 145 кг/м3.

2.2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:

где ωпр – предельная фиктивная скорость газа, м/с;

- вязкость соответственно  при температуре в абсорбере  и воды при 200С, Па∙с;

А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;

 - расходы фаз, кг/с.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

Предельную скорость ωпр находим из уравнения (2.10), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

Решая это уравнение, получим: ωпр=3,16 м/с.

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Коксовый газ очищают от различных примесей в нескольких последовательно соединенных аппаратах. Транспортировка больших объемов газа через них требует повышенного избыточного давления и, следовательно, значительных энергозатрат. Поэтому при улавливании бензольных углеводородов основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость ω принимают равной 0,3-0,5 от предельной.

Примем ω = 0,4 ωпр = 0,4 ∙ 3,16 = 1,26 м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

где - объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/с. Отсюда

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d=3,8 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

2.2.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

где - площадь поперечного сечения абсорбера, м3.

Подставив, получим:

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости (особенно в абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по сечению колонны.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения Umin, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Её находят по формуле:

Здесь

где – минимальная линейная плотность орошения, кг/(м∙с);

σ – поверхностное натяжение, мН/м.

Тогда:

Отсюда:

В проектируемом абсорбере плотность орошения выше , поэтому в данном случае коэффициент смачиваемости насадки ψ=1.

Доля активной поверхности насадки ψа может быть найдена по формуле:

где и - коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Подставив численные значения, получим:

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

2.2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок (к которым относится и хордовая) коэффициент масоотдачи в газовой фазе βу находят из уравнения:

где – диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда (в м/с) равен:

где - средний коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газовой фазе, м2/с;

 – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

- вязкость газа, Па∙с;

- высота элемента насадки, м.

Коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газе можно рассчитать по уравнению:

где - мольные объемы бензольных углеводородов и коксового газа в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см3/моль;

- мольные массы соответственно  бензольных углеводородов и коксового  газа, кг/моль.

Подставив, получим:

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе βх находят из обобщенного уравнения:

где - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда βх (в м/с) равен:

где - средний коэффициент диффузии бензольных углеводородов в каменноугольном масле, м2/с;

 – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

 модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

В разбавленных растворах коэффициент диффузии может быть достаточно точно вычислен по уравнению:

где - мольная масса каменноугольного масла, кг/моль;

- температура масла, К;

- вязкость масла, мПа∙с;

 – мольный объем  бензольных углеводородов, см3/моль;

Β – параметр, учитывающий ассоциацию молекул.

Подставив, получим:

Выразим в выбранной для расчета размерности:

где – средняя объемная концентрация бензольных углеводородов в поглотителе, кг БУ/(м3∙см).

По уравнению (2.9) рассчитаем коэффициент массопередачи в газовой фазе :

 

2.2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (2.1) равна:

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

Подставив численные значения, получим:

Обычно высота скрубберов не превышает 40-50 м, поэтому для осуществления заданного процесса выберем 2 последовательно соединенных скруббера, в каждом из которых высота насадки равна 29 м.

Во избежание значительных нагрузок на нижние слои насадки ее укладывают в колонне ярусами по 20 – 25 решеток в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры. Расстояние между ярусами хордовой насадки составляет обычно 0,3 – 0,5 м.

Принимая число решеток в каждом ярусе 25, а расстояние между ярусами 0,3 м, определим высоту насадочной части абсорбера:

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой Zн определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера Zв зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Примем эти расстояния равными соответственно 1,4 и 2,5 м. Тогда общая высота одного абсорбера