Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

3. Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

 

Для расчета диаметра абсорбера  служит следующее уравнение:

,                                                       (3.13)

где  V_см - объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции,

  w_раб -рабочая скорость газовой смеси по аппарату,

Предельную скорость газа, соответствующую  режиму эмульгирования (считая на полное сечение колонны), можно определить по уравнению /4, стр.380/:

                  ,              (3.14)

где m_x – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере, мПа×с;

r_x, r_у – плотности соответственно жидкой и газообразной фаз, ;

s – удельная поверхность, ;

e – свободный объем, ;

L, G – расходы фаз,

При выборе размеров насадки следует  учитывать, что чем больше размеры  ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность аппарата) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата. При выборе насадки необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под повышенным давлением потеря его существенного значения не имеет и в данном случае предпочтительнее беспорядочно загруженные насадки, в частности, кольца внавал. Поэтому выбираем керамические кольца Рашига 50´50´5 /3, стр.448/, для которых σ = 87,5 , ε = 0,785 .

Для определения плотности газа при температуре, отличной от нормальной, служит следующее уравнение:

,                                                        (3.15)

где r₀ - плотность газа при 273К, для воздуха равна 1,293 /4/; Т - температура процесса, °C.

Плотность углекислого газа при  нормальных условиях равна 1,98 /4/, а при условиях абсорбции

Плотность газовоздушной смеси  считаем по средней концентрации CO₂ в аппарате

  (3.16)

Аналогично рассчитаем молекулярную массу газовой смеси

Плотность жидкой смеси при температуре 293 К (содержанием диоксида углерода в воде пренебрегаем) равна r_x= 998 /4/.

m_x=1×10^-3 Па×с при температуре 20°C /4/.

Переведем молярный расход газовой  и жидкой смеси в массовый

,  (3.17)

где G – массовый расход, G_мол – молярный расход газовой смеси, М – молярная масса газовой смеси.

Для газовой смеси

Для жидкой смеси

Из формулы (3.14) определяем предельную скорость

w_пр= 0,04147

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного  процесса. Примем рабочую скорость процесса равной 0,9 от предельной.

По рассчитанной рабочей скорости газа определяется диаметр абсорбера  по формуле (3.14).

Рассчитанный диаметр колонного  аппарата приводится к стандартизованным  размерам. Ближайший стандартный  диаметр колонного цельносваренного аппарата с насыпной насадкой составляет 2,8 м /3/.

Т.к. выбранный диаметр колонного  аппарата отличается от рассчитанного, то необходимо рассчитать рабочую скорость газовой смеси по аппарату:

  (3.18)

Для насадочных аппаратов плотность орошения должна быть

U£0,06 .  (3.18)

Плотность орошения

,  (3.19)

где V_x–объемный расход жидкости через аппарат, .

Переведем массовый расход жидкости в объемный

,  (3.20)

.

.

Условие (3.18) выполняется.

4. Определение высоты абсорбера

 

Высоту насадки H, м, в аппарате обычно определяют через высоту единицы переноса и количество единиц переноса /3, стр. 98/:

,  (3.21)

где h_0y– высота единицы переноса по газовой фазе, м; n_oy– количество единиц переноса

Высоту единицы переноса можно  определить через коэффициент массопередачи  по газовой фазе K_y, /4, стр. 385/:

,  (3.22)

где S – поперечное сечение абсорбера, м²; s – относительная поверхность насадки, ; y – коэффициент смачиваемости насадки, G – молярный расход инертного газа.

,  (3.23)

где b_y и b_x – коэффициент массоотдачи по газовой и жидкой фазах соответственно, ; m – коэффициент распределения вещества по фазам /1, стр. 440/.

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи b_y можно рассчитать из уравнения /3, стр. 199/

,  (3.24)

где диффузионный критерий Нуссельта  для газовой фазы /3, стр. 199/

,  (3.25)

где D_y – средний коэффициент диффузии углекислого газа в газовой фазе, ; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; d_э – эквивалентный диаметр насадки, м. 

Критерий Рейнольдса для газовой  фазы в насадке /3, стр. 199/

.  (3.26)

Динамический коэффициент вязкости СО₂

Диффузионный критерий Прандтля для  газовой фазы, при этом коэффициент  диффузии углекислого газа в воздухе при температуре абсорбции 20 °С, и давлении 2,4×10⁶ Па равен

  /4/

  (3.27)

Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение (3.24)

Находим коэффициент массоотдачи b_y из уравнения (3.26)

.

Выразим коэффициент массоотдачи b_y в выбранной для расчета размерности

.  (3.28)

Коэффициент массоотдачи b_x в жидкой фазе находят из обобщенного уравнения /3, стр. 200/

,  (3.29)

где диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы /3, стр. 200/

,  (3.30)

где d_пр – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м.

Приведенная толщина стекающей  пленки жидкости может быть найдена  из уравнения

  (3.31)

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости

,  (3.32)

где U – плотность орошения, .

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости, при этом коэффициент диффузии двуокиси углерода в воде при температуре абсорбции 20 °С, и давлении 2,4×10⁶ Па равен D_x=1, 8×10^-9 /4/

  (3.33)

Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение (3.29)

Находим коэффициент массоотдачи b_x из уравнения (3.30)

Выразим коэффициент массоотдачи b_x в выбранной для расчета размерности по формуле (3.28)

Значение m можно найти графически, оно равно среднему значению тангенса угла наклона линии равновесия на X–Y– диаграмме (приложение 2). Коэффициент распределения вещества по фазам m = 0,020408/0,000334 = 61,10.

Коэффициент массопередачи по газовой  фазе K_y вычислим по формуле (3.23)

Поперечное сечение абсорбера  рассчитаем по формуле

. (3.34)

Коэффициент смачиваемости насадки y при орошении колонны водой можно определить из следующего эмпирического уравнения /6, стр. 369/

,  (3.35)

где A=1,02, b=0,16, p=0,4 для колец внавал.

Высоту единицы переноса определяем согласно уравнению (3.23)

Высоту насадки H, м, в аппарате определяем по уравнению (3.21), количество единиц переноса было определено ранее в пункте 3.2.4, оно равно 5,6.

Принимаем высоту насадки равной 6м.

Общую высоту абсорбционной колонны определяют с учетом требований /5/, добавляя к высоте насадочной части (6 м) высоту кубовой (2,8 м) и сепарационной (1,6 м) частей, разрывов для установки перераспределительных тарелок (1,58 м и 0,5 м), высоту опоры (2 м), высота днища и крышки аппарата (0,6 м).

5. Определение гидравлического сопротивления абсорбера

 

Гидравлическое сопротивление  сухого насадочного абсорбера DP_сух, Па, рассчитывают /1, стр. 461/:

,  (3.36)

где l – эффективный коэффициент трения; d_эн – эквивалентный диаметр насадки, м; e – относительный свободный объем насадки, .

Число Рейнольдса для движения газа в насадке:

,  (3.37)

где s_н – относительная поверхность насадки, ; m_y – динамическая вязкость газовой смеси при рабочих условиях, Па×с.

Для насадки, которая загружена  навалом, эффективный коэффициент  трения при Re > 40 /1, стр. 461/

,  (3.38)

.

Гидравлическое сопротивление  сухого насадочного абсорбера DP_сух, Па, рассчитываем по уравнению (3.37)

.

Гидравлическое сопротивление  насадочного абсорбера со смоченной  насадкой DP_см, Па, можно рассчитать по формуле:

,  (3.39)

где L_м и G_м – массовые расходы жидкости и газа через абсорбер соответственно, .

6. Расчет диаметров штуцеров и труб

 

Для расчетов диаметров штуцеров и  труб служит следующее уравнение /3, стр. 16/:

,                                                          (3.40)

где w_р - рекомендуемая среднерасходная скорость перемещения среды в штуцере, м/с.

Определяем диаметр основных технических  штуцеров для подвода и отвода жидкой смеси.

Примем штуцер с D_y=500 мм с толщиной стенки 9 мм /5/.

Определяем диаметр основных технических штуцеров для подвода и отвода газовой смеси.

Примем штуцер с D_у=150 мм толщиной стенки 7 мм /5/.

 

4. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ

Тепловой баланс

Из проведенных расчетов для  выбора теплообменника были получены следующие результаты:

По причине этого наиболее оптимальный вариант—поставить параллельно 5 пластинчатых теплообменников.

Тепловая нагрузка:

,  (4.1)

где  G₁—расход поглотителя, ; с₁—средняя теплоемкость, ; t_н1—начальная температура теплоносителя, °C; t_к1—конечная температура теплоносителя, °С.

Средняя температура поглотителя в теплообменнике:

.  (4.2)

Теплоемкость поглотителя (воды) при средней температуре с=4180 .

Тепловая нагрузка, согласно уравнению (4.1) составляет:

В качестве второго теплоносителя  используется захоложенная вода с начальной температурой 10 °C и конечной 20 °C.

По определенной по уравнению (4.1) тепловой нагрузке определяются неизвестные параметры второго теплоносителя /1/:

,  (4.3)

где G_в—массовый расход охлаждающего теплоносителя, ; —начальная температура охлаждающего теплоносителя, °C; —конечная температура           

 

 

 

 

 охлаждающего теплоносителя, °C; с₂—теплоемкость охлаждающего теплоносителя, при средней температуре 15 °C, рассчитанной по формуле (4.2), равная 4190 /4/.

Определение ориентировочной поверхности теплообмена

 

Для определения ориентировочной  поверхности теплообмена служит уравнение/4/:

,  (4.4)

где  К_ор—ориентировочное значение коэффициента теплопередачи; Dt_ср— средняя разность температур; Q—тепловая нагрузка, определенная по уравнению (4.1), Вт.

Расчет средней разности температур производится с учетом движения теплоносителей. Т.к. при теплообмене в данном конкретном случае наблюдается чистый противоток, то все дальнейшие расчеты производятся для этого вида движения теплоносителей.