Розрахунок та проектування абсорбційної установки

  

          Висоту світлого шару на тарілці h₀ знаходять зі співвідношення: 

                  ΔР_п = gρ_хh₀ = gρ_х(1 – ε) h_п,  (30)  

де h_п – висота газорідинного барботажного шару (піни) на тарілці, м.

      З рівняння (30):

                        h₀ = (1 – ε ) h_п.      

Висоту  газорідинного шару для провальних тарілок визначають із рівняння:

                        Fr =     (31)

 

                  де   Fr = - критерій Фруда;          (32)

w₀ – швидкість газу у вільному січенні (щілинах) тарілки, м/с;

В - коефіцієнт;

 С  – величина, яка дорівнює 

    С = ,    (33)

де U –  густина зрошування, м³/(м²٠с);

σ –  поверхневий натяг абсорбенту, Н/м.

      Густина зрошування

                      U = L/(ρ_х٠S_т) = 0,5/(999٠0,785٠0,4²) = 3,98٠10^-3 м³/(м²٠с) ,   (34) 

де  S_т - робоча площа тарілки ( S_т =0,785*d²),

L –  витрата абсорбенту, кг/с;

d –  діаметр колони, м.

      Визначаємо  величину В за рівнянням: 

             B = B₁* ( ω/ω₁)² = 8*(0,96/1,11)² = 6    ,                  (35)

        

Величину  С розрахуємо за рівнянням ( 33) :

                

С= = 0,1 

Розраховуємо критерій Фруда (за рівнянням (31)) : 

                          Fr = = 0,066*805,6 = 53,17 

 Далі  з урахуванням (32) визначаємо висоту  газорідинного шару:

             = 1,11²/ ( 0,18^{2 .} 9,8^. 53,17) = 0,072 м

Газовміст барботажного шару для провальних тарілок  знаходять із рівняння : 

            ε = 1 - = 1 - м³/м³  ,         (36)   

Висота  світлого шару рідини: 

     h₀ =  (1 – ε ) h_п  = ( 1- 0,78 ) 0,072 = 0,016 м 
 
 

Коефіцієнт  дифузії сірководню у воді при 20⁰С D_х = 1,6٠10^-9 м²/с (таблиця 1.2).

     При 15⁰С :

                       D_х = D₂₀⁰ [1 + 0,02(t – 20)] = 1,6٠10^-9[1 + 0,02(15 – 20)] = 1,44٠10^-9 м²/с ,    (37) 

Коефіцієнт  дифузії сірководню у повітрі  при 20⁰С D_y = 9,4٠10^-6 м²/с (таблиця 1.2).

     При 15⁰С :

     D = D_{0 =}   9,4٠10^-6  ( 288/273)^2/3  = 1,019*10^-5  м²/с ,     (38) 

Знайдемо  в’язкість повітря і сірководню при робочій температурі (15⁰С) за залежністю :

                   ,                                       (39)

де  µ₀ – в’язкість за нормальних умов, Па٠с;

Т –  абсолютна температура, ⁰С;

С –  постійна.

Для повітря µ₀ = 17,3٠10^-6 Па٠с; С = 124. 

Після розрахунків по наведеному рівнянню отримаємо:

в’язкість повітря - µ_п = 1,8٠10^-5 Па٠с;

в’язкість сірководню µ_H2S = 12,26٠10^-6 Па٠с ( визначаємо з номограми). 

Розрахуємо  в’язкість газової суміші µ_г із залежності : 

             ,                                  (40) 

де  М_с = - молекулярна маса суміші, кг/кмоль.     (41)

            М_с = 34,1٠0,067 + 29(1 – 0,067) = 29,34 кг/кмоль. 

            М_с/µ_г = 186 353 + 1503166 = 1689519, 

звідки    µ_г = 1,7٠10^-5 Па٠с. 

           В’язкість газової суміші µ_г = µ_y =1,7٠10^-5 Па٠с.

     В’язкість рідкої фази µ_р = µ_x =1,14٠10^-3 Па٠с = 1140٠10^-6 Па٠с. 

     Коефіцієнти масовіддачі:

         β_хf  = 6.24٠10⁵٠(1,44٠10^-9)^0,5[3,98٠10^-3 /(1 – 0,776)]^0,5٠0,016٠[1,7*10^-5 /(1,14*10^-3 + 1,7*10^-5)]^0,5

     β_хf = 5,9٠10^-3  м/с.   

β_yf = 6.24٠10⁵٠(1,019٠10^-5)^0,5٠(1,11/0,776)^0,5٠0,016 ٠[1,7*10^-5 /

(1,14*10^-3 + 1,7*10^-5)]^0,5

     β_yf = 4,6 м/с.   

      Виразимо коефіцієнти масовіддачі в обраній для розрахунку розмірності (додаток 5.7 [2]):

        У рідкій фазі :

      β_х = β_хf (ρ_р - ) = 5,9٠10^-3(999 – 11,84) = 5,8 кг/(м²٠с) ,                 (42)  

де  = = = 999٠(0,012/1,012) = 11,84 кг/м³ – середня об’ємна масова концентрація сірководню в рідині; - середня відносна масова концентрація сірководню у рідині.

      Аналогічно  в газовій фазі:

      β_y = β_yf (ρ_г - ) = 4,6( 1,24 – 0,053) = 5,46 кг/(м²٠с)  ,    (43)    

де  = ρ_г٠ = 1,24٠0,043 = 0,053 кг/м³ – об’ємна масова концентрація газу;

= ( = (0,078 + 0,0078)/2 = 0,043 кг сірководню /кг суміші.

      Коефіцієнт  масопепредачі:

       = = 1,53 кг/(м²٠с). 

      Загальна  площа тарілок:

                  F = М/( ) = 0,012/(1,53٠0,013) = 0,65 м² 

      Кількість тарілок:

                        n = F/f = 0,65/(1*0,785*0,4²) = 5,2.

      Приймаємо кількість тарілок n = 6. 

    3.4.2. Вибір відстані між тарілками й визначення висоти абсорбера

    Відстань  між тарілками складається з  висоти барботажного шару (піни) h_n і висоти сепараційного простору h_c: 

    h = h_n + h_c  (44)    

    Висоту  сепараційного простору розраховують, виходячи з допустимого бризко виносу з тарілки, який приймають 0,1 кг рідини на 1 кг газу. Є рекомендовані розрахункові рівняння для визначення бризко виносу е (кг/кг) з тарілок різних конструкцій. Так, для провальних і клапанних тарілок

    e = A f w^m /      (45)

де  f - множник, який ураховує властивості рідини; він дорівнює

0,565 (ρ_х / σ) ^1,1= 0,565(999/73,6)^1,1= 9,95

 σ –поверхневий натяг води , мН/м (σ = 73,6 мН/м) [4];

w –  фіктивна швидкість газу в колонні;

 коефіцієнт  А і показники степені m і n приведені нижче:

                                                       

          Тарілка                                 А                      m                   n

Провальна (дірчата,

решітчаста, хвиляста)     1,4٠10^-4                          2,56             2,56

Клапанна й  баластна      8,5٠10^-5                         2,15           2,5 

     

   Враховуючи рівняння (45) знаходимо h_c :

    h_c = 0,21 м 

         Відстань між тарілками:

                  h = 0,21 + 0,072 =  0,28 м.

    Вибираємо з стандартного ряду відстань між  тарілками : h = 0,3 м. 

            Висота тарілчастої  частини абсорбера 

                  Н_т = (n – 1)h = (6 – 1)·0,3 = 1,5 м ,            (46)      

      Загальна  висота абсорбера

                  Н = Н_т + h_в + h_н,                   (47)       

де h_в – відстань від верхньої тарілки до кришки абсорбера, м ;

h_н – відстань між днищем абсорбера й нижньою тарілкою, які приймаються з конструктивних міркувань (звичайно, h_н приймають (1÷1,5)d).

      Приймемо h_в = 2 м; h_н = 0,6 м.

      Тоді    Н = 1,5 + 2 + 0,6 = 4,1 м.

4. Гідравлічний розрахунок [1]

    4.1. Гідравлічний опір сухої тарілки розраховують по залежності :

                   ,  (48)   

де  F_в = 0,18 – відносне вільне січення тарілки;

ξ = 1,5 – коефіцієнт гідравлічного опору сухої решітчатої тарілки (табл. 4.7 [2]);

w- приймаємо 1,2 м/c ;

                  ∆Р_с = 1,5·1,2²·1,24/(2·0,18²) =  41,36 Па.

4.2. Гідравлічний опір  газорідинного шару  на тарілці

    ΔP_n = gρ_xh₀ = 9,81·999·0,016 = 156,8 Па ,         (49)      

4.3. Гідравлічний опір, обумовлений силами поверхневого натягу

    ΔP_σ = 4σ/d_e = 4·73,6·10^-3/0,008 = 36,8 Па , (50) 

де - d_e = 0,008 м -  еквівалентний діаметр отвору або щілини в тарілці, м;

σ –  поверхневий натяг рідини, Н/м; σ = 73,6·10^-3 Н/м.

4.4. Повний гідравлічний опір тарілки і колони в цілому

      Опір  тарілки:

                  ∆Р_т = ∆Р_с + ΔP_n + ΔP_σ = 41,36 +156,8 + 36,8 = 234,96 Па ,  (51)

      Опір  колони:

                  ∆Р = ∆Р_т·n = 234,96·6 = 1643,5 Па  ,                 (52) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Конструктивний розрахунок [8]

5.1. Товщина обичайки: 

                            ,    (52)

   де D = 0,4 м – внутрішній діаметр апарату;

         р = 0,02 МПа – надлишковий  тиск в апараті;

         [σ] = 230 МПа – граничне напруження для сталі Х18Н10Т;

         φ = 0,8 – коефіцієнт послаблення  обичайки із-за зварного шва;

         С_к = 0,001 м – добавка на корозію. 

                            = 0,001 м.

   Відповідно  до рекомендацій  приймаємо товщину  обичайки δ = 8 мм.