Розрахунок та проектування абсорбційної установки

                            0,012 / 0,5 = 0,024 кг H2S / кг Н2О.                  (15)

Питома витрата поглинача:

                            ℓ = L/G = 0,5/0,16= 3,125 кг/кг.                                  (16)

Перевіримо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:

                            М = G(п - к) = L( -  ).                                  (17)

Баланс дотримується.

3.2. Рушійна сила масопередачі [2].

Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази:

                            ,                                             (18)

де ;   ; - концентрація H2S на вході газу в абсорбер, рівноважна з концентрацією H2S у воді на виході рідини з абсорбера;

- концентрація H2S на виході газу з абсорбера, рівноважна з концентрацією H2S у воді на вході рідини в абсорбер.

Враховуючи, що за умови = 0, також дорівнює нулю.

Рівняння рівноваги між фазами при концентраціях у відносних масових одиницях має вигляд:

                                          = m                                                                  (18)

Знайдемо коефіцієнт розподілу m і :

                                          m = = 0,085/0,031 = 2,74;                              (19)

                                          = m٠ = 2,74٠ 0,024 = 0,066.

Тоді

                            0,085 – 0,066 = 0,019;

              0,0079 – 0 = 0,0079;

= (0,019– 0,0079)/ℓn(0,019/0,0079) = 0,0111/ ln 2,4 =0,013 кг H2S /кг повітря.

3.3. Швидкість газу і  діаметр абсорбера [7].

Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

d = ,              (20)                                                                       

де        V – об’ємні витрати газу за робочої температури t в абсорбері, м3 / с;

              w – швидкість газу, віднесена до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Наближено граничну швидкість газу можна визначити із графіка (рис.1.1.) залежно від відстані Н між тарілками й відношення густин газу й рідини ρг/ρр. Графік побудований для тарілок з круглими ковпачками; для тарілок іншої конструкції величину wгр., визначену по графіку, слід помножити на відповідний поправковий коефіцієнт:

                                    Тарілки                                                   Коефіцієнт

                                          Із прямокутними ковпачками ………..0,7

                                          Ситчасті………………………………   1,35

                                          Провальні……………………………….1,5

Рекомендується приймати робочу швидкість газу w = (0,8 – 0,9) wгр.,    (21)

                            Рис. 1.1. Графік для визначення граничної швидкості

                            wгр. у вільному січенні колони за різної відстані Н

                            між тарілками

Відношення ρг /ρр =1.24/999=1.24*10-3 ;

відстань між тарілками приймаємо – H= 0,3 м

Гранична швидкість з графіку дорівнює 0.8 , але за умови ми повинні помножити одержане значення на 1,5 , звідси wгр.=0,8 *1,5=1,2 м/с

Тоді робоча швидкість буде дорівнювати:

           w =0,8* 1,2 = 0,96 м/с

    Об’ємні витрати газу за робочих умов :

                  V= Gсум / ρсум = 0,17 / 1,24 = 0,14 м3/c   ,             (22)

Після визначення наближеного значення швидкості розраховуємо діаметр колони:

          d = =

Приймаємо діаметр абсорбера(з ряду стандартних діаметрів) d= 0,4м ( додаток 5.2. [1])

      Тоді дійсна швидкість газу в абсорбері:

                          w1 = 4V/ (πd2) = 4٠0,14/(3,14٠0,42) = 1,11 м/с  ,       (23)

     3.4. Розрахунок висоти колони [2].

Для розрахунку робочої висоти колони треба визначити кількість тарілок і відстань між та­рілками .

Необхідну кількість тарілок визначають діленням загальної площі тарілок F на робочу площу f однієї тарілки.

                                          n = F / f  ,                (24)                                                                                                 

Для знаходження загальної площі тарілок звичайно використовують модифіковане рівняння масопередачі, в якому коефіцієнти масопередачі для рідкої Кхf і газової Куf фаз відносять до одиниці робочої площі тарілки:

                                          ,                            (25)                                         

де М - маса речовини, яка переноситься через поверхню масопередачі за одиницю часу, кг/ с;

F - загальна робоча площа тарілок в абсорбері, м2.

              3.4.1. Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної загальної площі тарілок і числа тарілок

              Коефіцієнт масопередачі визначимо за рівнянням адитивності фазових дифузійних опорів:

,              (26), (27)                                         

де βхf, βуf - коефіцієнти масовіддачі, віднесені до робочої площі тарілки відповідно для рідкої і газової фаз, кг/(м2 ٠с).

              Коефіцієнти масовіддачі будемо розраховувати за рівняннями :

              βхf  = 6.24٠105٠ ;              (28)             

              βyf = 6.24٠105 ;          (29)

У наведених рівняннях: Dx, Dy - коефіцієнти молекулярної дифузії компоненту, який        поглинається, в рідині і газі, м2 / с;

U / (1 - ε), w / ε - середні швидкості рідини та газу у барботажному шарі, м / с;

ε - газовміст барботажного шару, м3 / м3;

U – густина зрошування, м3/(м2٠с);

µх і µу – в’язкість рідини і газової суміші за робочих умов в абсорбері, Па٠с;

h0 – висота світлого шару рідини на тарілці, м.

              Висоту світлого шару на тарілці h0 знаходять зі співвідношення:

                                          ΔРп = gρхh0 = gρх(1 – ε) hп,                            (30)                           

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

              З рівняння (30):

                                                        h0 = (1 – ε ) hп.                                                                                   

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/(ρх٠Sт) = 0,5/(999٠0,785٠0,42) = 3,98٠10-3 м3/(м2٠с) ,   (34)

де  Sт - робоча площа тарілки ( Sт =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/ ( 0,182 . 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 ) hп  = ( 1- 0,78 ) 0,072 = 0,016 м

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

При 150С :

                       Dх = 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 Dy = 9,4٠10-6 м2/с (таблиця 1.2).

При 150С :

D = D0=   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 - µп = 1,8٠10-5 Па٠с;

в’язкість сірководню µH2S = 12,26٠10-6 Па٠с ( визначаємо з номограми).

Розрахуємо в’язкість газової суміші µг із залежності :

                                          ,                                  (40)

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

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

                                          Мс/µг = 186 353 + 1503166 = 1689519,

звідки    µг = 1,7٠10-5 Па٠с.

           В’язкість газової суміші µг = µy =1,7٠10-5 Па٠с.

В’язкість рідкої фази µр = µx =1,14٠10-3 Па٠с = 1140٠10-6 Па٠с.

Коефіцієнти масовіддачі:

      βхf  = 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

βхf = 5,9٠10-3  м/с. 

βyf = 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

βyf = 4,6 м/с.                           

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

        У рідкій фазі :

              βх = βхf (ρр - ) = 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:

              βy = βyf (ρг - ) = 4,6( 1,24 – 0,053) = 5,46 кг/(м2٠с)  ,    (43)    

де = ρг٠= 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) hn і висоти сепараційного простору hc:

h = hn + hc                            (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 wm /                                                                       (45)

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

0,565 (ρх / 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 hc :

hc = 0,21 м

         Відстань між тарілками: