3. Последовательность расчета насадочного абсорбера

3.1. Определение расхода абсорбента

При расчете абсорбера с нелетучим жидким поглотителем массовые (или мольные) расходы поглотителя и инертного, не растворяющегося в жидкости газа будут постоянными по высоте абсорбера. Выражая концентрации поглощаемого компонента в газе и жидкости в относительных массовых (или мольных) единицах, получим уравнение материального баланса (в массовых единицах):

, (3.1)

где M – расход поглощаемого компонента, кг/с; G_y и L – расходы инертного газа и жидкого поглотителя, кг/с; Yн Yк, – концентрации поглощаемого компонента в газе внизу и наверху абсорбера, кг/кг инертного газа; – концентрации поглощаемого компонента в жидкости наверху и внизу абсорбера, кг/кг жидкого поглотителя X_н X_к, [8, с. 290].

Из уравнения материального баланса (3.1) следует:

. (3.2)

Концентрацию X_к находят в зависимости от равновесной концентрации X^*к и коэффициента избытка абсорбента ε по выражению:

, (3.3)

где X^*_к связана с начальной концентрацией газа Y_к по закону Генри или задается в табличной форме при нелинейной связи X^*=f(Y).

3.2. Определение диаметра абсорбера

Выбирают материал и тип насадки. Мелкая насадка имеет большую поверхность массообмена, но при очень большой удельной поверхности насадка может оказаться не полностью смоченной жидкостью и поверхность контакта будет меньше поверхности насадки. Это явление учитывается коэффициентом смачиваемости Ψ. Максимальное смачивание насадки (Ψ = 1) достигается при некоторой оптимальной плотности орошения U_опт. При дальнейшем увеличении плотности орошения Ψ остается постоянным и равным единице. Оптимальную плотность орошения можно приближенно определить по формуле

,

где b – коэффициент, значения которого приведены в табл. Х-7 [9, с. 667]; f – удельная поверхность насадки, м²/м³. Значения коэффициента смачиваемости Ψ при U< U_опт даны на рис. Х-3 [9, с. 667].

Определяют фактическую (рабочую) плотность орошения по формуле (3.4):

(3.4)

где ρ_ж – плотность абсорбента, кг/м³; S – площадь сечения колонны, м².

Если фактическая плотность будет меньше оптимальной, то коэффициент смачивания будет меньше единицы. В этом случае следует применять насадку с меньшей удельной поверхностью, чтобы снизить U_опт. Практически полное смачивание достигается при плотности орошения порядка 5м³/(м²⋅ч) [9, с. 667].

Самый лучший вариант работы колонны – при .

Если U<<U_опт, т. е. неполное смачивание, то целесообразно взять насадку больших размеров и расчет повторить. Если U >> Uопт – принимают насадку меньших размеров и повторяют расчет.

Диаметр колонны определяют по уравнению расхода. Для этого необ-ходимо рассчитать рабочую скорость газового потока в колонне.

Расчет абсорбера производят для работы при оптимальном гидродинамическом режиме. Рабочую скорость газа ω в абсорбере можно определить по критериальной зависимости [8, с. 292]. Тогда диаметр абсорбера будет равен

(3.5)

где G_y – расход инертного газа, кг/с; ρ_y – плотность абсорбента, кг/м³; – ω скорость газа, м/с.

3.3. Определение высоты абсорбера. Существуют несколько методов расчета высоты слоя насадки [8, с. 292, 673]. Высоту насадки абсорбера рассчитывают через - H_н поверхность массопередачи, число единиц переноса, а также число действительных тарелок. Высота насадки определяется аналитически или графически.

Аналитическим методом высоту насадки можно рассчитать по уравнению

(3.6)

где G_y– мольный расход инертного газа, кмол/с; σ – удельная поверхность насадки м²/м³, S_св – площадь свободного сечения абсорбера, м²; K – коэффициент массопередачи, – число единиц переноса по газовой фазе; у – мольный рабочий состав газа, доли единицы; у*– мольный равновесный состав газа, доли единицы; h_y – высота единицы переноса.

Интеграл находят графически [9, с. 675].

Если же равновесная линия прямая (или приближается к прямой), то:

, (3.7)

где Δу_ср– средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, кг/кг; определяется по формуле

. (3.8)

Можно поступить и по-другому. Согласно основному уравнению массопередачи,

, (3.9)

где G – количество абсорбируемого газа, кмоль/с; K_ΔP – коэффициент массопередачи, кмоль/м²·с·кПа; F – поверхность массопередачи, м²; Δp_ср – средняя движущая сила процесса абсорбции, м²; выраженная через парциальное давление, кПа определяется по формуле:

, (3.10)

где Δp_н – движущая сила процесса внизу колонны, кПа; Δp_в – движущая сила процесса вверху колонны, кПа.

Высота слоя насадки:

. (3.11)

Поверхность контакта фаз в абсорбере при пленочном режиме работы:

, (3.12)

где S_k =πD²/4 – площадь поперечного сечения колонны, м²; D – диаметр колонны, м; σ – удельная поверхность сухой насадки, м²/м³.

В этом случае движущая сила процесса выражена через парциальные давления поглощаемого компонента.

Коэффициент массопередачи ΔKp определяется [8, с. 287]

, (3.13)

где β_y – коэффициент массоотдачи для газа; β_x – коэффициент массоотдачи для жидкости; φ – коэффициент распределения. Коэффициент массоотдачи для газа β_y определяется из критериального уравнения

(3.14)

где – критерий Нуссельта в газовой фазе; – коэффициент диффузии газа в газе при рабочих условиях, м²/с; ρ_y – средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях, кг/м³; d_э – эквивалентный диаметр насадки, м; Р_иг– среднее парциальное давление инертного газа в газовой смеси, кПа; М_см – средняя молекулярная масса газовой смеси.

Критерий Нуссельта в газовой фазе определяется по формуле

(3.15)

где Re_y и Pr_y – критерии Рейнольдса и Прандтля в газовой фазе, определяются по формулам

; (3.16)

. (3.17)

Коэффициент массоотдачи со стороны жидкости βx определяется по формуле

, (3.18)

где D_x – коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с; Nu^'_x – критерий Нуссельта в жидкой фазе определяется по формуле

. (3.19)

Критерии Re, Pr и Ga в жидкой фазе определяются по формулам:

; (3.20)

; (3.21)

; (3.22)

где d_Н – наружный диаметр элемента насадки, м.

Можно привести еще один из широко распространенных методов определения высоты насадки через объемный коэффициент массопередачи K^'_yυ :

(3.23)

где w_опт– скорость газа, соответствующая оптимальному режиму работы насадочной колонны, м/c; K^'_υy – объемный коэффициент массопередачи, 1/с; и – содержание компонента в газовой фазе и равновесное, в любом сечении аппарата; – число единиц переноса по газовой фазе (интегрирование производится от меньшей концентрации до большей). y

Скорость газа определяется по формуле

, (3.24)

где – эквивалентный диаметр насадки, м; V_c– свободный объем насадки, м²/м³; – удельная поверхность насадки, м²/м³.

Критерий Рейнольдса:

. (3.25)

Объемный коэффициент массопередачи определяется по уравнению

, (3.26)

где [9, с. 689]. (3.27)

В заключение следует напомнить пересчет коэффициентов массоотдачи, массопередачи, движущей силы процесса, из одной размерности в другую. Для улучшения смачиваемости насадки в колонне большого диаметра насадку укладывают слоями высотой 2–3 м, под каждой секцией устанавливают перераспределитель жидкости [10].

Общая высота колонны Н_к слагается из высоты насадки Н_н и общей высоты перераспределительных разрывов насадки , высот верхней и нижней сепарационных частей, выбираемых конструктивно по [6, с. 235].

Высота насадочной части

. (3.28)

Общая высота колонны

, (3.29)

где Z_в и Z_н – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м. Значение Z_в и Z _н выбирают в соответствии с табл.1.

Таблица 1

Зависимость высоты сепарационного пространства над насадкой и расстоянием между днищем колонны и насадкой от диаметра колонны. Размеры в мм
Диаметр колонны	Zв	Zн
400-1000	600	1500
1200-2200	1000	2000
2400 и более	1400	2500