Абсорбция

 

                      ,     (4.23)

4.4 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

Плотность орошения  U, м³/(м² ·с), рассчитывают по формуле (5.11)

учебника [2]

                                  ,                                                  (4.24)

 

где L – расход поглотителя, кг/с;

 r_x – плотность поглотителя при 293 К, кг/м³;         

 S – площадь поперечного сечения абсорбера, м², который рассчитывается

 

                                                (4.25)

 

По формуле (4.24) найдем плотность орошения

 

 

Минимальную эффективную плотность орошения для насадочных абсорберов U_min , м³/(м² ·с), находим по формуле (5.14) учебника [2]

 

    U_min = a∙q_эф,                                                  (4.26)

 

где q_эф – эффективная линейная скорость орошения, q_эф = 0,022∙10^-3 м²/с по учебнику[2], стр. 198;

 а – удельная поверхность насадки, а = 165 м²/м³ по таблице 5.1 учебника [2].

 

.

В проектируемом абсорбере  плотность орошения U > U_мин , поэтому в данном случае коэффициент смачиваемости насадки y = 1 по учебнику [2, стр. 198].

4.5 Расчет коэффициентов  массоотдачи

Для нерегулярных насадок коэффициент массоотдачи в газовой фазе b_у, м/с, определим из уравнения (5.19) учебника [2]

 

                                            (4.27)

 

где Nu_y` – диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

      d_э – эквивалентный диаметр насадки;

      D_y – средний коэффициент диффузии углекислого газа в газовой фазе, м²/с.

Также диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы можно определить по формуле (4.398) учебника [4]

 

                                   (4.28)

 

где Re_y  – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

      Pr_y` – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.

Используя формулы (4.27) и (4.28) выразим коэффициент массоотдачи в газовой фазе b_у

 

                                                                                      (4.29)

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке Re_y можно рассчитать по формуле [2]

                                             (4.30)

где w – рабочая скорость газовой фазы, м/с;

      d_э – эквивалентный диаметр насадки;

  r_y – плотность газовой фазы, кг/м³;

  e – свободный объем насадки, м³/м²;

  m_y – динамическая вязкость газовой фазы, Па·с.

Динамическую вязкость газовой фазы m_y, Па∙с, при условиях абсорбции равна динамической вязкости воздуха по таблице 10 учебника [4]

 

,

 

.

 

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы Pr_y` рассчитаем по формуле [2]

 

           Pr_y` = m_y/(r_yD_y).                                               (4.31)

 

Коэффициент диффузии в воздухе D_y, м²/с, при условиях в абсорбере рассчитаем по формуле (4.353) учебника [4]

 

,                                        (4.32)

 

где D₀ – коэффициент диффузии угольного ангидрида в воздухе при T = 273 K и

р_о = , D₀ = 13,8∙10^-6 м²/с по таблице 34 учебника [4].

 

            

,

 

,

 

.

 

Выразим b_y` в выбранной для расчёта размерности по формуле [4]

                                            (4.33)

 

где  Сy_ср – средняя объемная массовая концентрация диоксида углерода на входе и на выходе из абсорбера в газовой смеси , кг/м³ [1].

 

                                                                                                (4.34)

 

где  Сy_н и Сy_к – объемная массовая концентрация двуокиси углерода на входе и на выходе из абсорбера в газовой фазе, кг/м³ [1]

 

                                                                                                       (4.35)

где  Y_н и Y_к – относительная концентрация угольного ангидрида в газовой фазе на входе и выходе из абсорбере, ;

  r_y – плотность газовой фазы, кг/м³.

 

 

Для нерегулярных насадок коэффициент массоотдачи в жидкой фазе b_x, м/с,  определим по формуле [2]

 

                                         (4.36)

 

где Nu_х` – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;

    D_х – средний коэффициент диффузии диоксида углерода в жидкой фазе, м²/с;

  d_пр – приведенная толщина стекающей плёнки жидкости по насадке, м.

Также диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы можно определить по формулa (5.21) учебника [2]

 

                                                                                            (4.37)

 

где Re_х – критерий Рейнольдса для жидкой фазы в насадке;

      Pr_х` – диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы.

Используя формулы (4.36) и (4.37) выразим коэффициент массоотдачи в жидкой фазе b_х формула (5.22) учебника [2]

 

                                                            (4.38)

 

Коэффициент диффузии диоксида углерода в жидкой фазе воде D_х, м²/с, при условиях в абсорбере рассчитаем по формуле [4]

 

     ,                                  (4.39)

 

где  D₂₀ – коэффициент диффузии двуокиси углерода в воде при 20 ºС, D₂₀ = 1,77∙10^-9 м²/с по таблице 34 учебника [4].

 

 

Приведенную толщину стекающей плёнки жидкости по насадке dпр, м, рассчитаем по формуле [4]

 

                                        (4.40)

 

где  m_x – вязкость жидкой фазы при температуре 20°C, m_x = 1,0×10^-3 Па×с по таблице 9 учебника [4];

       r_х – плотность жидкой фазы (воды) при 20 ºС;

 g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

 

 

 

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке жидкости Re_х можно рассчитать по формуле [2]

 

                                     (4.41)

 

где  U – плотность орошения;

  r_х – плотность жидкой фазы (воды) при 20 ºС;

      а – удельная поверхность насадки;

m_x – вязкость жидкой фазы при температуре 20°C.

 

.

Диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы Prх` рассчитаем по формуле [2]

 

 Pr_х` = m_x / (r_xD_x),                                          (4.42)

 

,

 

 

Выразим b_x` в выбранной для расчёта размерности по формуле [2]

 

 b_x` = b_x (r_x – C_{x ср})                                             (4.43)

 

где С_{x ср} – средняя объемная массовая концентрация диоксида углерода в жидкой фазе, кг/м³;

 

                                                                                                      (4.44)

 

где  Сх_н и Сх_к – объемная массовая концентрация двуокиси углерода на входе и на выходе из абсорбера в жидкой фазе, кг/м³[1].

 

                                                                                                    (4.45)

где  Х_н и Х_к – относительная концентрация двуокиси углерода в газовой фазе на входе и выходе из абсорбера, ;

  r_х – плотность газовой фазы, кг/м³;

 

 

Коэффициент массопередачи в газовой фазе рассчитываем по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений

 

                                                                           (4.46)

где b_y` и b<sub>x</sub>` – коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазе, кг/(м² ∙с);

      m – коэффициент распределения.

Коэффициент распределения m рассчитаем по формуле

 

                                                                     m = E/P,                                                          (4.47)

 

где Е – коэффициент Генри при 20 ºС, Е = 1,08×10⁶ мм рт. ст. = 144×10⁶ Па по таблице 33 учебника [4];

 Р – давление в абсорбере, Р = 2,1×10⁶ Па.

 

m =144×10⁶ /2,1×10⁶ = 68,571,

4.6 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи F, м², может быть найдена из основного уравнения массопередачи по формуле (5.1) учебника [2]

 

                                (4.48)

 

где М – производительность абсорбера по поглощаемому компоненту, кг/с;

К_x, К_y – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²·с);

 – средняя движущая сила, , которая рассчитывается следующим образом

 

,                                                (4.49)

 

Высоту насадки H, м, в аппарате обычно определяют через высоту единицы переноса и количество единиц переноса по формуле (4.371) учебника [4]

,  (4.50)

 

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

n_0y – число единиц переноса.

Высоту единицы переноса можно  определить через коэффициент массопередачи  по газовой фазе K_y, кмоль/(м²∙с∙кмоль/кмоль) по формуле (4.379) учебника [4]

 

,  (4.51)

 

где G – молярный расход инертного газа, кмоль/с;

S – поперечное сечение абсорбера, м²;

s – относительная поверхность насадки, м²/ м³;

y – коэффициент смачиваемости насадки.

Высоту единицы переноса определяем согласно уравнению (4.51)

 

 

Так как линия равновесия незначительно  откланяется от рабочей, то число единиц переноса определяется графически по рисунку 4.1. Для этого на диаграмме X-Y проводят линию CD, которая делит пополам произвольно взятые отрезки ординат, заключенные между равновесной и рабочей линиями. Через точку А на рабочей линии проводят горизонтальную линию, пересекающуюся с линией CD в точке Е и продлевают её до точки N так, чтобы АЕ = ЕN.Из точки N проводят вертикальную линию NМ до пересечения с рабочей линией. Ступень АNМ соответствует одной единице переноса. Вписывая таким образом ступени до достижения точки В определяем число единиц переноса, равное числу ступеней, необходимое для достижения заданного изменения рабочих концентраций между точками А и В.

Число единиц переноса составляет n_0у = 4,07.

Высоту насадки H, м, в аппарате определяем по уравнению (4.50)

 

.

 

Принимаем высоту насадки равной 1 м.

Общую высоту абсорбционной колонны определяют с учетом требований [8], добавляя к высоте насадочной части (1 м) высоту кубовой (2,8 м) и сепарационной (1,6 м) частей, разрывов для установки перераспределительных тарелок (1,425 м и 0,5 м), высоту опоры (2 м), высота днища и крышки аппарата (0,6 м).

 

4.7 Определение гидравлического сопротивления абсорбера

Гидравлическое сопротивление орошаемого насадочного абсорбера DP_ор, Па, можно рассчитать по формуле (4.404) учебника [4]

 

,     (4.52)

 

где ∆Р_сух – гидравлическое сопротивление данного слоя неорошаемой (сухой) насадки, Па;

А – коэффициент.

Значение ∆Р_сух определяется по зависимости (4.405) учебника [4]

 

     

                                         (4.53)

 

где – эффективный коэффициент трения для потока газа, движущегося в слое насадки;

Н – габаритная высота насадочного абсорбера, м;