Технологический расчет процесса и аппарата

 

Полученное числовое значение = 0,007 м для длины пути жидкости l_т = 1,62 м следует считать допустимым.

5.7. Отсутствие захлебывания. В результате переполнения переточного устройства тарелка может захлебнуться и нормальный переток жидкости с тарелки на тарелку будет нарушен.

Отсутствие захлебывания определяется выполнением условия (см. рис. 1.4)

 

где — высота уровня вспененной жидкости в сливном устройстве, равная

 

при этом - высота светлой жидкости в сливном устройстве, м; - высота слоя пены в сливном устройстве, м.

Высота светлой жидкости рассчитывается по уравнению:

 

где = 482 Па — общее сопротивление нижней клапанной тарелки аппарата; — потеря давления жидкости при ее протекании через сливное устройство, Па.

Величину  найдем по формуле

 

где =3,25— коэффициент сопротивления; u_пер — скорость жидкости в сечении между нижним обрезом сливной перегородки и тарелкой (см. рис. 1.4), м/с.

Скорость жидкости u_пер равна:

 

где — площадь сечения между нижним обрезом сливной перегородки и

тарелкой, рассчитанная по формуле:

 

При этом — длина линии слива, м; —зазор под сливной перегородкой, м.

Тогда

 

 

Высоту пены в сливном  устройстве примем равной высоте пены на тарелке h_п=0,063 м. В этом случае

 

При

 

выполняется условие

 

В результате расчета работоспособности  наиболее нагруженной по газу и жидкости нижней тарелки абсорбера подтверждается правильность принятия диаметра аппарата равным D_а=2,6 м.

6. Высота абсорбера. Одновременная абсорбция двух компонентов газа широко применяется в промышленности, однако расчет высоты аппаратов для хемосорбции компонентов является проблематичным, особенно в случае одновременной хемосорбции нескольких компонентов.

Относительно хорошо изучена  кинетика хемосорбции С0₂ и Н₂S водным раствором МЭА в насадочных аппаратах. Расчеты высоты насадочных аппаратов с числовыми примерами хемосорбции одного компонента даны в работе [12].

Рис. 2.5. Схема для расчета высоты абсорбера очистки газов раствором МЭА.

Рабочая высота абсорбера (рис. 2.5) равна, м:

 

где h₁ — высота верхней камеры; — высота, части аппарата, занятой тарелками; — высота нижней камеры.

Высоты верхней и нижней камер аппарата примем h₁ = 1,5 м .

Высота части аппарата, занятой тарелками, рассчитывается по формуле:

 

где — число рабочих тарелок; h_т — расстояние между тарелками, м.

Число рабочих тарелок  равно:

 

где N_Т — число теоретических тарелок; — коэффициент полезного действия тарелки.

Число теоретических тарелок , необходимое для обеспечения заданного коэффициента извлечения одного компонента в абсорбере при постоянном среднем коэффициенте его извлечения на каждой тарелке, можно рассчитать по уравнению [1, с. 161]:

 

где — коэффициент извлечения компонента в абсорбере; — средний коэффициент извлечения компонента на тарелках.

Кислые компоненты С0₂ и Н₂S извлекаются в абсорбере одновременно, но не одинаково. Если рассчитать необходимое число теоретических тарелок N_т для компонента, который извлекается труднее, то этого числа теоретических тарелок вполне хватит и для извлечения другого компонента.

Из двух компонентов труднее  будет извлекаться тот, для которого константа фазового равновесия при условиях, например на нижней тарелке аппарата, окажется больше.

Константы фазового равновесия для С0₂ и Н₂S рассчитаем по формуле:

 

где — константа фазового равновесия для водных растворов газов, кПа; М_ж и р_ж — средняя мольная масса и плотность абсорбента в нижней части аппарата; R = 8,315 кДж/(кмоль•К)—универсальная газовая постоянная; Т=52+273=325 К — температура газа.

Константы фазового равновесия для водных растворов С0₂ и Н₂S при температуре t_н = 52°С равны [12, с. 25]:

              

Расчет средней мольной  массы жидкого поглотителя на нижней тарелке абсорбера дан  в табл. 1.12.

Подставив в формулу для  расчета  числовые значения величин, получим:

 

 

Поглощение СО₂ в водном растворе МЭА будет происходить труднее, чем поглощение Н₂S, так как >т. В этой связи число теоретических тарелок N_Т следует рассчитать применительно к поглощению СО₂.

Коэффициент извлечения С0₂ в абсорбере

 

где , — расходы С0₂ при вводе газового сырья в аппарат и выводе из аппарата очищенного газа (см. табл. 1.4 и 1.5), кг/ч.

Подставив числовые значения величин в формулу для расчета  коэффициента , получим

 

Средний коэффициент извлечения на тарелках рассчитаем по формуле:

 

где — коэффициент массопередачи при хемосорбции, м/ч; а — удельная поверхность контакта фаз, м²/м³; h_п— высота газожидкостного слоя, м; h_пр - приведенная скорость газа при рабочих условиях в нижней части аппарата, м/с.

Коэффициент массопередачи  при хемосорбции рассчитывается через коэффициенты массоотдачи при физической абсорбции по формуле

 

где и — коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах, м/ч; — константа фазового равновесия для физической абсорбции с поправкой на ионную силу раствора, полученного в результате хемосорбции. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

 

где — коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к единице рабочей площади (м²) тарелки, м/(ч-м²).

Для клапанной тарелки  коэффициент  находят по эмпирической формуле [12, с. 499]:

 

где A= 41700, т= 1, n = 0,5 — коэффициенты; =0,04 м.

Подставив числовые значения величин в формулу, получим:

 

Рабочая площадь клапанной  двухпоточной тарелки диаметром  D_т = 2,6 м равна = 3,62 м² [13, с. 243].

Тогда

 

Коэффициент массоотдачи  в жидкой фазе равен:

где —коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, отнесенный к единице рабочей площади F_p (м²) тарелки, м/(ч-м²).

Для клапанной тарелки  коэффициент  найдем по эмпирической формуле [12, с. 504]:

 

где A = 240, m = 0,35, n = 0,58— коэффициенты; = 0,04м. Коэффициент равен:

 

Константу фазового равновесия с поправкой на ионную силу водного  раствора моноэтаноламина найдем по эмпирической формуле:

 

 

где , К⁺, — поправочные коэффициенты на присутствие растворенного газа, положительных и отрицательных ионов соответственно; и — количества положительных и отрицательных ионов; С — концентрация абсорбента, кмоль/м³.

В водном растворе моноэтаноламина  в результате хемосорбции С0₂ содержатся следующие положительные и отрицательные ионы:

 

 

 

 

Значения поправочных  коэффициентов , К⁺, можно определить для большинства ионов по данным [12, с. 27]. Для ионов, данные по которым отсутствуют в работе [12, с. 27], значения поправочных коэффициентов принимаются по аналогам.

Количества положительных  и отрицательных ионов определены на основе стехиометрических уравнений  и приведены в табл. 1.14, где  также указаны принятые аналоги  и значения поправочных коэффициентов , К⁺, .

Концентрация абсорбента равна:

 

Таблица 2.14. Поправочные коэффициенты

Ион. молекула	Ион-аналог	Число ионов		Поправочный коэффициент
		-	1	-	0,05	-
		3	-	-	-	0,07
		-	1	-	0,17	-
	-	-	-	-0,03	-	-

 

Подставив в формулу для  расчета константы фазового равновесия числовые значения величин, получим:

 

Коэффициент массопередачи  равен:

 

Удельную поверхность  контакта для клапанных тарелок  найдем на основе уравнения [12, с. 490]:

 

где Fr = 0,22; We —критерий Вебера; — газосодержание; = 0,94·10^-3 Па·с и = 0,55·10^-3 Па·с — вязкость водного раствора МЭА и воды при температуре t_н=52°С.

Критерий Вебера [12, с. 489]:

 

Газосодержание рассчитаем по формуле [12, с. 447]:

 

Подставив в формулу для  расчета удельной поверхности контакта числовые значения величин, получим:

 

Тогда

 

 

Применим в абсорбере  клапанные тарелки, к. п. д. которых при хемосорбции С0₂ и Н₂S находятся в пределах 10—40% [1, с. 124; 14, с. 139]. Приняв среднее числовое значение η = 25%, найдем число рабочих тарелок:

 

Высота части аппарата, занятой тарелками, при h_т=0,6 м равна:

 

Рабочая высота абсорбера  равна:

 

Диаметры штуцеров аппарата рассчитываются по обычным формулам

гидравлики [14, с. 97].

Расчет диаметра штуцеров

Штуцер для входа газовой  смеси в колонну.

 м,  где  - скорость газовой смеси на входе в колонну (примем =15м/с);

Принимаем =300 мм

Штуцер для выхода газа из колонны.

 м,   где   - скорость газа на выходе из колонны (примем =15м/с); м/с----скорость газа в рабочих условиях

Принимаем =300 мм

Штуцер для входа жидкости в колонну.

м,  м³/ч,  где --расход жидкости при нормальных условиях, --скорость жидкости на входе в абсорбер(примем =1 м/с);

Принимаем: =180 мм

Штуцер для выхода смеси  из абсорбера.

м,  - расход жидкости при нормальных условиях, --скорость жидкости на выходе из абсорбера (примем =1 м/с);

  м³/ч, где

Принимаем: =180 мм

 

2.5 ВЫБОР ДОЛОЛНИТЕЛЬНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

 

Выбор насоса для подачи абсорбента

 

При проектировании обычно возникает задача определения необходимого напора H и мощности при заданной подаче (расходе) жидкости Q, перемещаемой насосом. Далее по найденному напору и производительности насоса определяем его марку, а по величине мощности на валу  - тип

электродвигателя к насосу.

Мощность на валу насоса, кВт,

 

где Q – производительность насоса, м³/c;

Н – напор, развиваемый насосом, м;

 – к.п.д. насоса,  = 0,4 ÷ 0,9;

 – к.п.д. передачи (для центробежного  насоса  = 1).

Напор насоса

 

     

где  Р₁ – давление жидкости для исходного раствора (атмосферное), Па; Р₂ – давление вторичного пара в первом корпусе, Па;

Н_Г – геометрическая высота подъема раствора, м,

Н _Г = 8 ÷ 15 м; h_п – напор, теряемый на преодоление гидравлических сопротивлений (трения и местных сопротивлений) в трубопроводе и теплообменнике, м.

Потери напора

,     

где и  – потери напора соответственно в трубопроводе и в теплообменнике, м. В связи с громоздкостью расчета потери напора в теплообменнике можно не рассчитывать и принимать их в пределах , в зависимости от скорости движения раствора в трубах теплообменника, длины, количества труб и числа ходов теплообменника;

w – скорость раствора, м/с, w = 0,5 ÷ I,5 м/с;

l и d – длина и диаметр трубопровода, м; l = 10 ÷ 20 м;

 – коэффициент трения;

 – сумма коэффициентов местных  сопротивлений.

Определим диаметр трубопровода из основного уравнения расхода:

 

 

Для определения коэффициента трения рассчитываем величину Rе:

,      

где плотность, кг/м³ и вязкость, Па∙с исходного раствора; при концентрации x = 5%;

 

Для гладких труб при Re = 252126 по задачнику .

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений  :

     

Коэффициент местных сопротивлений  равны:

вход в трубопровод   = 0,5;

выход из трубопровода = 1,0;

колено с углом 90º (для  трубы d = 62 мм);  = 1.1;

вентиль прямоточный   = 0,65 (для трубы d = 62 мм);

 

Примем потери напора в  теплообменнике и аппарата плюс 2 метра,Н_Г = 10,5 + 2 = 12,5 м.

 

Тогда, по формулам (2.8) и (2.9)

 

 

По приложению табл. П9 устанавливаем, что данным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки X8/30, для которого в оптимальных условиях работы Q = 2,4 10^-3 м³/с, H = 30 м. Насос обеспечен электродвигателем ВАО-32-2  номинальной мощностью N = 4 кВт.

Выбор компрессора