Расчёт абсорбционной установки

 

 

Выразим β_х в выбранной для расчёта размерности:

 

         β_х = 7,6^. 10^-6(ρ_х – с_хср) = 7,6^. 10^-6(1015-20,1) = 0,756 кг/м^2.с

 

Подставив численные значения в  формулу (3.8) найдём коэффициент массопередачи в газовой фазе:

 

 

3.7. Поверхность массопередачи и высота абсорбера

 

Поверхность массопередачи в абсорбере найдём по уравнению (3.1):

 

                     

 

Высоту насадки, необходимую для  создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле:

 

                               ,                                                        (3.19)

 

 Подставив численные значения, получим:

               

                        

 

Для осуществления заданного процесса выберем 4 последовательно соединённых  скруббера, в каждом из которых высота насадки равна 35 м. Принимая число решёток в каждом ярусе 25, а расстояние между ярусами 0,3 м определим высоту насадочной части абсорбера:

 

 

Расстояние между днищем абсорбера  и насадкой Z_н определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера Z_в зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства. Примем эти расстояния соответственно 2,3 и 3,2 м.

Общая высота одного абсорбера составит:

 

              Н_а = Н_н + Z_в + Z_н = 38,9 + 2,3 + 3,2 = 44,4 м

 

3.8. Гидравлическое сопротивление  абсорберов

 

Гидравлическое сопротивление  ΔР_а обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину ΔР рассчитывают по формуле /5/:

                                    ,                                                          (3.20)

 

где ΔР_с - гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки;

     U – плотность орошения, м³/м^2.с;

     b = 119 – коэффициент.

Гидравлическое сопротивление  сухой насадки ΔР_с определим по уравнению:

                              ,                                                         (3.21)

 

где ω₀ – скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;

       λ – коэффициент  сопротивления, который найдём  по формуле:

 

                                 

 

Скорость газа в свободном сечении  насадки:

 

                                      

 

Подставив численные значения, получим:

 

                           

 

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННИКА

 

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей (рис.4.1). Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения (водой или другими нетоксичными, непажаро- и невзрывоопасными хладагентом) жидких и газообразных сред /3/.

               Кожухотрубчатый двухходовой холодильник

 

 

1 – крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера;         3 – кожух; 4 – теплообменные трубы; 5 – перегородка с сегментным вырезом;         6 – линзовый компенсатор; 7 – штуцер; 8 – крышка

                                               Рис.4.1

 

Горячую газовую смесь в количестве G =10000 м³/ч необходимо охладить от t_н =150⁰С до t_к =20⁰С. Разобьем поток на две части и произведём расчёт для        G₁ =5000 м³/ч = 1,39 м³/с (исходя из схемы).

Определение тепловой нагрузки /3/:

 

                                                                                            (4.1)

 

где с₁ – теплоёмкость газовой смеси, с₁= 1166 кДж/кг*К /4/.

 

                         

 

Определим количество воды необходимой  для охлаждения:

 

                                                                                              (4.2)

 

 

 

 

 

 

где с_в – теплоёмкость воды, с_в= 4190 кДж/кг*К /4/.

 

 

Вода при средней температуре  t = 85⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: ρ_в = 968 кг/м³; λ_в = 0,68 Вт/м*К; μ_в = 0,3355*10^-3 Па*с /4/.

Среднелогорифмическая разность температур теплоносителей:

 

                                                                                          (4.3)

 

где ,   

Подставим величины в формулу и  получим:

 

                           

Ориентировочный выбор теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_ор = 15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

                                     ,                                                       (4.4)

 

Подставим величины в формулу и  получим:

 

                               

 

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее  турбулентному течению: К_ор = 180 Вт/м²*К.

Ориентировочное значение поверхности  составит:

 

                                                                                               (4.5)

Подставим и получим:

                              

 

Из таблицы 2.3 /3/ следует, что из выбранного ряда больше всего подходит теплообменник с трубами длиной L = 2 м и номинальной поверхностью F = 49,0 м², диаметром кожуха D = 600 мм, d_тр=20 х 2 мм , S=0,078 м², n = 389 шт, z =1 имеют соотношение n/z = 389.

Произведём уточнённый расчёт поверхности  теплопередачи:

 

               

 

                            

 

Расчет α₁ - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего  пара к стенке α₁ равен:

 

                  

                                                (4.6)

 

где r₁ =2440 кДж/кг - теплота конденсации греющего пара /4/;

  ρ₁=1,98 кг/м³ /2/;

       λ₁=0,53 Вт/(м*К) /4/ - теплопроводность конденсата при средней температуре пленки;

 Δt - разность температур конденсации пара и стенки, °С.

Расчет  α1 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем:

 

Δt=t_н – t(w₁)

t_ср = t_н - Δt_ср.лог = 150-27=123 ⁰С

 

Тогда Δt = 150 - 136,5 = 13,5 °С.

 

            

 

Для установившегося  процесса передачи тепла справедливо  уравнения:

 

                                                                                                     (4.7)

 

где q₁ - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

Отсюда:

                          Вт/м²

 

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции равен:

                                                                                                  (4.8)

                          

 

Oпределим критерий Nu пренебрегая поправкой

Подставим и получим:

 

                     

                      

                                                                                              (4.9)

 

где

Тогда

 

Во втором приближении примем.

t_ср = t_н - Δt_ср.лог = 150-27=123 ⁰С

 

Тогда         Δt = 150 – 133,5 = 16,5 °С.

 

 

 

                       Вт/м²

 

Коэффициент теплопередачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных кипятильных трубках при условии естественной циркуляции равен:

Подставим и получим:

 

                     

                      

                     

               

Тогда

q₁ ≈ q₂

Расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 3%, следовательно, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

 

                                                                                      (4.10)

 

Сумма термических сопротивлений  стенки труб из нержавеющей стали  равна:

               Σδ/λ=0,000905172 м²*К/Вт

 

Коэффициент теплопередачи равен:

 

            

 

Требуемая поверхность  теплопередачи составит:

 

                    

 

Данный кожухотрубчатый теплообменник с трубами длиной L=2м и номинальной поверхностью F=49м² подходит с запасом:

 

                        

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве ∆p_тр рассчитываем по формуле:

                           (4.11)                                                                     

Скорость  жидкости в трубах рассчитывается по формуле:

 

                                                                                                (4.12)                                                                     

 

Отсюда скорость в трубном пространстве будет  равна:

 

                      м/с

 

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

 

                                                                 (4.13)

 

 где е=Δ/d=0,0002/0,016=0,0125 – относительная шероховатость труб;

        Δ – высота  выступов шероховатостей.

Отсюда коэффициент  трения будет равен:

 

           

 

Скорость  в штуцерах рассчитывается по формуле:

 

                                                                                      (4.14)

где d_шт = 0,15м

Отсюда скорость в штуцерах будет равна:

 

          

 

Гидравлическое  сопротивление в трубном пространстве:

 

  

5. РАСЧЁТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

5.1. Расчёты вентилятора

 

Произведём подбор вентилятора, который  используется для подачи газа для  абсорбции. Газ подаётся в нижнюю часть абсорбера. Расход газа 1,39 м³/с, температура газа 20 ⁰С, давление 0,1 МПа.

Найдём рабочий расход газа /3/:

 

             

 

Примем скорость газа в трубопроводе ω = 12 м/с. Тогда внутренний диаметр трубопровода найдем по формуле:

 

                                            ,                                                             (5.1)

 

Подставим и получим:

 

                               

 

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 426 мм, толщиной  11 мм. Внутренний диаметр трубы d = 0,404 м. Фактическая скорость воды в трубе найдем:

                                                                                                             (5.2)     

 

Подставим и получим:

 

                             

 

Критерий Рейнольдса для потока в трубопроводе:

 

                               ,                                                             (5.3) 

 

 

 

 

 

где μ = 0,015^.10^-3 Па^.с – вязкость газа при температуре 20 ⁰С /8/;