Расчет тарельчатого абсорбера (стр. 2 из 3)

Средний расход воды:

L_ср = 0,5(L_ин + L_K) = 0,5×(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. Определение диаметра абсобера

4.1 Скорость газа в абсорбере

w = 0,05(ρ_ж/ρ_г)^0,5

где ρ_ж = 998 кг/м³ – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρ_г – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

y_к = М_В

к/(МВ

к+М_А) = 29×0,005/(29×0,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = М_Ау+(1 – у)М_В = 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

r_г = МТ₀Р/(22,4ТР₀) = 27,83×273∙0,1/(22,4×293∙01) = 1,16 кг/м³.

w = 0,05(998/1,16)^0,5 = 1,47 м/с

4.2 Диаметр абсорбера

d =

где G_ср – средний расход газовой фазы:

G_ср = 0,5(G_H + G_K) = 0,5×(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16)^0,5 = 1,04 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

w_г = 1,47(1,04/1,0)² = 1,59 м/с.

4.4 Характеристика стандартной тарелки

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м²;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м²;

Периметр слива, L_c – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

5. Расчет высоты абсорбера

5.1 Высота светлого слоя жидкости

h₀ = 0,787q^0,2h_пер^0,56w_г^m[1 – 0,31exp(-0,11μ_x)]

где h_пер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μ_х = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6h_пер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/L_c = 0,0034/0,8 = 0,0043 м³/м∙с

Q = L/ρ_ж = 3,436/998 = 0,0034 м³/с – объемный расход воды

h₀ = 0,787∙0,0043^0,2∙0,04^0,56∙1,59^-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м

5.2 Плотность орошения

U = L/ρ_жS_к

где S_к = 0,785d² – площадь колонны;

U = 3,436/998∙0,785∙1,0² = 0,0044 м³/м²∙с

5.3 Газосодержание барботажного слоя

ε = Fr^0,5/(1+Fr^0,5)

где Fr – критери Фруда:

Fr = w²/gh₀ = 1,59²/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,9^0,5/(1+8,9^0,5) = 0,75

5.4 Вязкость газовой смеси

Вязкость воздуха при 20° С

,

где m₀ = 17,3×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент.

= 17,3×10^-6×(273+124)/(293+124)×(293/273)^3/2 = 18,3×10^-6 Па×с

Вязкость аммиака при 20° С

где m₀ = 9,18×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент

= 9,18×10^-6×(273+626)/(293+626)×(293/273)^3/2 = 9,98×10^-6 Па×с

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / m_см = 17×0,099/9,98×10^-6 + 29×0,901/18,3×10^-6

откуда m_г = 17,4×10^-6 Па×с

5.5 Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,0×10^-6×0,1(293/273)^3/2/0,1 = 18,9×10^-6 м²/с,

D₀ = 17,0×10^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: D_ж = 1,8×10^-9 м²/с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

β_жf = 6,24∙10⁵D_ж^0,5[U/(1–ε)]^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(1,8×10^-9)^0,5[0,0044/(1–0,75)]^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 0,013 м/с

β_жf = 0,0013∙ρ_ж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м²∙с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

β_гf = 6,24∙10⁵D_г^0,5(w/ε)^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(18,9×10^-6)^0,5(1,59/0,75)^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 14,98 м/с

β_гf = 14,98∙ρ_г = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м²∙с.

5.8 Коэффициент массопередачи

K_yf = 1/(1/β_гf + m/β_жf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м²∙с

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9 Движущая сила процесса массопередачи:

Δ

_м = _к = 0,005 кг/кг

Δ

_б = _н – _рн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δ

_ср = ( _б – _м)/ln( _б/ _м) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг

5.10 Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/K_yfΔ

_cp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м²

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d² = 0,1∙0,785∙1,0² = 0,0785 м²

где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11 Высота колонны

Н = Н_т(n-1)+Z₁+Z₂

где Н_т = 0,5 м – расстояние между тарелками;

Z₁ = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

Z₂ = 2,8 м – высота кубового пространства.

Н = 0,5(32-1)+1,6+2,8 = 19,9 м

6. Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

ΔР_с = ζw²ρ_г/2φ²

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔР_с = 1,5∙1,59²∙1,16/2∙0,1² = 220 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ΔР_σ = 4σ/d_э = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды;

d_э = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

ΔР_сл = ρ_жgh₀ = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки:

ΔР_т = ΔР_с+ΔР_σ+ΔР_сл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5 Полное сопротивление колонны:

ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7 Подбор газодувки и насоса для подачи воды

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=1,67 м³/с, а ΔР = 20000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = L_ин/ρ_ж = 3,347/998 = 0,0034 м³/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,0055 м³/с и Н=25 м.

7. Конструктивный расчет

7.1 Толщина обечайки

= 1,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м,

где s_д = 138 МН/м² – допускаемое напряжение [3c 394],

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

С_к = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки d = 8 мм.

7.2 Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d₁ =d = 8 мм.

Масса днища m_д = 74,3 кг.

Объем днища V_д = 0,162 м³.

7.3 Фланцы

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:

7.4 Штуцера

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d_1,2 = (3,436/0,785×1×998)^0,5 = 0,066 м,

принимаем d_1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d_3,4 = (1,451/0,785×25×1,16)^0,5 = 0,252 м,

принимаем d_3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

dусл	D	D2	D1	h	n	d
65	160	130	110	14	4	14
250	370	335	312	21	12	18

7.5 Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,

размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.