Оросительные скрубберы с насадками

Для получения больших активных поверхностей теплообмена между газом и жидкостью применяют колонны с различными насадками: кольцами Рашига, коксом, деревянными рейками в виде хордовых насадок, с металлической стружкой и т. п. На рис. 5.3 показаны различные виды скрубберных насадок.

Рисунок 5.3 - Насадки для смесительных теплообменников

а - беспорядочно уложенные кольца; б и в - кольца с перегородками; г - шары;
д - пропеллерная насадка; е - седлообразная насадка; ж - хордовая насадка

В расчетах насадок используется величина гидравлического радиуса r=f/U=V_CB/S или приведенного диаметра:

. (5.2)

При противоточном движении газа и жидкости в насадочных колоннах по мере возрастания скорости наблюдаются четыре характерных режима движения потоков: пленочный, промежуточный, турбулизации и эмульгирования.

При проектировании скрубберов принимают рабочую скорость w_г несколько меньше скорости эмульгирования w_a, при которой наступает инверсия (пенообразное перемешивание) фаз:

w_г = (0,80 ÷ 0,85) w_а м/с.

Скорость газов, соответствующая оптимальному режиму работы колонн, определяется:

. (5.3)

где . (5.4)

В этих формулах ω_опт - оптимальная скорость парогазовой смеси, м/с;
ρ_г - плотность парогазовой смеси при заданной температуре, кг/м³, ρ_ж - плотность жидкости при заданной температуре, кг/м³; μ_г - вязкость парогазовой смеси, Н∙с/м²; d_э=4V_cв/S - эквивалентный (гидравлический) диаметр насадки, м;
L - расход газа, кг/с; G - расход жидкости, кг/с.

Оптимальная скорость газа:

. (5.5)

Определение основных размеров колонны сводится к подсчету полезного или активного объема В, диаметра D и полезной высоты Н.

Полезный или активный объем скруббера определяется по формуле:

. (5.6)

где Q - количество тепла, передаваемое в скруббере, Вт; k - коэффициент теплопередачи насадки, Вт/(м²∙°С); ∆t - средняя разность температур теплоносителей, °С; S - поверхность насадки в единице объема, м²/м³;
φ - коэффициент смачиваемости.

Коэффициент смачиваемости насадки φ (отношение поверхности смоченной насадки к ее полной поверхности) можно найти как отношение количества жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки, V, к количеству жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки при полной ее смачиваемости, V₀.

Таким образом:

. (5.7)

где S - поверхность насадки в единице объема, м²/м³; - плотность орошения, м³/(м²∙ч).

Таблица 5.1 - Значения функции плотности орошения

, м3/(м2∙ч)
			9,8	7,5	6,6	6,0	5,3	4,8	4,4	4,2	3,8

Значения даны в таблице 5.1. Если φ получается больше единицы, то насадка смачивается полностью и в расчете принимается φ = 1.

Для равномерного распределения газа и жидкости по сечению аппарата отношение высоты насадки к ее диаметру H/D не должно быть меньше 1,5 - 2 и больше 5 - 7.

Коэффициент теплопередачи при охлаждении воздуха водой в скрубберах с насадкой можно определить по формуле:

. (5.8)

где λ - теплопроводность смеси (влажного воздуха), Вт/(м∙°С); Re_r=ωd_э/v_г - критерий Рейнольдса для парогазовой смеси, в котором ω_г - скорость газа в насадке, м/с; v_г - кинематическая вязкость парогазовой смеси, м²/с; Рг = v_см/α_см - критерий Прандтля для парогазовой смеси; - критерий Рейнольдса для жидкости при температуре 20 °С, в котором - плотность орошения насадки, м³/(м²∙ч); L - расход жидкости, м³/ч; v_ж - кинематическая вязкость жидкости при температуре 20 ºС, м²/с; - безразмерный комплекс, учитывающий влияние массообмена; i - энтальпия пара; r - теплота парообразования; φ=α/β≈c_р - соотношение Льюиса, где α - коэффициент теплоотдачи; β - коэффициент массообмена; m = μ_п/μ_в - отношение молекулярных весов пара и воздуха; с_р - теплоемкость влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха; A = 1/427 - тепловой эквивалент единицы работы; R - газовая постоянная влажного воздуха; Т - температура парогазовой смеси, К.

В большинстве случаев процессы в скрубберах при тепло- и массообмене воздуха с водой протекают при температурах от 20 до 90 °С; Т. Хоблер предлагает принимать ε = 130; X - средняя концентрация пара в парогазовой смеси:

. (5.9)

где Х_п - концентрация пара ,в смеси при ее средней температуре, кг/кг;
Х₃ - концентрация пара в смеси у зеркала испарения воды при температуре 20 °С, кг/кг.

Градирни

Градирня представляет собой сооружение для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения.

По способу передачи тепла атмосферному воздуху их можно классифицировать:

1. испарительные, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется в основном за счет испарения;

2. радиаторные, или сухие, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется через стенку радиаторов за счет теплопроводности и конвекции;

3. смешанные, в которых используется передача тепла за счет испарения, теплопроводности и конвекции.

По способу создания тяги воздуха градирни разделяются:

1. вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

2. башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

3. открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха - ветер и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются на пленочные, капельные и брызгальные.

Вентиляторные градирни

Вентиляторная градирня (рисунок 5.4) включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.

В градирнях применяют преимущественно низконапорные трубчатые системы распределения воды с разбрызгивающими соплами. Схемы и конструктивные размеры пластмассовых сопел - тангенциального, ударного с зубчатым отражателем и раструбного - приведены на рисунке 5.5.

Рисунок 5.4 - Схема вентиляторной противоточной градирни

1 - диффузор; 2 - вентилятор; 3 - водоуловитель; 4 - водораспределительная система; 5 - оросительное устройство; 6 - воздухонаправляющий козырек;
7 - воздуховходные окна; 8 - воздухораспределительное пространство;
9 - переливной водовод; 10 - грязевой водовод; 11 - водосборный бассейн;
12 - ветровая перегородка; 13 - отводящий водовод; 14 - подводящий водовод

В градирнях применяются три типа оросительных устройств (рисунок 5.6): пленочные, капельные и брызгальные.

Пленочный ороситель обеспечивает наибольшую поверхность соприкосновения для тепломассообмена воды с воздухом при меньших по сравнению с другими типами аэродинамических сопротивлениях и имеет наиболее высокий эффект охлаждения воды.

Ороситель брызгального типа представляет собой воздухонаправляющие щиты, которые одновременно несколько увеличивают поверхность соприкосновения воды с воздухом и время контакта этих сред.

Рисунок 5.6 - Разбрызгивающие пластмассовые сопла

а - тангенциальное; б - ударное с зубчатым отражателем; в – раструбное

Рисунок 5.7 - Конфигурации оросителей

а - б – деревянные капельные оросители, в - д – пленочные щитовые оросители,
е – ж – капельно-пленочные оросители

К водоуловителям предъявляются требования максимально возможного снижения выноса капель из градирни с потоком воздуха при минимальном аэродинамическом сопротивлении. Некоторые конструкции водоуловителей изображены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Схемы водоуловителей

I - деревянный двухрядный, II - пластмассовый уголковый конструкции ВНИИГ, III - асбестоцементный с криволинейным очертанием лопаток, IV - пластмассовый с криволинейным очертанием лопаток, V - пластмассовый трехрядный