Расчет насадочного абсорбера

Абсорбционные методы санитарной очистки газов основаны на способности жидкостей растворять газы. В процессе абсорбции участвуют две фазы – жидкая и газовая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, а при десорбции, наоборот, - из жидкой в газовую фазу. Таким образом, абсорбция – это процесс выделения газа из жидкости. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом, или абсортивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, или инертным газом. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем, поглотителем или, абсорбентом. Аппараты, в которых осуществляют процесс абсорбции, называют абсорберами.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).

При физической абсорбции происходит физическое растворение абсорбируемого компонента в растворителе, которое не сопровождается химической реакцией.

При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с поглотителем, образуя новые химические соединения в жидкой фазе.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонные аппараты, заполняемые насадкой. Контакт газа с жидкостью в таких аппаратах происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость.

Насадочный абсорбер выполнен в виде цилиндра, в нижней части которого установлена опорная решетка. На решетку внавал или правильными рядами укладывают насадку. Орошающая жидкость подается на насадку сверху с помощью специальных оросительных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа, отвода жидкости. Штуцера для подачи жидкости и отвода газа расположены в верхней части аппарата. Жидкость, подаваемая сверху, имеет тенденцию растекаться к периферии. При этом насадка в центре аппарата остается не смоченной, образуя так называемый сухой конус. Для равномерного стекания жидкости по насадке ее укладывают правильными рядами по всей высоте аппарата, уменьшая размер насадки снизу вверх. Для этой же цели насадку разбивают на секции, между которыми устанавливают перераспределительные устройства для жидкости.

От правильного выбора типа насадки и ее укладки завися гидравлический режим и эффективность работы абсорбера. Наибольшее применение получила цилиндрическая кольцевая насадка – кольцо Рашига, представляющая собой тонкостенные тела, наружный диаметр которых обычно равен высоте. Насадку чаще всего изготовляют из керамики или фарфора, реже – из металлов, углеграфитовых и пластических масс.

Орошение насадок оказывает решающее влияние на эффективность работы насадочных абсорберов. Существует большое количество устройств для орошения насадок.

Орошение насадок может производиться с помощью компактных и раздробленных струй. Компактные струи обеспечивают неразбрызгивающие оросители. Их применяют при небольших расходах жидкости и когда недопустим большой брызгоунос.

Трубчатые распределители жидкости наиболее просты по конструкции. Их, как правило, применяют в колоннах малого диаметра. В данном случае выбираем трубчатый распределитель с двукольцевым коллектором.

Распределительные плиты обеспечивают равномерное распределение жидкости по торцу насадки. В данном случае используем гладкую перфорированную распределительную плиту.

Исходные данные.

Необходимо спроектировать насадочный абсорбер для очистки газа от диоксида азота раствором Ca(OH)₂ при следующих условиях: V_г= 2200 м³/ч; t_г = 30°C.

4.1. Начальная концентрация NO₂ в газовой смеси по объему y_н = V_гк100/V= 16%, где V_гк= М_гк/ρ_гк = С_вхV/ρ_гк = 1,82/1,25 = 1,46 м³/ч, конечная концентрация y_к = y_н(1-h) = 0,16(1-0,773) = 0,036% по объему; температура раствора Ca(OH)₂, подаваемого на орошение - 30°C. Процесс протекает при атмосферном давлении: Р = 10,133·10⁴ Па.

4.2.Количественная оценка компонентов, участвующих в процессе.

4.2.1.Определяем количество инертного газа, и диоксида серы, поступающего в абсорбер из уравнения:

М_ин.г^вх = Р^вхV/B_ин.гT (4.1)

М_ин.г^вх =10,133· 10⁴·910/286,7·303=1061,4

где B_ин.г = R/m_{i ин.г} = 83100/28,98 = 286,7 (Дж/г×град)– удельная газовая постоянная, зависящая от молекулярного веса газа;

4.2.2. Определяем парциальное давление компонента на входе в абсорбер.

PNO₂^вх = P^вх·y_н, (Па) (4.2)

PNO₂^вх =10,133·10⁴·0,16 =151,99

4.2.3.Определяем парциальное давление инертного газа на входе в абсорбер

Pин.г^вх = P^вх(1 - y_н), (Па) (4.3)

Pин.г^вх = 10,133·10⁴ (1 – 0,16) = 101127,34 (Па).

4.2.4.Определим удельные газовые постоянные.

Bин.г = R/μ_i; B₂ NO₂ = R/μ_i(NO₂), (Дж/кг·K) (4.4)

где μ_i, μ_i(NO₂)– молекулярные массы инертного газа и NO соответственно;

R = 8,31·10³ (Дж/кмоль·град) – универсальная газовая постоянная.

Bин.г = 8,31·10³/28,98 = 286,7 (Дж/кг·K)

B NO₂ = 8,31·10³/46 = 180,65 (Дж/кг·K),

тогда:

M_i^вх =P^вх·V/(B_ин.г.·T), (кг/ч)

M_ин.г^вх =10,133·10⁴·910/(286,7·303) = 1061,4 (кг/ч)

М NO₂^вх = 151,99·910/(180,65·303) = 2,53 (кг/ч).

4.2.5.Концентрация NO₂ в поступающем газе, в килограммах на 1 кг инертного газа:

y_н = М NO₂^вх/M_ин.г^вх, (кг/кг) (4.5)

y_н = 2,53/10,62 = 0,002 (кг/кг).

4.2.6. Концентрация NO₂ в газе на выходе, в килограммах на 1 кг инертного газа:

y_к = Р NO₂^вых·μ NO₂/((Р - Р NO₂^вых – Р_р)μ_ин.г), (кг/кг) (4.6)

где Р_р- парциальное давление растворителя, Па;

для воды при 30°C Р_р= 4238,94 Па.

Р NO₂^вых = Р·y_к, (Па) (4.7)

Р NO₂^вых = 101330·0,00036 = 36,5 (Па)

y_к = 30,399·46/((101330 – 30,399 – 4238,94)29,98) = 0,00005 (кг/кг).

4.2.7. Количество поглощаемого NO₂:

М NO₂ = М NO₂^вх·η, (кг/ч) (4.8)

М NO₂= (2,53·0,773)/46·100 = 42,61 (кг/ч).

При парциальном давлении P NO₂^вх =303,99 Па и температуре 30°C, равновесное содержание NO₂ в суспензии Ca(OH)₂ составляет x* = 0,0005 (кг/кг).

4.2.8. Константа фазового равновесия m_рх =314·10 ⁴ КПа при температуре 30°С. Действительный расход поглотителя:

L = G_см·l, (кг/ч) (4.9)

где l = 3,5 – удельный расход поглотителя;

G_см = V·r_cм = 910·1,25 =1137,5 (кг/ч) (4.10)

L = (1137,5·3,5)/18 = 221,38 (кг/ч).

4.2.9. Содержание NO₂ в уходящем поглотителе на 1 кг раствора

x_к = М NO₂/ L (4.11)

x_к = 42,61/221,38 =0,192 (моль)

Парциальное равновесное давление NO₂ над раствором на входе газа:

P^* = x_к· m_рх (4.12)

P^* =0,192· 314·10⁴ =6,03 (Па)

.

4.2.10.Равновесное значение у *_н на входе газа определяется

у *_н= P^*/ P (4.13)

у *_н =6,03/10,133·10⁴ =59·10^-6 (кг/кг)

Аналогично на выходе газа х_н =0; у *_к =0.

Для средней точки х = x_к/2 = 0,192/2 =0,096 (моль)

Равновесное значение y*_к на входе газа (4.13):

у * P^*/ P

P^* = P^*/2 =6,03/2 =3,015

у * =3,015/10,133·10⁴ =29·10^-6 (кг/кг)

y_к =0,5·10^-3 (кг/кг)

4.2.11.Определяем движущую силу

D y = y_к-0 =0,0005

D y= у _н-у *_н =0,002-59·10^-6 =0,002

4.2.12. Для определения числа единиц переноса определим движущие силы:

на входе газа в аппарат

∆y_б = y_н - y*_н, (кг/кг) (4.14)

∆y_б = 0,002 –59·10^-6 = 0,0002 (кг/кг).

на выходе газа

∆y_м = y_к , кг/кг (4.15)

∆y_м = 0,0005, кг/кг.

Движущая сила переноса азота:

∆y_ср = (∆y_б - ∆y_м)/ln(∆y_б/∆y_м), кг/кг (4.16)

∆y_ср = (0,0002 – 0,0005)/ln(0,0002/0,0005) = 10,82·10^-4 кг/кг.

4.2.13.Число единиц переноса:

N_ог = (y_н - y_к)/∆y_ср (4.17)

N_ог = (0,002 – 0,0005)/ 10,82·10^-4 = 1,38.

4.2.14.В качестве насадки выбираем кольца Рашига размером 100х100х10 мм. Определяем характеристики насадки: a = 60 м²/м³; b =0,72 м³/м³; d_экв = 0,048 м; ρ =620 кг/м³; n =1050 м³.

4.2.15. Плотность смеси воздуха и азота:

ρ_см = (M_ин.г·ρ_ин.г + M NO₂·ρ NO₂)/(M_ин.г^вх + M NO₂^вх), кг/м³ (4.18)

ρ_см = (1061,4·1,25 + 2,53·1,34)/(1061,4 + 2,53) = 1,25, кг/м³.

4.2.16. Площадь сечения абсорбера определяется из условия скорости к свободному сечению аппарата ω_г = 1 - 2 м/с, ω_г = 1,8 м/с.

S_A = V_г/(3600·ω_г·ρ_г), м² (4.19)

S_A = 910/(3600·1,8·1,25) = 0,112, м².

Откуда диаметр аппарата:

D_A = (4S_A/π)^0,5, м (4.20)

D_A = (4·0,112/3,14)^0,5 = 0,38, м.

4.2.17.Высота единицы переноса

- для газовой фазы: h_г = 0,615·d_э·R_ЕГ^0,345·P_г^2/3

- для жидкой фазы: h_ж = 119Q_прив·R_еж^0,25· P_г^0,5

где Q_прив – приведенная толщина пленки жидкости, м

Q_прив =(m_ж/r_ж·g)^1/3

где: r_ж = 999 кг/м³; m = 0,008 Па×с; g – ускорение свободного падения.

Q_прив =(0,0008/999·9,8)^1/3 = 0,00043, м.

2.5.15Критерий Рейнольдса для газа:

Re_г = 4·ω_г/(a·μ_г), (2.5.24)

где ω_г = G₀/(3600·S_A), (кг/м²·с) (2.5.25)

G₀ = М_ин^вх + М_NO2^вх = 1061,4 + 2,53 = 1063,93 кг/ч

ω_г = 1063,93/(3600·0,112) =2,64, кг/м²·с

Re_г = 4·2,264/(60·22,2·10^-6) = 8123.

2.5.16Критерий Рейнольдса для жидкой фазы:

Re_ж = 4·ω_ж/(a·μ_ж), (2.5.26)

где ω_ж = L₀/(3600·S_A), (кг/м²·с) (2.5.27)

ω_ж = 221,38/(3600·0,112) = 0,549 (кг/м²·с)

Re_ж = 4·0,549/(60·0,0008) = 45,7.

2.5.18Коэффициент диффузии NO₂ в жидкой фазе при 20°C определяется по справочным данным D₂₀ ^NO2 =0,3×10^-6 м²/с

Коэффициент диффузии D₃₀ при 30°C определяется из уравнения:

D_ж30 = D₂₀(1 + b_t(t - 20)), (м²/с) (2.5.30)

где b_t – температурный коэффициент

b_t = 0,2(μ_ж·10³)^1/2/(ρ_ж)^1/3 (2.5.31)

b_t = 0,2(0,0008·10³)^1/2/(999)^1/3 = 0,0179

D_ж30 = 0,3·10^-6(1 + 0,0179(30 - 20)) = 0,354·10^-6 (м²/с).

2.5.19Диффузионный коэффициент Прандтля для жидкости и газа:

P_ж = μ_ж/(ρ_ж·D_ж30); P_г = μ_г/(ρ_г·D_г), (2.5.32)

где D_г = 0,206·10^-4 (м²/с) – справочная величина.

P_ж = 0,0008/(999·0,354·10^-6) = 2,26

P_г = 22,2·10^-6/(1,25·0,354·10^-6) = 6,02.

2.5.20Высота единицы переноса для газовой и жидкой фазы:

h_г = 0,615·d_э·Re_г^0,345·P_г^2/3, м (2.5.33)

h_ж = 119·Q_прив·Re_ж^0,25·P_ж^0,5, м (2.5.34)

h_г = 0,615·0,048·8125^0,345·6,02^2/3 = 2,18 м

h_ж = 119·0,43·10^-3·45,7^0,25·2,26^0,5 = 0,2 м.

2.5.21Суммарная высота единицы переноса:

h_ог = h_г/К_г + (m_yx/1)·(h_ж/К_ж), (м) (2.5.35)

где К_г = 0,91; К_ж = 0,95 – коэффициенты ухудшения массоотдачи в газовой и жидкой фазах;

l = 3,5.

h_ог = 2,18/0,91 + 0,3·10^-3/3,5·(0,2/0,95) = 2,37, м

2.5.22С учетом значений N_ог и h_ог, высота насадки составит:

h_н = N_ог·h_ог, (м) (2.5.37)

h_н = 1,38·2,37 = 3,271 (м).

2.5.23Общая высота абсорбера:

H_а = h_н + 1,3D_а + 0,5D_а, (м) (2.5.38)

H_а = 3,271 + 1,3·0,378 + 0,5·0,378 = 3,95 (м).

2.5.24Гидравлическое сопротивление сухого аппарата:

∆P_сух = ε₀·( h_н/d_э)·(ω_к²·ρ_г)/2, (Па) (2.5.39)

где ε₀ = 16/Re_г^0,2; d_э = 0,048.

ε₀ = 16/8123^0,2 = 2,643

ω_к = ω_г/ε – действительная скорость газа в абсорбере.

ω_к = 1,8/0,72 = 2,5, м/с

∆P_сух = 2,643·(3,271/0,048)·(2,5²·1,25)/2 = 703,55 (Па).

2.5.25Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

∆P_ор = М·∆P_сух, (Па) (2.5.40)

где М = 10^β·Lор (2.5.41)

β = 33 – для кольца Рашига 100х100х10 мм.

Lор = L/(ρ_ж·S_A) – плотность орошения

Lор = 3984,75/(0,112·999) = 35,61, (м³/м²·ч)

М = 10^0,033·35,61 = 14,79

∆P_ор = 14,79·703,55 = 10406,27 (Па).

2.5.26Общее гидравлическое сопротивление составляет:

∆P_общ = ∆P_сух + ∆P_ор, (Па) (2.5.42)

∆P_общ = 703,55 + 10406,27 = 11109,8 (Па).

3 Обобщенные результаты анализа расчетно-аналитического выбора пылегазоочистной установки

3.1 Общая эффективность очистки от пыли определяется по формуле:

h = [1-(1-h₁)(1-h₂)(1-h₃)] (3.1)

где h₁ – эффективность очистки после первой ступени;

h₂ - эффективность очистки после второй ступени;

h₃ - эффективность очистки после третей ступени;

h₁, h₂, h₃ – определяются по формуле:

h_i = q_i·h_ф, (3.2)

где q_i-доля осажденной фракции.

h₁ = 0,174·0,998665 = 0,17376771

h₂ = 0,621·0,951 = 0,590571

h₃ = 1·0,984 = 0,984

h = [1-(1-0,17376771)(1-0,590571)(1-0,984)] = 0,99.

Заключение

В данном проекте обоснован выбор принципиальной схемы пылегазоочистной установки.

Чтобы достичь максимальной эффективности применили четырехступенчатую пылегазовую установку: осадительная камера – циклон – скруббер – абсорбер.

Достигнута в результате оптимальная общая эффективность – 99%.

Также была достигнута ПДК в селетебной зоне.