Приведенная толщина пленки вычисляется по формуле

                                                                       (26)

Критерии Re_ж и Pr¢_ж  можно определить по формулам (22) и (24), но вместо вязкости и плотности носителя (воздуха) нужно подставить значения вязкости и плотности абсорбента, а вместо массовой скорости газа - массовую скорость абсорбента, которую определяют по формуле (23), подставляя в неё вместо расхода газа G расход абсорбента L.

После того как высота насадки рассчитана по формуле (16), для определения высоты абсорбера следует провести его секционирование, а также выбрать высоту наднасадочной (от верхнего уровня насадки до крышки) и поднасадочной (от нижней решетки под насадку до днища колонны) частей абсорбера.

 

Гидравлическое сопротивление абсорберов. При расчете гидравлического сопротивления абсорбера предварительно определяют сопротивление сухой насадки DР по известному выражению

                                                                     (27)

где l -коэффициент сопротивления, учитывающий суммарные потери давления на трение и местные сопротивления насадки; d_экв -эквивалентный диаметр насадки.

Значения l обычно определяют по эмпирическим уравнениям. 

Для кольцевой насадки, загруженной внавал, коэффициент сопротивления определяют по следующим зависимостям:

при Re_r < 40 (ламинарный режим)

                                                                                              (28)

при Re_r > 40 (турбулентный режим)

                                                                                         (29)

Для правильно уложенных насадок

                                                                                           (30)

причем для кольцевой насадки а = 9,2, а для хордовой определяется по формуле

                                                                         (31)

где h – высота насадки в одном ряду, м; t - расстояние между досками в свету, м; s - толщина доски, м.

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки Dр больше сопротивления сухой насадки (вследствие сужения каналов между элементами насадочных тел и увеличении при этом скорости газа).

Сопротивление орошаемой насадки при плотности орошения менее 50 м³/м²×ч, приближенно можно определить по формуле

                                                                                    (32)

где U – плотность орошения, м³/м²×ч; k – опытный коэффициент (для беспорядочно засыпанных и хордовых насадок k = 0,06, для правильно уложенных кольцевых насадок k = 0,04).

 

 

3.2. Расчет барботажных абсорберов

 

Расход абсорбента. Количество поглотителя L на проведение процесса абсорбции для барботажных абсорберов определяют также как для насадочных.

 

Диаметр абсорбера. Диаметр абсорбера определяют аналогично диаметру насадочных абсорберов по принятой скорости газа по уравнению (9). При выборе скорости w₀ следует исходить из условий работы тарелок.

Различают следующие режимы работы барботажных тарелок:

1. Режим неравномерной работы наблюдается при скорости газа w₀ < 0,5¸0,6 м/с. В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа открыты не полностью. В ситчатых тарелках при малых скоростях газа жидкость проливается через отверстия, и газ проходит только часть отверстий.

2. Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении скорости газа. В колпачковых тарелках прорези колпачков полностью открываются, а на ситчатых – газ проходит через все отверстия. Образуется пена ячеистой структуры.

3. Режим газовых струй и брызг наблюдается при w₀ >0,9¸1,1 м/с. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается. В результате над пеной появляется большое количество брызг.

Для достижения достаточной интенсивности барботажа, скорость газа в прорезях колпачков или отверстиях ситчатой тарелки не должна быть меньше величины w¢₀, соответствующей началу режима равномерной работы и приближенно равной

                                                              (33)

где а – коэффициент, равный 1 для колпачковых тарелок и 0,67 для ситчатых тарелок; g – ускорение силы тяжести, м/с²; z - коэффициент сопротивления; r_ж, r_г – плотность жидкости и газа, кг/м³; l – высота прорези (для колпачковых тарелок) или высота слоя жидкости на тарелке (для ситчатых тарелок), м.

Коэффициент сопротивления z имеет значения, приведенные в таблице 5

Таблица 5

Тарелки	z
Колпачковые Ситчатые j = 0,07 - 0,1 j = 0,15 – 0,2 Провальные дырчатые                                                             решетчатые трубчато-решетчатые	4,5 – 5   1,8 1,45   2,1 1,4 – 1,5 0,9 – 1

 

Скорость газа в свободном сечении колонны w₀ в зависимости от скорости газа w¢₀ в прорезях и отверстиях, составляет:

                                                                                                   (34)

где j - живое сечение прорезей и отверстий (отношение их суммарной площади на тарелке к площади поперечного сечения колонны).

Для провальных тарелок скорость в свободном сечении колонны находят, исходя из уравнения (35), характеризующего переход от одного режима к другому.

               (35)

где d – диаметр отверстий или эквивалентный диаметр щелей, причем ситчатые тарелки имеют диаметр 2 – 8 мм; клапанные – диаметр отверстий 35 –40 мм, диаметр клапана 45 – 50 мм; провальные тарелки: решетчатые и трубчато-решетчатые – щели шириной 3 – 8 мм, дырчатые диаметр отверстий 4 – 10 мм.

При скорости газа, соответствующей переходу от неравномерному к равномерному режиму В = 2,95, а при переходе к режиму газовых струй В = 10.

Скорость w₀ не должна превышать некоторого предельного значения w_пред, при котором резко увеличивается брызгоунос.

Значение w_пред  для тарелок с круглыми колпачками можно приблизительно определить по графику (рис. 6) в зависимости от расстояния между тарелками и отношения плотностей газа и жидкости. Для тарелок других конструкций значение w_пред , найденное по графику следует умножить на соответствующий поправочный коэффициент. Для тарелок с прямоугольными колпачками коэффициент равен 0,7, для ситчатых – 1,35, для провальных – 1,5.

Рекомендуется принимать рабочую скорость газа w₀ = (0,8¸0,9) w_пред.

В аппаратах, работающих при атмосферном давлении скорости практически составляют 0,5 – 2 м/с, в аппаратах, работающих при разряжении, принимают более высокие скорости, а при работе под давлением – более низкие.

 

Высота абсорбера. Высоту абсорбера находят по формуле

(36)                          

где n –число действительных тарелок (ЧЕП); h_п - высота пены, м; H_с.п. - высота сепарационного пространства, м; h_в - высота от верхней тарелки до крышки абсорбера, м; h_н - расстояние между днищем и нижней тарелкой, м. 

Сумма h_п  и H_с.п. представляет собой расстояние между тарелками.

h_в и h_н принимают из конструктивных соображений. Обычно величину h_н принимают равной 1-1,5 D. Величина h_в зависит от конструкции оросителей и брызгоуловителей.

Высота сепарационного пространства H_с.п  служит для снижения влияния на процесс явления брызгоуноса. Принимают, что допустимая величина брызгоуноса е не должна превышать 0,1 кг жидкости на 1 кг газа.

Для расчета величины уноса с различных тарелок предложено следующее уравнение

                                                                                                     (37)

где f – поправочный множитель, учитывающий свойства жидкости и равный 0,0565(r_ж/s) ^1,1, s - поверхностное натяжение, мН/м.

В таблице 6 приведены значения А и показателей степеней n и m.

Таблица 6

Тарелки	А	т	п
Провальные Клапанные и балластные	1,4×10-4 6,5×10-5	2,56 2,15	2,56 2,5

 

Высоту пены h_п на провальных тарелках можно определить посредством следующих уравнений:

при В <2,95                                                   (38)

при В =2,95¸10                                         (39)

при В >10                                                          (40)

где Fr – критерий Фруда, рассчитанный по скорости газа в отверстиях w¢₀ (м/с) и высоте пены h_п (м)

                                                                                           (41)

С – безразмерная величина:

                                                                                              (42)

где U – плотность орошения, которую можно найти как , м³/м²с; s - поверхностное натяжение, Н/м.

Уравнения (38)-(40) применимы при d = 3 мм. Для тарелок при одновременном j< 0,15 и d <6 мм при любом В расчет ведут по уравнению (39). Для тарелок при одновременном j > 0,3 и d > 12 мм(дырчатые тарелки) или d > 6 мм(решетчатые тарелки) и при любом В расчет ведут по уравнению (40).

Расстояние между тарелками можно определить исходя из следующего условия:

                                                                                          (43)

где Dр – гидравлическое сопротивление тарелки, Н/м².

Обычно, расстояние между тарелками составляет 0,2-0,6 м, но в настоящее время стремятся уменьшить это расстояние.

Число единиц переноса n₀ на тарелку определяется в зависимости от чисел переноса для газовой п₁ и для жидкой п₂ фазы по уравнению:

                                                                                     (44)

где k – тангенс угла наклона линии равновесия; l – удельный расход поглотителя.

Значения п₁ и п₂ можно найти по формулам:

                                                                                   (45)

                                                                          (46)

Высоту пены на провальных тарелках можно определить по формулам (38)-(42). Для других типов тарелок п₁ и п₂ определяют по формулам:

для колпачковых тарелок

                                                                            (47)

                                                                      (48)

для ситчатых тарелок

                                                                           (49)

                                                                    (50)

где Dр_ж – сопротивление жидкости на тарелке, Н/м²; S_т - рабочая площадь тарелки, м²; S - площадь сечения колонны, м²; U - плотность орошения, м³/м²×с; w₀ - скорость газа в свободном сечении колонны, м/с.

По п₀ определяем относительный коэффициент извлечения Е по формуле

                                                                                      (51)

Число действительных тарелок находим графически.

С известным приближением можно считать, что жидкость на тарелке полностью перемешана, т. е. имеет во всех точках одинаковый состав X. Тогда изменение состава газа на тарелке изобразится на Y - Х -диаграмме (рис.7) вертикальным отрезком MN, равным (У—У"), где У и У' - концентрации компонента в газе на входе в тарелку и выходе из нее. Равновесная концентрация У* также постоянна на тарелке и изображается точкой Q, лежащей на пересечении продолжения отрезка MN с линией равновесия ОС. Относительный коэффициент извлечения, представляющий собой отношение количества поглощенного на тарелке компонента к количеству, поглощенному при достижении равновесия между газом и находящейся на тарелке жидкостью, будет равен .

Исходя из изложенного, число тарелок можно найти графически следующим путем. Определив Е из формулы (51),проводят на У-Х -диаграмме ряд вертикальных прямых M₁Q₁, M₂Q₂ и т. д. и делят эти отрезки между рабочей линией и линией равновесия в отношении  = Е. Через найденные при этом точки N₁, N₂ и т. д. проводят линию EF, называемую кинетической кривой. Далее, начиная от точки А, соответствующей составу газа и жидкости на входе в аппарат, вписывают между рабочей линией и кинетической кривой ступенчатую линию из вертикальных и горизонтальных отрезков, как показано на рис. 7. Число вертикальных отрезков этой ступенчатой линии между начальным и конечным составами газа У_н и У_к равно числу тарелок, необходимому для достижения заданного изменения состава газа.

 

Гидравлическое сопротивление. Гидравлическое сопротивление барботажных тарелок Dр складывается из сопротивления сухой тарелки Dр₁, сопротивления столба жидкости на тарелке Dр₂ и сопротивления Dр₃, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости.

                                                                               (52)

Сопротивление сухой тарелки

                                                                                      (53)

где z - коэффициент сопротивления.

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке (при полном открытии прорезей):

                                                                     (54)

на ситчатой тарелке

                                                                (55)

где k – отношение плотности пены к плотности чистой жидкости (при расчетах принимают k = 0,5); е - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м; l - высота прорези, м; Dh - высота уровня жидкости над сливным порогом, м; h_порога - высота сливного порога, м.

Высота сливного порога составляет 20-27 мм. Высоту уровня жидкости над сливным порогом Dh определяют по формуле

                                                                    (56)

где Q_ж – объемный расход жидкости, м³/с; П – периметр сливной перегородки, м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

                                                                                           (57)

где d – диаметр отверстия в ситчатой тарелке или эквивалентный диаметр прорези в колпачковой тарелке, м; s - поверхностное натяжение, Н/м.

Сопротивлением сил поверхностного натяжения в колпачковых тарелках обычно можно пренебречь.

Для провальных тарелок величину k можно определить по формуле:

                                                                                             (58)

Сопротивление столба жидкости на провальной тарелке определяется по формуле:

                                                                                                (59)

Сопротивления Dр₃ и Dр₁ для провальных тарелок определяются по формулам (53) и (57).