Характеристики насадок (размеры даны в мм)

Примечание: а - удельная поверхность насадки; - свободный объем; dэ- эквивалентный диаметр; - насыпная плотность.

2.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению:

, (2.9)

где - предельная фиктивная скорость газа, м/с; х, в - вязкость соответственно поглотителя и воды при 20 С; (х/в=16.5); А, В - коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Значения коэффициентов А и В приведены ниже:

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

.

Предельную скорость находим из уравнения (2.9)

Решая это уравнение, получим

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса . Коксовый газ очищают от различных примесей в нескольких последовательно соединенных аппаратах. Транспортировка больших объемов газа через них требует повышенного избыточного давления и, следовательно, значительных энергозатрат. Поэтому при улавливании бензольных углеводородов основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость принимают равной 0.2-0.5 от предельной.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

, (2.10)

где V - объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/с.

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера в нефтяной промышленности d=2 м.

2.5 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле

, м3/(м2 с). (2.11)

(м3/(м2 с)).

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения Umin, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной.

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения Umin находят по соотношению:

, (2.12)

qэф - эффективная линейная плотность орошения.

Для хордовых насадок с шагом более 50 мм qэф=0.033.10-3 м2/с.

Доля активной поверхности насадки а может быть найдена по формуле:

, (2.13)

где p и q - коэффициенты, зависящие от типа насадки (p=0.0078, q=0.0146).

Таким образом, не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое число точек орошения n на 1 м2 поперечного сечения колонны. Это число точек орошения определяет выбор типа распределительного устройства.

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок, к которым относится и хордовая, коэффициент массоотдачи в газовой фазе у находят из уравнения:

, (2.14)

где Nu= - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда (в м/с) равен:

, (2.15)

где Dy - коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газовой фазе, м2/с;

- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

у - вязкость газа, Па.с;

l - высота элемента насадки, м.

Коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газе можно рассчитать по уравнению

, (2.16)

где МБУ, МГ - мольные массы соответственно бензольных углеводородов и коксового газа,(83 и 10,5 кг/моль);

vБУ, vГ - мольные объемы бензольных углеводородов и коксового газа в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, (96 и 21,6 см3/моль).

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе х находят из обобщенного уравнения состояния, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок:

, (2.17)

где Nuх = - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда х (в м/с) равен:

, (2.18)

где Dх - коэффициент диффузии бензольных углеводородов в каменноугольном масле,м2/с;

пр= - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

- модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

= - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

пр=

В разбавленных растворах коэффициент диффузии Dх может быть достаточно точно вычислен по уравнению:

, (2.19)

где М - мольная масса каменноугольного масла, (170 кг/кмоль);

Т - температура масла, К;

х - вязкость масла, (16,5мПа.с);

vБУ - мольный объем бензольных углеводородов, см3/моль;

- параметр, учитывающий ассоциацию молекул (=1).

=

Выразим х в выбранной для расчета размерности:

х=х, кг/(м2.с). (2.20)

Находим коэффициент массопередачи по газововй фазе Ку по уравнению (2.8).

2.7 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорберов

Поверхность массопередачи в абсорбере находим по уравнению (2.1).

Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле

. (2.21)

(м)

(м)

Обычно высота скрубберов не превышает 40-50 м, поэтому для осуществления заданного процесса выберем 3 последовательно соединенных скруббера, в каждом из которых высота насадки равна 34 м.

Во избежание значительных нагрузок на нижние решетки насадки, ее укладывают в колонне ярусами, по 20-25 решеток в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры, конструкции которых даны в литературе. Расстояние между ярусами хордовой насадки составляет обычно 0.3-0.5 м.

Принимая число решеток в каждом ярусе 25, а расстояние между ярусами 0.3 м, определим высоту насадочной части абсорбера:

(2.22)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1-1.5 м.

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны. Примем это расстояние равным 2.4 м. Тогда общая высота одного абсорбера:

(2.23)

2.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорберов

Необходимость расчета гидравлического сопротивления Р обусловлена тем, что оно определяет энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину Р находят по формуле:

, (2.24)

где Рс - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки, Па;

U - плотность орошения, м3/(м2.с);

b - коэффициент равный 119.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки Рс определяют по уравнению

, (2.25)

где - коэффициент сопротивления хордовой насадки:

, (2.26)

w0 - скорость газа в свободном сечении насадки (в м/с);

w0=w/.

.

;

Анализ результатов расчета насадочного абсорбера показывает, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера. Увеличение расхода абсорбента приведет к соответствующему увеличению нагрузки на систему регенерации абсорбента, что связано с существенным повышением капитальных и энергетических затрат (возрастают расходы греющего пара и размеры теплообменной аппаратуры). Уменьшение диаметра абсорбера приведет одновременно к увеличению рабочей скорости газа, что вызовет соответствующее возрастание гидравлического сопротивления абсорберов. Ниже приведены результаты расчета абсорбера при рабочей скорости газа w=2.15 м/с, практически вдвое превышающей принятую ранее:

Как видно из приведенных данных, повышение интенсивности процесса приводит к значительному уменьшению диаметра колонны при некотором возрастании высоты насадки и к существенному повышению гидравлического сопротивления.

Проведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.), которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе.

Рис 2.1а Зависимость между содержанием бензольных углеводородов в коксовом газе и каменноугольном масле при температуре 30 єС:

1 - равновесная линия ;2 - рабочая линия.

?Y_м= Y_к-Y_хн*

Y_к х_н

Y_н х_к

?Y_б = Y_к-Y_хк*

Рис. 2.1б Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере.

Литература