7.3.1. Розрахунок насадочних абсорберів

Метою розрахунку є визначення діаметру і висоти колони, гідравлічного опору насадки. Гідродинамічний розрахунок виконується на основі результатів технологічного розрахунку.

Діаметр колони визначається методом наближення: попередній розрахунок − виходячи з виду процесу і геометричного фактору насадки; остаточний − з урахуванням типу і матеріалу насадки.

Попередній розрахунковий діаметр колони D визначається залежно від значення допустимої швидкості суцільної фази w_д (газу, пари або рідини), розрахованої на повний переріз колони:

де V₀ − витрати суцільної фази (газу), м³/с.

В свою чергу, допустима швидкість газу w_д функцією швидкості захлинання w_з:

Швидкість газу (пари) в перерізі колони, що відповідна захлинанню колони, з урахуванням виду процесу і геометричного фактору насадки визначається відповідно до рівняння:

Для процесів абсорбції і десорбції b = 0,022; с = 1,62; для процесу ректифікації b = -0,125; с = 1,75. Значення коефіцієнтів b і c для деяких видів насадок приведені в додатку .

Швидкість захлинання для насадки із сідел “Інталокс” можна розрахувати також за рівнянням:

У цьому рівнянні поправка на в’язкість враховується при μ_x > 1 мПа∙с. Значення коефіцієнтів K₁ і K₂ наведені в табл. 7.4.

Таблиця 7.4

Значення коефіцієнтів K₁-K₆

Швидкість захлинання для сідловидної насадки розміром 0,05 м (система газ - рідина) можна розрахувати за рівнянням:

при значенні коефіцієнтів b = -0,099, с = 1,505; робоча швидкість w_д = 0,7∙w_з.

Швидкість захлинання для кілець Паля знаходять за співвідношенням:

де A₀ і A₁ − коефіцієнти, які визначаються за графіками на рис. 7.16 і 7.17.

Рис. 7.16. Графік для визначення коефіцієнта А₀ (насадка − металеві кільця Паля)

Рис. 7.17. Графік для визначення коефіцієнта А₁

Характеристики основних типів насадок наведені в додатку .

З урахуванням коефіцієнта можливого збільшення продуктивності K₇, попередній розрахунковий діаметр колони складе:

.

З двох заздалегідь розрахованих величин D для верхньої і нижньої частин колони вибирають найбільшу величину D_max. Із стандартного ряду діаметрів приймають найближчий (вищий за значенням) до D_max, що є попереднім діаметром колони D_поп.

Дійсний розрахунковий діаметр колони D_p визначають за розрахунковою швидкістю w_p, яка є функцією максимально допустимої швидкості w_д.max,

,

де ;

.

Значення коефіцієнтів K₁ і K₂ приймають за табл. 7.4. Величина А = f(μ_х). Попередня об’ємна швидкість рідини:

,

де .

Відповідно до вищого розрахункового значення D_p для нижньої і верхньої частин колони приймають для проектування діаметр колони D_к із стандартного ряду діаметрів.

Якщо D_p > 2,8 м, розрахунок припиняють, оскільки стандартної насадочної колони такого діаметру немає.

Для колони, прийнятої до проектування:

• вільний перетин колони f_к = 0,785∙D_к²;

• об’ємна швидкість рідини L_V = L/f_к;

• швидкість газу в колоні w = V/f_к;

• чинник навантаження по газу F = w(ρ_y)^0,5.

Висоту шару насадки визначають за рівнянням:

,

де N_Т − число теоретичних тарілок;

h_екв − висота насадки, еквівалентна одній теоретичній тарілці.

Висоту насадки з кілець Рашига, еквівалентну одній теоретичній тарілці, можна розрахувати за рівнянням:

,

де d_екв = 4ε/а − еквівалентний діаметр насадки;

m − тангенс кута нахилу ділянки лінії рівноваги.

Для нерегулярної насадки h_екв орієнтовно можна розрахувати відповідно до рівності:

.

Коефіцієнти К₅ і К₆ підбирають по табл. 7.4.

Величину f(d/D_к) наближено визначають за рис. 7.18 або розраховують за рівнянням:

.

Якщо d/D_к ≤0,043, приймають f(d/D_к) = 1.

Рис.7.18. Залежність функції f(d/D_к) від співвідношення d/D_к

Гідравлічний опір насадки для систем газ - рідина і пара - рідина в точці інверсії можна розрахувати за рівнянням:

,

де − опір насадки за наявності зрошування в точці инверсії для такої ж швидкості газу, як і при сухій насадці (на 1 м її висоти);

L/G − відношення масових витрат рідини і газу (пари);

− опір сухої насадки (на 1 м її висоти).

Значення А, m, n і с приведені в табл. 7.5.

Таблиця 7.5

Значення коефіцієнтів А, m, n і с

Гідравлічний опір шару сухої насадки:

;

еквівалентний діаметр:

;

робоча (дійсна) швидкість:

,

де Н − висота шаруючи насадки, м;

λ − коефіцієнт опору насадки;

w_ф − фіктивна швидкість газу, віднесена до повного перерізу незаповненого скрубера, м/с;

а − питома поверхня насадки, м²/м³;

ε − вільний об’єм насадки, м³/м³;

R_г − гідравлічний радіус насадки, м.

Коефіцієнт опору насадки λ є функцією критерію Re_y для газового (парового) потоку:

і λ можна визначити за такими співвідношеннями:

при Re_y < 80 ;

при 80 < Re_y < 400 ;

при 400 < Re_y .

Гідравлічний опір в режимі емульгування вище точки інверсії:

;

,

де ρ_е − густина газорідинної або парорідинної емульсії.

Висота переливної труби в насадочній колоні, що забезпечує роботу в режимі емульгування, дорівнюватиме

де Н − загальна висота рідини в колоні.

Опір зрошуваної нерегулярної насадки загального призначення на 1 м висоти шару можна розрахувати за рівнянням:

.

Коефіцієнти K₃ і K₄ підбирають за табл. 7.4.

Загальний гідравлічний опір шару насадки обчислюють за формулою:

;

тиск в нижній частині колони:

,

де Р_в − тиск у верхній частині колони.