Расчет абсорберов. 
Процессы и аппараты защиты окружающей среды

При расчете абсорберов обычно задаются следующие параметры: расход газа, его начальная и конечная концентрация (или задается степень извлечения ср), начальная концентрация абсорбента. Основные величины, которые необходимо определить, — расход абсорбента, диаметр и высота абсорбера, его гидравлическое сопротивление.

Для очистки газов от вредных газообразных компонентов в металлургии и электронной технике применяются, как правило, полые распылительные и насадочные абсорберы (основы расчеты которых излагаются ниже). Барботажпые абсорберы в металлургии применяют очень редко, и их расчет излагается в специальной литературе.

Расход абсорбента определяют из уравнения материального баланса абсорбера. Конечная концентрация поглощаемого газа задается меньше равновесной, вычисленной на основании закона Генри.

Диаметр аппарата можно определить из выражения.

где да₀ — фиктивная скорость газа при абсорбции, т. е. скорость, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с; V — объемный расход газа через аппарат, м³/с.

Скорость газа в абсорберах лимитируется увеличением каплеуноса и гидравлического сопротивления. В полых аппаратах без каплеуловителей скорость обычно не превышает 1 — 1,5 м/с, в насадочных и полых абсорберах с каплеуловителями — 5—5,5 м/с. Необходимо выбирать оптимальную скорость газа: с одной стороны, при увеличении скорости потока возрастают коэффициенты массопередачи и, следовательно, уменьшается объем аппарата, с другой — при увеличении скорости потока возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к увеличению расхода энергии на проведение процесса.

При определении скорости газа сначала рассчитывают фиктивную скорость газа w₃ в точке «захлебывания» (инверсии) из выражения.

где /о — удельная поверхность насадки, м²/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; V_c — свободный объем насадки, м³/м³; р_ги р_ж — плотности газа и жидкости, кг/м³; р_ж — динамический коэффициент вязкости жидкости, МПа с; М_ж и М_у — массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А — эмпирический коэффициент (А = 0,022 для насадки из колец и спиралей).

Необходимый объем абсорбера или поверхность насадки определяют из уравнения массопередачи. Для полых распыливающих аппаратов уравнение массопередачи имеет вид:

где М — масса поглощаемого компонента, кг/ч; Ру ^— объемный коэффициент массопередачи, кг/(м³-Па-ч); V_a — рабочий объем абсорбера, м³.

Коэффициент Ру принимается на основании опытных данных, полученных по промышленным абсорберам, работающим в аналогичных условиях.

гг Аун п rz s'^Ун ^ о Если соотношение -— находится в пределах 0,5 < -— < 2, Аг/н Ау_н

то среднюю движущую силу в абсорбере можно рассчитывать по упрощенной формуле.

Необходимый объем насадки V_H рассчитывают, исходя из.

F_H

величины ее удельной поверхности /₀ по формуле: V_H = -у- и табличных данных.

Рабочую высоту абсорбера Я рассчитывают на основании принятого диаметра и необходимого рабочего объема абсорбера или насадки по формуле.

Для полого абсорбера величина Я представляет собой высоту расположения нижнего пояса форсунок, для насадочного абсорбера — толщину слоя насадки.

Гидравлическое сопротивление полых абсорберов невелико и в зависимости от плотности орошения составляет 0,2—0,4 кПа. В насадочных абсорберах основным является гидравлическое сопротивление насадки, которое можно определить по формуле.

где Я — толщина слоя насадки, м; — коэффициент гидравлического сопротивления насадки.

Рассмотрим пример решения задачи.

Задача 8.1. Рассчитать расход абсорбента, диаметр, высоту и гидравлическое сопротивление противоточного насадочного скруббера-абсорбера при поглощении диоксида углерода из газов, поступающих на очистку в количестве 9120 м³/ч (при атмосферном давлении и рабочей температуре). Расход чистой воды 800 м³/ч; начальное содержание диоксида углерода в газе 28,4% (объемное), конечное (вверху скруббера) 0,2% (объемное). Давление в скруббере Р,абс «Р = 1620 кПа; температура процесса 30 °C. Насадка представляет собой правильно уложенные керамические кольца размером 50×50×5 мм. Коэффициент смоченности принять равным 1. Коэффициент массопередачи К_у = = 0,009 кмоль/(м² ч кПа). Скорость газа принять на 25% меньше скорости захлебывания.

Решение.

1. Определим количество диоксида углерода, поглощенного водой. Начальное количество диоксида углерода в газе (на входе в аппарат):

2. Количество диоксида углерода на входе в скруббер:

3. Объем, поглощаемый водой:

4. Массовый расход газа:

или 4588:44 = 104 кмоль/ч, где 1,976 кг/м³ — плотность С0₂ при нормальных условиях; 44 кг/кмоль — мольная масса С0₂.

5. Находим движущую силу процесса абсорбции внизу скруббера. Парциальное давление диоксида углерода на входе в скруббер:

6. Мольная доля С0₂ в воде, вытекающей из скруббера:

где 800 000 кг/ч — массовый расход воды.

7. Коэффициент Генри для диоксида углерода при 30 °C Т = 0,188−10⁶ КПа (см. табл. 8.1). Отсюда парциальное давление диоксида углерода в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из скруббера:

8. Движущая сила процесса абсорбции внизу скруббера:

Движущая сила процесса абсорбции па выходе из скруббера:

9. Так как на орошение скруббера подается чистая вода, то парциальное давление диоксида углерода в равновесном с водой.

газе равно нулю. Тогда движущая сила процесса абсорбции на выходе из скруббера:

10. Средняя движущая сила всего процесса.

• 11. Требуемую поверхность массопередачи находим по уравнению
• 12. Объем слоя правильно уложенных керамических колен при удельной поверхности насадки/₀ =110 м²/м³

13. Определим сечение скруббера. Определяем фиктивную скорость в точке инверсии из выражения.

По условию берем рабочую фиктивную скорость газа на 25% меньше:

Площадь поперечного сечения скруббера.

14. Диаметр скруббера.

15. Требуемая высота насадки.

16. Гидравлическое сопротивление определяется с учетом сопротивления насадки (см. табл. 8.2):