Расчет высоты насадочного слоя для деаэратора ДВ-400

Насадочные колонные аппараты широко применяются в нефтехимической, химической, и других отраслях промышленности, поэтому их расчет является актуальным. Задачей модернизации колонн является выбор типа насадки, ее геометрических размеров и высоты слоя (количество секций) в аппарате при заданном качестве разделения и производительности.

В основе технологического расчета насадочного аппарата при выполнении проектного и проверочного расчетов лежат условия термодинамического равновесия, уравнения материального баланса, уравнения массопередачи, а также однопараметрическая диффузионная модель [60].

Необходимо определить диаметр аппарата, высоту слоя насадки и расход газового поглотителя при заданной конструкции и размерах насадочных элементов. Окончательный выбор насадки выполняется после технико­экономического анализа [61].

В таблице 7.1 приводится сравнение характеристик новой насадки с известными. Видно, что новая насадка обладает лучшими гидравлическими и массообменными свойствами, чем близкие ей по размерам известные насадки.

В качестве первого приближения первоначально рассмотрен расчет насадочного деаэратора, обеспечивающего необходимое качество деаэрации, по модели идеального вытеснения. Произведен выбор более эффективного контактного устройства из следующих: насадка «Инжехим-2000», кольца Рашига 50x50, кольца Палля 50 x 50 (таблица 7.1). Вид контактных устройств представлен на рисунке 7.1, рисунке 7.2, рисунке 7.3.

Таблица 7.1 -Сравнительные характеристики промышленных насадок размером 50x50 мм [79] Тип насадки Удельный свободный объем, εсв, м3/м3   Удельная поверх­ность, av,м2/м3 Потеря напора, отн. %   Пропускная способ­ность, отн. % Эффектив-ность, отн. % Кольца Рашига 0,95 Кольца Палля 0,96 Инжехим-2000 0,96 16-22 180-210

Элемент насадки «Инжехим-2000» образован изогнутыми металлическими полосами, смещенными относительно друг друга. Элемент изготавливается штамповкой из металлической ленты (см. рис. 6.1в).

Принципиальная схема насадочного деаэратора представлена на рисунке 7.1.

Таблица 7.2 - Технические характеристики насадки «Инжехим-2000»   Номинальный размер, мм Удельный свободный объем, εсв, м3/м~' Удельная поверхность, av , 2! 3 м /м Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), м толщина металла, мм 0,3 0,5 1,0 — 0,973 0,945 1,0-1,5 — 0,965 0,93 0,5-1,0 — 0,945 0,89 0,35—0,6 0,949 0,915 — 0,15-0,4

Рисунок 7.1 - Схема насадочного деаэратора: 1 - опорная решетка,2 - слой насадки, 3 - распределитель жидкости;

Х_Н, Х_К - концентрация О₂ в жидкости на входе и выходе из аппарата,

Y_Н, Y_К - концентрация О₂ в паре на входе и выходе из аппарата,

G_Н, G_K - количество пара на входе и выходе из аппарата,

L_H, L_K - количество пара на входе и выходе из аппарата [62].

Модель идеального вытеснения предполагает поршневое движение потоков аппарате (без перемешивания). В этом случае совместное решение уравнений материального баланса и массопередачи позволяет вычислить высоту насадки при заданной степени извлечения.

Расчет высоты насадочного слоя будем проводить для деаэратора ДВ-400.

Степень извлечения (или отгонки) процесса деаэрации определяется :

= =80%

Х_Н и Х_К принимаются в соответствии с начальной и конечной концентрацией О₂ входе и выходе из термического деаэратора.

Количество переданной массы М, кг/с, компонента из жидкой фазы в газовую равно:

М=(Х_К - Х_Н)=66 * (100-20)=5,33кг/с

 

где L - массовый расход жидкой смеси на входе, кг/с принимается в соответствии с техничесими характеристиками деаэратотра.

Расход газового поглотителя G, кг/с согласно известным рекомендациям принимается равным

 

= *40*66=1,6 кг/с

где р_г - плотность газа, кг/м³, р_ж - плотность жидкости, кг/м³,приняты в соответствии с температурой воды и пара при входе в деаэратор .

Коэффициент распределения (константа фазового равновесия) при постоянной температуре и давлении определяется по соотношению [63]

 

m= = = 1,65

где Е - константа Генри, зависящая от температуры и от природы газа и жидкости. Р - общее давление смеси газов или паров равное сумме парциальных давлений всех компонентов.

Составы газа и жидкости выражены в относительных массовых концентрациях, поэтому коэффициент распределения умножается на поправочный множитель.

ḿ = m=1,65,

 

Из уравнения материального баланса определяется значение Y_к, мкг/кг:

Y_к= Y_н = +3=6,33 мкг/кг

 

Фиктивная скорость газа в точке захлебывания (W₃) можно определить из решения следующего уравнения:

 

A₁ –B₁

отсюда, м/с.

где a_v- удельная поверхность насадки, м²/м³ ; ускорение свободного падения, м²/с, (g = 9,81); ε_св- свободный объем насадки, м/м ; _ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа-с. Значения коэффициентов А₁ и В₁ в зависимости от типа насадки взяты из таблице 7.3 [63].

Рабочая (фиктивная) скорость газа, м/с:

W = bW₃ =2,95*0,8=2,38

где b= 0,8.

Диаметр колонны D_k , м:

Таблица 7.3 - Значения коэффициентов А₁иВ₁в зависимости от типа насадки

Тип насадки	А1	В1
Кольца Рашига внавал	- 0,073	1,75
Кольца Палля внавал	-0,49	1,04
Насадка «Инжехим 2000»	-0,48	1,07

Выбирается ближайший стандартный диаметр колонны и пересчитывается рабочая скорость газа. Стандартные диаметры колонн приведены в таблице 7.4

 

Таблица 7.4 - Нормальный ряд диаметров колонн в промышленности.

Dгост, м

0,4

0,5

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,2

2,6

 

S_k = 1,13 м²,

где S_k = - площадь поперечного сечения колонны, м².

Далее производим расчет движущей силы массопередачи и числа единиц переноса.

Первоначально рассчитывается движущие силы массопередачи внизу деаэратора:

 

∆Y_н= Y*_н-Y_н=33-3=30мкг/кг

 

Затем вверху деаэратора

∆Y_к= Y*_к–Y_к=165-6,33=158,67мкг/кг

 

где Y*_к = ḿХ_н - равновесная с жидкостью состава Х_н концентрация компонента в газе, кг/кг; Y*_н, = ḿХ_к - равновесная концентрация компонента в газовой фазе на входе в аппарат, кг/кг.

Средняя движущая сила массопередачи ∆Y _ср, мкг/кг,

 

 

Число единиц переноса п_ог равно:

Далее производим расчет коэффициента массопередачи.

Коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах можно определить по теоретическим или эмпирическим зависимостям [64].

Критериальное выражение Онда для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе (β_г в орошаемых колоннах с нерегулярными насадками имеет вид [67].

 

Постоянные А, р, к для колец в навал имеют значения A=0,0142,p=0,52 ,k=0,22.

Критерий Рейнольдса:

где р_г - плотность газа, кг/м ; - динамический коэффициент вязкости газа, мПа*с.

D_г- коэффициент диффузии поглощаемого компонента в газе, м /с, находится из выражения [24, 53]:

где Р - абсолютное давление, кг*с /см²;V_A ,Vв - молярные объемы газов, см³/моль; М_А, Мв- мольные массы газов, г/моль.

 

Критерий Галилея в газовой фазе:

v_r - коэффициент кинематической вязкости газовой фазы, м²/с.

Критерий Шмидта в газовой фазе:

где - динамический коэффициент вязкости газа, Па*с.

Далее производим расчёт коэффициента массоотдачи:

 

Для нахождения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе используется следующее выражение, которое дает для насадочных колонн с нерегулярными кольцевыми насадками удовлетворительные результаты по массоотдаче в жидкой фазе при ламинарном безволновом пленочном течении:

где - коэффициент смачиваемости поверхности насадки; = 3,1415; q=L/(S_kр_ж) - плотность орошения, м³(м²*с); А=0,93. Для насадок «Инжехим- 2000» А = 1,53, где- удельный объем деаэрированной воды м³/кг , =18,96.

Коэффициент диффузии О₂ в жидкости:

 

Коэффициент смачиваемости поверхности насадки:

 

Критерий Рейнольдса для жидкости:

 

При известных значениях β_г и β_ж вычисляется коэффициент массопередачи:

 

При известном значении К_ог высота едениц переноса h_ог вычисляется по выражению:

где = 113 .

Высота слоя насадки определяется по формуле[64]:

Расчет слоя насадки показал что теоретически необходимая высота составляет 1,57 метров.