Расчет массообменных аппаратов

Как известно, конечной целью технологического расчета массообменных процессов абсорбции и ректификации бинарных и многокомпонентных смесей является определение числа тарелок (высоты) и диаметра массообменного аппарата. Поэтому при расчете абсорбера задаются расходом газа, его начальной и конечной концентрациями, а также начальной концентрацией жидкого абсорбента; при расчете ректификационной колонны задаются расходом и составом питания и дистиллята, флегмовым числом и давлением в колонне.

Количество абсорбента (поглотителя) в процессе абсорбции определяется из уравнения материального баланса (21.1), в котором неизвестной величиной является его конечная концентрация х₂.

Диаметр массообменного аппарата определяет его производительность, а высота (число тарелок) — степень очистки газа (абсорбция) или степень разделения смеси (ректификация).

Число тарелок аппарата определяется различными методами (потарелочный, матричный и т. д.) [16.21].

Часто после завершения расчета размеров массообменных аппаратов возникает необходимость определения гидравлического сопротивления и расчета сливного устройства (для тарелок с переливом — более 90% от общего числа ректификационных колонн в нефтехимической отрасли).

Расчет диаметра D массообменных аппаратов производится из уравнения расхода:

где Q — объемный расход газа (пара), _м*/с; о)₀ — скорость газа (пара), отнесенная к полому сечению массообменных аппаратов, д#/с.

Для определения величины о₀ предварительно рассчитывают предельную скорость газа (пара) для данных условий (скорость захлебывания) и затем задаются скоростью меньшей скорости захлебывания со₀.

Следует отметить, что обычно поверхность контакта фаз в колонных аппаратах трудно определима. При непрерывном контакте фаз (пленочные и насадочные абсорберы) высоту Н абсорбера находят с помощью уравнения массопередачи, выраженного через объемный или поверхностный коэффициенты массопередачи (см. разд. 21.3.2).

Высоту Н абсорбера можно также определить с помощью числа единиц переноса. В этом случае ее находят как произведение высоты единиц переноса на число единиц переноса (раздел 21.4):

Высоту аппарата со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые абсорберы) можно определить с помощью объемного коэффициента массопередачи, который относят к единице объема газожидкостной смеси на тарелке, или коэффициента массопередачи, отнесенного к единице рабочей площади тарелки. С помощью этих коэффициентов по уравнениям массопередачи находят общий объем газожидкостной смеси или общую площадь тарелок. Зная объем газожидкостной смеси на одной тарелке определяют число тарелок в абсорбере. Высоту тарельчатого абсорбера можно определить также методом теоретической тарелки, методом построения кинетической кривой и другими методами.

Величина гидравлического сопротивления АР абсорберов зависит от гидродинамических режимов, которые в основном определяются скоростью газа и конструктивными особенностями аппарата.

При проведении абсорбции под повышенным давлением потери напора составляют небольшую долю от общего давления в аппарате и поэтому ими можно пренебречь. В этом случае целесообразно использовать скорости газа в абсорбере близкие к скоростям захлебывания. В абсорберах, работающих при атмосферном или более низком давлении, следует принимать более низкие скорости газа, чтобы снизить затраты энергии для перемещения газа через абсорбер.