Расчет скруббера. 
Расчет скруббера

Расчет скруббера Тепловой расчет полого безнасадочного скруббера Для теплового расчета полого скруббера используют уравнения изменения тепловой энергии теплоносителей и теплообмена. При расчете газожидкостного смесительного теплообменника должны быть заданы параметры теплоносителей, необходимые для составления теплового баланса, а именно: безнасадочный скруббер газожидкостный теплообменник.

• · расход сухого газа (воздуха), G₁, кг/с;
• · энтальпия газа на входе в аппарат I₁, кДж/кг сухого воздуха;
• · влагосодержание d, г/кг сухого воздуха или температура газа t?₁, в °С;
• · начальная t?₂ и конечная t?₂ температура воды, в °С.

Уравнения изменения тепловой энергии теплоносителей можно представить в виде теплового баланса:

или.

.

где I₂ — энтальпия воздуха на выходе из аппарата, кДж/кг сухого воздуха;

G₂ — расход охлаждающей воды, кг/с.

В низкотемпературных газожидкостных теплообменных аппаратах потерями тепла в окружающую среду Q₁₁ можно пренебречь (или учесть коэффициентом з_п). Приращение или уменьшение массы воды вследствие происходящего тепломассообмена.

?W =0,001*G₁*(d₁ — d₂).

При заданных расходах газа G₁ и его параметрах из равенства.

Уравнения теплообмена:

Q = k_х*V_а*?t*ц;

Q = б*F*V_а*?t*ц,.

где V_а — активный объем скруббера, м³;

F — поверхность капель в единице объема скруббера, м²/м³;

б, k_х — коэффициенты теплообмена, отнесенные соответственно к единице поверхности капли, Вт/(м²· К) и единице объема скруббера, Вт/(м³· К);

?t — температурный напор, град;

ц — коэффициент несовершенства процесса теплои массообмена.

Для определения F, б или k_х применительно к скрубберу без насадки необходимо выполнить следующие расчеты.

По принятой средней скорости потока w? 0,8ч1,5 м/с и известном расходе газа G₁ диаметр скруббера.

При этом в инженерных расчетах пренебрегают объемом жидкости, который обычно не превышает 1−2% объема газа, находящегося в скруббере.

Необходимо с достаточной точностью оценить или рассчитать диаметр капли, который зависит от типа форсунки и давления жидкости перед нею. Размер капли, как следует из дальнейшего изложения метода расчета, существенно отражается на размерах активной части скруббера. Наиболее широкое применение для скрубберов нашли механические форсунки при давлении воды (5−10) 10⁵ Па и более. Диаметр капли d_к, м, при распыливании жидкости в механических форсунках в первом приближении рекомендуется определять по формуле.

.

где у_ж — поверхностное натяжение, Н/м;

с_г — плотность газовой среды, кг/м³;

w_c — скорость выхода струи жидкости из сопла, м/с;

ш — коэффициент, зависящий от свойств жидкости.

Скорость капли при выходе из форсунки может быть порядка w_c = 75ч150 м/с. Коэффициент ш для воды равен 2,5 при у = 0,073 Н/м, для глицерина ш = 5 при у_ж = 0,0638 Н/м.

Диаметр капли определяется.

d_к? 3· 10⁵/Р,.

где Р — давление жидкости перед форсункой, Па.

Производительность механической форсунки V_ф, л/с,.

где Р — давление жидкости в форсунке, Па;

з_p — коэффициент расхода (0,6−0,75);

f_ф — площадь сечения выходного отверстия форсунки, см².

Зная расход воды G₂ и производительность форсунки V_ф, можно определить необходимое количество форсунок:

n_ф = G₂/ V_ф.

Потребная мощность для насоса при механическом распыливании N, кВт,.

При центробежном распыливании диском диаметр капли.

где n — частота вращения об/мин;

R_д — радиус диска, м;

с_ж — плотность жидкости, кг/м³;

g = 9,8066 м/с².

Мощность, затрачиваемая при центробежном распыливании, кВт,.

N? 2· 10^-4·G_ж·R_д·n,.

где G_ж — количество распиливаемой жидкости, кг/с.

Мощность, необходимая для продувания газа через скруббер, кВт,.

где ?р_г — сопротивление скруббера, принимаемое по опытным данным, Н/м²;

ц₁ — коэффициент запаса (1,05−1,15).

В полых теплообменниках большое значение имеет скорость витания капли жидкости. Если считать, что капля в скруббере имеет шарообразную форму, тогда физическое понятие о скорости витания описывается условием Стокса.

Под скоростью витания капли понимают такую скорость, при которой наступает равновесие относительной силы тяжести капли и сопротивления газовой среды.

В условиях практических расчетов скорость витания рекомендуется рассчитывать по опытным критериальным соотношениям, например

где Fe — число Федорова для безнасадочного скруббера;

число Рейнольдса при скорости витания;

о — коэффициент лобового сопротивления шара (~ 0,5).

Определив из равенства (4.26) скорость витания, найдем действительную скорость падения капли в потоке газа:

для противотока wд = wвит — wг;

для прямотока wд = wвит + wг.

Если в противоточном скруббере w_д мала, то следует уменьшить скорость w_г путем соответствующего увеличения диаметра скруббера D, и, наоборот, при w_д, близкой к скорости витания w_вит, следует увеличить w_г.

По действительной скорости падения капли определяется время ее падения на пути в 1 м, с/м, ф = 1/ w_д.

Плотность орошения H_в или количество воды, проходящее в единицу времени через 1 м² поперечного сечения скруббера, м³/(м²· с) или л/(м³· с),.

Поверхность шарообразных капель, полученная из 1 литра жидкости, f_л, м²/л,.

f_л = 6/d_к.

Поверхность капель в 1 м³ скруббера, м²/м³,.

F = f_л· H_в·ф.

Коэффициенты теплообмена для газожидкостных смесительных теплообменников определяют по опытным критериальным зависимостям. Истинные значения коэффициентов теплоотдачи зависят от многих факторов: дисперсности распыливания жидкости, физических параметров теплоносителей, способов определения средней разности температур и других, поэтому при наличии экспериментальных данных предпочтительнее пользоваться эмпирическими зависимостями, полученными для каждого частного случая. Коэффициент теплоотдачи при теплои массообмене между потоком газа и каплями жидкости в условиях вынужденной конвекции при Re = 1ч220 рекомендуется рассчитывать следующим образом:

где Nu = бd_к/л_г; Nu₀ =2 — число Нуссельта при Re = 0; Re = w₀d_к/?_г;

б — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²· К);

d_к — диаметр капли, м;

w₀ — скорость движения капли относительно газа, м/с;

?_г — коэффициент кинематической вязкости газа при средней его температуре;

л_г — коэффициент теплопроводности газа при средней температуре между пограничным слоем (поверхностью капли) и газом за пределами пограничного слоя;

Gu = (T_c — Т_м)/Т_с

симплекс Гухмана, учитывающий влияние массообмена на теплообмен;

Т_с, Т_м — температура газа по сухому и мокрому термометру, К.

Среднюю разность температур между теплоносителями в скруббере рекомендуется рассчитывать как среднюю логарифмическую величину, так как этот метод расчета относительно простой потому, что все физические параметры теплоносителей при определении опытных зависимостей для расчета коэффициента теплоотдачи относятся, как правило, к среднелогарифмической разности температур.

Определив коэффициент теплоотдачи и среднюю разность температур теплоносителей, можно рассчитать активный объем и высоту скруббера:

V_a = Q/(б· F·?t·ц);

h_а = 4V_а/(рD²).

Остальные размеры принимают конструктивно исходя из условий надежной сепарации влажного газа и непрерывного, бесперебойного удаления воды.

Решая уравнение теплового баланса для отдельных участков активной части смесительного теплообменника, можно построить процесс изменения параметров воздуха (газа) в i-d диаграмме по высоте рабочей части скруббера, допуская, что в каждом сечении скруббера происходит процесс смешения воздуха двух состояний, а именно насыщенного, находящегося в пограничном слое капли воды, с параметрами р_н и ц — 100%, температура которого принимается равной температуре жидкости (t_пс = t_ж), и воздуха, находящегося вне зоны фазового контакта, парциальное давление пара в котором р_п. Причем значение р_п может быть больше или меньше р_н.

Если парциальное давление пара в пограничном слое р_н < р_п, то происходит осушка воздуха, и, наоборот, при р_н > р_п — увлажнение. Процесс осушки или увлажнения можно объяснить и по-другому. Если температура охлаждающей воды, а, следовательно, и воздуха в пограничном слое ниже температуры точки росы, то воздух будет осушаться, а увлажняться — при температуре охлаждающей воды выше температуры точки росы (t_р).

На (рис. 1) на i-d диаграмме изображены процессы осушки и увлажнения воздуха (газа) в противоточном (а) и прямоточном (б) смесительных теплообменниках.

Рассмотрим построение процесса осушки воздуха в противоточном скруббере. Точка, А соответствует начальным параметрам воздуха. При известном значении t?₂ = t?_2пс на линии ц = 100% находим точку D₁. Соединяя точки, А и D₁ получим линию смешения воздуха двух параметров в нижнем сечении аппарата.

Рис. 1 — Изменение параметров влажного воздуха по высоте скруббера при противоточном (а) и прямоточном (б) движениях теплоносителей

Проводим линию I_1,а по возможности ближе к линии I₁. Пренебрегая потерями в окружающую среду Q_п и изменением расхода воды G₂ на величину ±?W при известных G₁ и G₂, напишем уравнение теплового баланса между сечениями А-а.

G₁ = (I₁ — I_1,а) = G₂c₂(t?₂ — t_2,а),.

откуда находим.

По известному значению t_2,а находим точку пересечения D₂ этой изотермы с кривой ц = 100% (по принятому масштабу в i-d диаграмме точка D₂ почти совпадает с точкой D₁). Проводим линию смешения, а = D₂ и линию I_1,b. Обозначим точку пересечения линии а-D₂ и I_1,b через b. Напишем уравнение баланса между сечениями a и b и вычислим t_2,b:

Соединив точки А, а, b, …, С, получим кривую процесса осушки воздуха при противоточном течении рабочих сред. Из анализа графика следует, что температура точки росы (t_р) со стороны входа газа (точка D_p) меньше температуры t?₂ = t?_2пс, поэтому на какой-то высоте сначала происходит увлажнение воздуха, а затем осушка.

Аналогичным образом строится кривая процесса увлажнения воздуха (рис. 4.6, а. — кривая А, а, b₁, …, С₁).

Используя графическое построение процесса увлажнения или осушки воздуха, можно определить конечную температуру воздуха и рассчитать температурный напор по формуле.

?t = 1/(?и/(?t_пр)),.

где и — отношение изменения температуры воздуха в каждой расчетной ступени к полному изменению его температуры в смесительном аппарате;

?t_пр — разность температур теплоносителей для одной ступени, град.

Тепловой расчет скруббера с насадкой Эффективность массо и теплообмена в аппаратах с насадкой при работе их в пленочном режиме достигается путем создания развитой поверхности контакта пленки жидкости с потоком газа и равномерным орошением насадки при определенных соотношениях между количеством жидкости, стекающей по насадке, и скоростью газа, движущегося противотоком к жидкости. Недостаточное орошение не обеспечивает полной смачиваемости насадки, приводит к уменьшению поверхности фазового контакта. Для расчета минимальной плотности рекомендуется эмпирическое соотношение H_{ж, min} = 3,33· 10^-5f, м³/м² с. Избыточное орошение насадки приводит к нарушению пленочного режима, к эмульгированию и «затоплению» насадки. Предельная плотность орошения H_{ж, max} чаще всего выявляется из опыта.

При тепловом расчете скруббера определяют необходимый объем и высоту насадки при заданных исходных данных. В исходные данные, как и для безнасадочного скруббера, должны входить: расход сухого газа G₁, энтальпия газа на входе I₁, влагосодержание d₁ или температура газа t?₁, начальная t?₂ и конечная t?₂ температура жидкости. Записывают уравнения изменения энергии (4.12), (4.13) и уравнение теплообмена. Из уравнения теплообмена определяют активный объем насадки.

.

где Q — теплота, передаваемая в скруббере от одной среды к другой, Вт;

?t — средняя разность температур, град, по формулам (4.38);

— поверхность насадки в единице объема, м²/м³;

б_н — коэффициент теплообмена Вт/(м²· К);

ш_см — коэффициент смачиваемости, то есть отношение смоченной поверхности к полной поверхности насадки.

Коэффициент ш_см определяется (приближенно) как отношение:

.

где V — объем жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки;

V₀ — объем жидкости, удерживаемой 1 м³ насадки при полной ее смачиваемости;

Н_ж — плотность орошения, м³/(м²· с).

Для расчета плотности орошения Н_ж по формуле (4.29) необходимо определить расход жидкости G₂ из выражения (4.15) и диаметр скруббера D из (4.18).

Для определения коэффициента смачиваемости вводится величина, называемая функцией плотности, то есть f₁(H_ж), характеризующая количество жидкости, задерживаемой насадкой. Значение этой функции приведено ниже.

Диаметр скруббера рассчитывают по оптимальной скорости парогазовой смеси w_г.опт. Эта скорость должна соответствовать равенству.

V_св — свободный объем насадки, м³/м³;

G₁, G₂ — расход газа и жидкости, кг/с;

с_г, с_ж — плотность парогазовой смеси (с_г = с_вл) и жидкости, кг/м³;

d_пр — приведенный диаметр, м;

м_г — вязкость парогазовой смеси, Н· с/м².

Определив значение Re?, можно рассчитать оптимальную скорость парогазовой смеси.

Необходимо отметить, что фактическая скорость парогазового потока в условиях эксплуатации будет больше w_{г, опт}, потому что при заполнении насадки жидкостью уменьшается V?_св < V_св.

Если коэффициент смачиваемости, рассчитанный по формуле (4.40), больше единицы, то можно считать, что при правильном распределении газа и жидкости по сечению аппарата насадка смачивается полностью, и в расчете принимается ш = 1.

Для равномерного распределения газа и жидкости по сечению аппарата отношение высоты насадки к ее диаметру h/D не должно быть меньше 1,5−2 и больше 5−7.

Коэффициент теплообмена при охлаждении в скруббере с насадкой воздуха или газа водой.

Nu = (бd_пр)/л_г;

л_г — теплопроводность влажного воздуха; d_np = d_э — приведенный или эквивалентный диаметр;

Re_г = (w_гd_пр)/v_г;

Pr_г = v_вл.г/a_вл.г;

Re_ж = (H_жd_пр)/v_ж

число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам жидкости при температуре 20 °C; Н_ж — плотность орошения, м³/(м²· с);

е = ir/цmRT²

безразмерный комплекс, учитывающий влияние массообмена; i — энтальпия пара, кДж/кг; r — теплота парообразования, кДж/кг; ц = б/б_m? c_р/c_m — соотношение Льюиса; б — коэффициент теплообмена; б_m — коэффициент массообмена; m = м_п/ м_г отношение молекулярных масс пара и воздуха; с_р — теплоемкость влажного воздуха (отнесенная к 1 кг сухого воздуха), кДж/(кг· К); Т — температура парогазовой смеси, К.

Для процессов теплои массообмена, протекающих при температурах от 20 до 90 °C, среднее значение е рекомендуется принимать е = 130.

Средняя концентрация пара в смеси х, кг/кг сухого воздуха (приближенно).

где х_п — концентрация пара в парогазовой смеси, кг/кг сухого воздуха определяется в i-d диаграмме точкой пересечения кривой процесса и изотермы для средней температуры влажного воздуха (смеси);

х_зи — концентрация пара в парогазовой смеси у зеркала испарения воды, кг/кг сухого воздуха, определяется точкой пересечения изотермы t_г = 20 °C и кривой ц = 100%.

После определения по формуле (4.39) активного объема насадки V_а находят ее высоту h по соотношению (4.34).