Вернуться в библиотеку
УДК 662.749.351 О выборе рабочей скорости газа в насадочных скрубберах
Кокс и химия. 2003. - №12
Канд. техн. наук А. Ф. Гребенюк,
В.Е. Черникова (ДонНТУ, Украина)
и В.А Ходаковский (ОАО «Южниигипрогаз», Украина)
В технологии улавливания химических продуктов коксования насадочные аппараты получили широкое применение для
абсорбции бензольных углеводородов, сероводорода, нафталина и других компонентов. От правильности выбора рабочей скорости
газа в этих аппаратах зависят их размеры и технико-экономические показатели процессов. Чем большая скорость газа
принимается при проектировании аппаратов, тем меньше диаметр и объем они имеют, тем ниже их металлоемкость и стоимость,
но в то же время возрастают затраты энергии на преодоление гидравлических сопротивлений.
Обоснованный выбор рабочей скорости газа в насадочных аппаратах требует проведения соответствующих
технико-экономических расчетов. По утвердившейся в практике проектирования традиции, для улавливания бензольных
углеводородов и сероводорода на коксохимических заводах применяются скрубберы с деревянной хордовой насадкой, в которых
рабочая скорость газа составляет 0,8-1,0 м/с (на полное сечение аппаратов). При реконструкции цехов Гипрококс
предусматривает установку абсорберов с металлической плоскопараллельной или Z-образной насадкой, в которых скорость газа
увеличена до 2-3 м/с.
С теоретической точки зрения рабочая скорость газа в абсорберах должна обеспечивать активный гидродинамический
режим движения фаз при возможно низком гидравлическом сопротивлении. В условиях ограниченности напора газодувок,
применяемых на коксохимических предприятиях, в абсорберах соблюдают «пленочный режим». При этом скорость газа составляет
15-20% от скорости «захлебывания». Значения последней в бензольных абсорберах с металлической плоскопараллельной
насадкой составляют, по данным различных авторов, от 5 до 11 м/с [1,2].
Как известно, скорость «захлебывания», при которой происходит инверсия фаз и резкое возрастание гидравлического
сопротивления аппаратов, зависит от свойств газа и жидкости, соотношения их расходов, а также от характеристик насадочных
материалов. Для ее определения предложены различные эмпирические зависимости (их сравнительный анализ приводим далее),
представляющие интерес для проектировщиков насадочных аппаратов.
Для определения предельных нагрузок аппаратов с плоско-параллельными насадками авторы [3] предложили уравнение,
полученное в результате обработки данных многочисленных экспериментов в колоннах
диаметром 200 мм и прямоугольного сечения 150 × 150 мм:
(1)
Здесь w0 - скорость газа в свободном сечении насадки, соответствующая началу захлебывания, м/с;
dэ – эквивалентный диаметр насадки, м;
μж и μ0 – динамический коэффициент вязкости жидкости при данных условиях и воды
при 20 °С, Па•с;
ρг, ρж - плотности газа и жидкости соответственно, кг/м3;
L, G – расход соответственно жидкости и газа соответственно, кг/с;
А – коэффициент, значение которого зависит от типа насадки. (Для плоско-параллельной
металлической насадки А=0).
В работах авторов [4-6] эта зависимость представлена в форме:
(2)
Здесь wз – фиктивная скорость газа при «захлебывании» (отнесенная к полному сечению аппарата), м/с;
σ – удельная поверхность насадки, м2/м3;
Vсв – удельный свободный объем насадки, м2/м3.
Анализ показывает, что уравнение (2) получено путем преобразования уравнения (1) с учетом соотношений
dэ = 4Vсв/σ и w0 = wз/Vсв. Однако при этом в знаменателе левой
части опущен множитель 4, в результате чего уравнение (2) дает заниженные примерно в два раза значения wз
по сравнению с формулой (1).
Автор [7] в свое время предложил уравнение в обобщенных переменных для определения скорости газа, соответствуюшей
началу подвисания жидкости:
(3)
Здесь Reг = 4wпρг/σ μг;
wп - фиктивная скорость газа соответствующая началу подвисания, м/с;
Ar = gdэ3ρг(ρж - ρг)/μг2 - критерий Архимеда.
Автор [8] принимал скорость газа при расчете бензольных скрубберов, соответствующую условию:
(4)
где wкр - фиктивная скорость газа в аппарате (называемая автором «критической»), м/с.
В табл.1 приведены критические значения скорости газа в бензольных скрубберах с деревянной хордовой и
металлической плоско-параллельной насадками, рассчитанные по формулам (1), (3) и (4) при удельном расходе
каменноугольного масла 1,0 л/м3 газа. Аналогичные расчеты были проведены для серных скрубберов при удельном
расходе поглотительного раствора 4 л/нм3газа (табл.2). Деревянная насадка изготовлена из реек толщиной 10 мм
и высотой 100 мм, а металлическая из листов толщиной 1 мм и высотой 400 мм.
Таблица 1
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
3,35
1,3
1,67
5,97
2,3
3,05
0,04
6,27
2,8
1,12
8,99
3,9
1,59
0,06
8,70
4,2
0,84
11,23
5,4
1,09
0,08
11,00
5,5
0,67
13,16
6,7
0,82
Таблица 2
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
2,69
0,71
1,64
4,81
1,29
2,98
0,04
5,09
1,55
1,10
7,22
2,20
1,56
0,06
6,98
2,31
0,82
9,00
3,01
1,06
0,08
8,59
3,03
0,65
10,53
3,71
0,80
Как видно из этих данных, фиктивная скорость коксового газа, соответствующая «захлебыванию», составляет для деревянной
хордовой насадки с зазором между рейками 20 мм 6,27 м/с в бензольных скрубберах при удельном расходе поглотительного
масла 1 л/м3газа и 5,1 м/с в серных скрубберах при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3
газа. Для металлической насадки с зазором между листами 20 мм скорость «захлебывания» составляет 9,0 и 7,2 м/с
соответственно.
Скорость начала «подвисания» по формуле (3) составляет 40-50% от скорости «захлебывания» в бензольных скрубберах
и 26-30% - в серных. Интересно отметить, что при существующем режиме работы бензольных скрубберов с деревянной насадкой
рабочая скорость газа составляет ~40% от скорости начала подвисания. В серных скрубберах рабочая скорость газа
достигает 50-60% от скорости, соответствующей началу подвисания жидкости.
С увеличением зазора между элементами насадки значения скорости начала подвисания растут пропорционально
dэ0,7. В то же время «критическая» скорость газа по формуле (4) с увеличением
зазора между планками уменьшается пропорционально dэ, что противоречит экспериментальным данным других
исследователей и природе сил, действующих на жидкость в насадочном аппарате.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что определение критического значения скорости газа в
насадочных аппаратах по формуле (4) не имеет теоретического обоснования, так как значению критерия Рейнольдса
Reг=2320 не соответствует какой-либо «кризис» в двухфазном потоке, изменяющий гидродинамическую структуру
его и природу сил, действующих на жидкость.
Таким образом, для определения рабочей скорости газа в насадочных аппаратах, при которой обеспечивается активный
гидродинамический режим, можно использовать формулы (1) и (3) с учетом соответствующих коэффициентов.
Оптимальное значение скорости газа в каждом конкретном случае должно определяться на основе технико-экономического
анализа с учетом стоимости аппаратуры и электроэнергии.
Далее приведены расчетные данные о влиянии рабочей скорости газа в серных скрубберах на высоту насадки и
гидравлическое ее сопротивление при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3 газа (табл.3).
Расчеты выполнены для хордлвой насадки из деревянных реек толщиной 10 мм, высотой 100 мм и зазором между ними 20 мм
и плоскопараллельной насадки из металлических листов толщиной 1 мм, высотой 400 мм и зазором между листами 20 мм.
При начальной концентрации сероводорода в газе 18 г/м3 и степени улавливания 90% необходимая эффективность
аппарата соответствует ~4 ед. переноса.
Таблица 3
Фиктивная скорость газа, м/с
Коэффициент массопередачи, K•103, м/с
Высота насадки, м
Гидравлическое сопротивление, Па
1,0
12,9/5,9
5,3/8,1
47,2/23,2
2,0
21,7/9,9
6,3/9,6
254,5/116,5
3,0
29,4/13,4
7,0/10,7
716,8/315,3
4,0
36,5/16,7
7,5/11,5
1527,5/657,0
5,0
43,1/19,7
7,9/12,2
2777,8/1179,0
Примечание. Числьтель - деревянная хордовая насадка, знаменатель - металлическая плоско-параллельная насадка.
Коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах определяли по известным уравнениям [4]:
(5)
(6)
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
|
Здесь w0 - скорость газа в свободном сечении насадки, соответствующая началу захлебывания, м/с;
dэ – эквивалентный диаметр насадки, м;
μж и μ0 – динамический коэффициент вязкости жидкости при данных условиях и воды
при 20 °С, Па•с;
ρг, ρж - плотности газа и жидкости соответственно, кг/м3;
L, G – расход соответственно жидкости и газа соответственно, кг/с;
А – коэффициент, значение которого зависит от типа насадки. (Для плоско-параллельной
металлической насадки А=0).
В работах авторов [4-6] эта зависимость представлена в форме:
(2)
Здесь wз – фиктивная скорость газа при «захлебывании» (отнесенная к полному сечению аппарата), м/с;
σ – удельная поверхность насадки, м2/м3;
Vсв – удельный свободный объем насадки, м2/м3.
Анализ показывает, что уравнение (2) получено путем преобразования уравнения (1) с учетом соотношений
dэ = 4Vсв/σ и w0 = wз/Vсв. Однако при этом в знаменателе левой
части опущен множитель 4, в результате чего уравнение (2) дает заниженные примерно в два раза значения wз
по сравнению с формулой (1).
Автор [7] в свое время предложил уравнение в обобщенных переменных для определения скорости газа, соответствуюшей
началу подвисания жидкости:
(3)
Здесь Reг = 4wпρг/σ μг;
wп - фиктивная скорость газа соответствующая началу подвисания, м/с;
Ar = gdэ3ρг(ρж - ρг)/μг2 - критерий Архимеда.
Автор [8] принимал скорость газа при расчете бензольных скрубберов, соответствующую условию:
(4)
где wкр - фиктивная скорость газа в аппарате (называемая автором «критической»), м/с.
В табл.1 приведены критические значения скорости газа в бензольных скрубберах с деревянной хордовой и
металлической плоско-параллельной насадками, рассчитанные по формулам (1), (3) и (4) при удельном расходе
каменноугольного масла 1,0 л/м3 газа. Аналогичные расчеты были проведены для серных скрубберов при удельном
расходе поглотительного раствора 4 л/нм3газа (табл.2). Деревянная насадка изготовлена из реек толщиной 10 мм
и высотой 100 мм, а металлическая из листов толщиной 1 мм и высотой 400 мм.
Таблица 1
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
3,35
1,3
1,67
5,97
2,3
3,05
0,04
6,27
2,8
1,12
8,99
3,9
1,59
0,06
8,70
4,2
0,84
11,23
5,4
1,09
0,08
11,00
5,5
0,67
13,16
6,7
0,82
Таблица 2
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
2,69
0,71
1,64
4,81
1,29
2,98
0,04
5,09
1,55
1,10
7,22
2,20
1,56
0,06
6,98
2,31
0,82
9,00
3,01
1,06
0,08
8,59
3,03
0,65
10,53
3,71
0,80
Как видно из этих данных, фиктивная скорость коксового газа, соответствующая «захлебыванию», составляет для деревянной
хордовой насадки с зазором между рейками 20 мм 6,27 м/с в бензольных скрубберах при удельном расходе поглотительного
масла 1 л/м3газа и 5,1 м/с в серных скрубберах при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3
газа. Для металлической насадки с зазором между листами 20 мм скорость «захлебывания» составляет 9,0 и 7,2 м/с
соответственно.
Скорость начала «подвисания» по формуле (3) составляет 40-50% от скорости «захлебывания» в бензольных скрубберах
и 26-30% - в серных. Интересно отметить, что при существующем режиме работы бензольных скрубберов с деревянной насадкой
рабочая скорость газа составляет ~40% от скорости начала подвисания. В серных скрубберах рабочая скорость газа
достигает 50-60% от скорости, соответствующей началу подвисания жидкости.
С увеличением зазора между элементами насадки значения скорости начала подвисания растут пропорционально
dэ0,7. В то же время «критическая» скорость газа по формуле (4) с увеличением
зазора между планками уменьшается пропорционально dэ, что противоречит экспериментальным данным других
исследователей и природе сил, действующих на жидкость в насадочном аппарате.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что определение критического значения скорости газа в
насадочных аппаратах по формуле (4) не имеет теоретического обоснования, так как значению критерия Рейнольдса
Reг=2320 не соответствует какой-либо «кризис» в двухфазном потоке, изменяющий гидродинамическую структуру
его и природу сил, действующих на жидкость.
Таким образом, для определения рабочей скорости газа в насадочных аппаратах, при которой обеспечивается активный
гидродинамический режим, можно использовать формулы (1) и (3) с учетом соответствующих коэффициентов.
Оптимальное значение скорости газа в каждом конкретном случае должно определяться на основе технико-экономического
анализа с учетом стоимости аппаратуры и электроэнергии.
Далее приведены расчетные данные о влиянии рабочей скорости газа в серных скрубберах на высоту насадки и
гидравлическое ее сопротивление при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3 газа (табл.3).
Расчеты выполнены для хордлвой насадки из деревянных реек толщиной 10 мм, высотой 100 мм и зазором между ними 20 мм
и плоскопараллельной насадки из металлических листов толщиной 1 мм, высотой 400 мм и зазором между листами 20 мм.
При начальной концентрации сероводорода в газе 18 г/м3 и степени улавливания 90% необходимая эффективность
аппарата соответствует ~4 ед. переноса.
Таблица 3
Фиктивная скорость газа, м/с
Коэффициент массопередачи, K•103, м/с
Высота насадки, м
Гидравлическое сопротивление, Па
1,0
12,9/5,9
5,3/8,1
47,2/23,2
2,0
21,7/9,9
6,3/9,6
254,5/116,5
3,0
29,4/13,4
7,0/10,7
716,8/315,3
4,0
36,5/16,7
7,5/11,5
1527,5/657,0
5,0
43,1/19,7
7,9/12,2
2777,8/1179,0
Примечание. Числьтель - деревянная хордовая насадка, знаменатель - металлическая плоско-параллельная насадка.
Коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах определяли по известным уравнениям [4]:
(5)
(6)
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
|
Здесь wз – фиктивная скорость газа при «захлебывании» (отнесенная к полному сечению аппарата), м/с;
σ – удельная поверхность насадки, м2/м3;
Vсв – удельный свободный объем насадки, м2/м3.
Анализ показывает, что уравнение (2) получено путем преобразования уравнения (1) с учетом соотношений
dэ = 4Vсв/σ и w0 = wз/Vсв. Однако при этом в знаменателе левой
части опущен множитель 4, в результате чего уравнение (2) дает заниженные примерно в два раза значения wз
по сравнению с формулой (1).
Автор [7] в свое время предложил уравнение в обобщенных переменных для определения скорости газа, соответствуюшей
началу подвисания жидкости:
(3)
Здесь Reг = 4wпρг/σ μг;
wп - фиктивная скорость газа соответствующая началу подвисания, м/с;
Ar = gdэ3ρг(ρж - ρг)/μг2 - критерий Архимеда.
Автор [8] принимал скорость газа при расчете бензольных скрубберов, соответствующую условию:
(4)
где wкр - фиктивная скорость газа в аппарате (называемая автором «критической»), м/с.
В табл.1 приведены критические значения скорости газа в бензольных скрубберах с деревянной хордовой и
металлической плоско-параллельной насадками, рассчитанные по формулам (1), (3) и (4) при удельном расходе
каменноугольного масла 1,0 л/м3 газа. Аналогичные расчеты были проведены для серных скрубберов при удельном
расходе поглотительного раствора 4 л/нм3газа (табл.2). Деревянная насадка изготовлена из реек толщиной 10 мм
и высотой 100 мм, а металлическая из листов толщиной 1 мм и высотой 400 мм.
Таблица 1
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
3,35
1,3
1,67
5,97
2,3
3,05
0,04
6,27
2,8
1,12
8,99
3,9
1,59
0,06
8,70
4,2
0,84
11,23
5,4
1,09
0,08
11,00
5,5
0,67
13,16
6,7
0,82
Таблица 2
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
2,69
0,71
1,64
4,81
1,29
2,98
0,04
5,09
1,55
1,10
7,22
2,20
1,56
0,06
6,98
2,31
0,82
9,00
3,01
1,06
0,08
8,59
3,03
0,65
10,53
3,71
0,80
Как видно из этих данных, фиктивная скорость коксового газа, соответствующая «захлебыванию», составляет для деревянной
хордовой насадки с зазором между рейками 20 мм 6,27 м/с в бензольных скрубберах при удельном расходе поглотительного
масла 1 л/м3газа и 5,1 м/с в серных скрубберах при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3
газа. Для металлической насадки с зазором между листами 20 мм скорость «захлебывания» составляет 9,0 и 7,2 м/с
соответственно.
Скорость начала «подвисания» по формуле (3) составляет 40-50% от скорости «захлебывания» в бензольных скрубберах
и 26-30% - в серных. Интересно отметить, что при существующем режиме работы бензольных скрубберов с деревянной насадкой
рабочая скорость газа составляет ~40% от скорости начала подвисания. В серных скрубберах рабочая скорость газа
достигает 50-60% от скорости, соответствующей началу подвисания жидкости.
С увеличением зазора между элементами насадки значения скорости начала подвисания растут пропорционально
dэ0,7. В то же время «критическая» скорость газа по формуле (4) с увеличением
зазора между планками уменьшается пропорционально dэ, что противоречит экспериментальным данным других
исследователей и природе сил, действующих на жидкость в насадочном аппарате.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что определение критического значения скорости газа в
насадочных аппаратах по формуле (4) не имеет теоретического обоснования, так как значению критерия Рейнольдса
Reг=2320 не соответствует какой-либо «кризис» в двухфазном потоке, изменяющий гидродинамическую структуру
его и природу сил, действующих на жидкость.
Таким образом, для определения рабочей скорости газа в насадочных аппаратах, при которой обеспечивается активный
гидродинамический режим, можно использовать формулы (1) и (3) с учетом соответствующих коэффициентов.
Оптимальное значение скорости газа в каждом конкретном случае должно определяться на основе технико-экономического
анализа с учетом стоимости аппаратуры и электроэнергии.
Далее приведены расчетные данные о влиянии рабочей скорости газа в серных скрубберах на высоту насадки и
гидравлическое ее сопротивление при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3 газа (табл.3).
Расчеты выполнены для хордлвой насадки из деревянных реек толщиной 10 мм, высотой 100 мм и зазором между ними 20 мм
и плоскопараллельной насадки из металлических листов толщиной 1 мм, высотой 400 мм и зазором между листами 20 мм.
При начальной концентрации сероводорода в газе 18 г/м3 и степени улавливания 90% необходимая эффективность
аппарата соответствует ~4 ед. переноса.
Таблица 3
Фиктивная скорость газа, м/с
Коэффициент массопередачи, K•103, м/с
Высота насадки, м
Гидравлическое сопротивление, Па
1,0
12,9/5,9
5,3/8,1
47,2/23,2
2,0
21,7/9,9
6,3/9,6
254,5/116,5
3,0
29,4/13,4
7,0/10,7
716,8/315,3
4,0
36,5/16,7
7,5/11,5
1527,5/657,0
5,0
43,1/19,7
7,9/12,2
2777,8/1179,0
Примечание. Числьтель - деревянная хордовая насадка, знаменатель - металлическая плоско-параллельная насадка.
Коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах определяли по известным уравнениям [4]:
(5)
(6)
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
|
Здесь Reг = 4wпρг/σ μг;
wп - фиктивная скорость газа соответствующая началу подвисания, м/с;
Ar = gdэ3ρг(ρж - ρг)/μг2 - критерий Архимеда.
Автор [8] принимал скорость газа при расчете бензольных скрубберов, соответствующую условию:
(4)
где wкр - фиктивная скорость газа в аппарате (называемая автором «критической»), м/с.
В табл.1 приведены критические значения скорости газа в бензольных скрубберах с деревянной хордовой и
металлической плоско-параллельной насадками, рассчитанные по формулам (1), (3) и (4) при удельном расходе
каменноугольного масла 1,0 л/м3 газа. Аналогичные расчеты были проведены для серных скрубберов при удельном
расходе поглотительного раствора 4 л/нм3газа (табл.2). Деревянная насадка изготовлена из реек толщиной 10 мм
и высотой 100 мм, а металлическая из листов толщиной 1 мм и высотой 400 мм.
Таблица 1
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
3,35
1,3
1,67
5,97
2,3
3,05
0,04
6,27
2,8
1,12
8,99
3,9
1,59
0,06
8,70
4,2
0,84
11,23
5,4
1,09
0,08
11,00
5,5
0,67
13,16
6,7
0,82
Таблица 2
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
2,69
0,71
1,64
4,81
1,29
2,98
0,04
5,09
1,55
1,10
7,22
2,20
1,56
0,06
6,98
2,31
0,82
9,00
3,01
1,06
0,08
8,59
3,03
0,65
10,53
3,71
0,80
Как видно из этих данных, фиктивная скорость коксового газа, соответствующая «захлебыванию», составляет для деревянной
хордовой насадки с зазором между рейками 20 мм 6,27 м/с в бензольных скрубберах при удельном расходе поглотительного
масла 1 л/м3газа и 5,1 м/с в серных скрубберах при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3
газа. Для металлической насадки с зазором между листами 20 мм скорость «захлебывания» составляет 9,0 и 7,2 м/с
соответственно.
Скорость начала «подвисания» по формуле (3) составляет 40-50% от скорости «захлебывания» в бензольных скрубберах
и 26-30% - в серных. Интересно отметить, что при существующем режиме работы бензольных скрубберов с деревянной насадкой
рабочая скорость газа составляет ~40% от скорости начала подвисания. В серных скрубберах рабочая скорость газа
достигает 50-60% от скорости, соответствующей началу подвисания жидкости.
С увеличением зазора между элементами насадки значения скорости начала подвисания растут пропорционально
dэ0,7. В то же время «критическая» скорость газа по формуле (4) с увеличением
зазора между планками уменьшается пропорционально dэ, что противоречит экспериментальным данным других
исследователей и природе сил, действующих на жидкость в насадочном аппарате.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что определение критического значения скорости газа в
насадочных аппаратах по формуле (4) не имеет теоретического обоснования, так как значению критерия Рейнольдса
Reг=2320 не соответствует какой-либо «кризис» в двухфазном потоке, изменяющий гидродинамическую структуру
его и природу сил, действующих на жидкость.
Таким образом, для определения рабочей скорости газа в насадочных аппаратах, при которой обеспечивается активный
гидродинамический режим, можно использовать формулы (1) и (3) с учетом соответствующих коэффициентов.
Оптимальное значение скорости газа в каждом конкретном случае должно определяться на основе технико-экономического
анализа с учетом стоимости аппаратуры и электроэнергии.
Далее приведены расчетные данные о влиянии рабочей скорости газа в серных скрубберах на высоту насадки и
гидравлическое ее сопротивление при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3 газа (табл.3).
Расчеты выполнены для хордлвой насадки из деревянных реек толщиной 10 мм, высотой 100 мм и зазором между ними 20 мм
и плоскопараллельной насадки из металлических листов толщиной 1 мм, высотой 400 мм и зазором между листами 20 мм.
При начальной концентрации сероводорода в газе 18 г/м3 и степени улавливания 90% необходимая эффективность
аппарата соответствует ~4 ед. переноса.
Таблица 3
Фиктивная скорость газа, м/с
Коэффициент массопередачи, K•103, м/с
Высота насадки, м
Гидравлическое сопротивление, Па
1,0
12,9/5,9
5,3/8,1
47,2/23,2
2,0
21,7/9,9
6,3/9,6
254,5/116,5
3,0
29,4/13,4
7,0/10,7
716,8/315,3
4,0
36,5/16,7
7,5/11,5
1527,5/657,0
5,0
43,1/19,7
7,9/12,2
2777,8/1179,0
Примечание. Числьтель - деревянная хордовая насадка, знаменатель - металлическая плоско-параллельная насадка.
Коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах определяли по известным уравнениям [4]:
(5)
(6)
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
|
где wкр - фиктивная скорость газа в аппарате (называемая автором «критической»), м/с.
В табл.1 приведены критические значения скорости газа в бензольных скрубберах с деревянной хордовой и
металлической плоско-параллельной насадками, рассчитанные по формулам (1), (3) и (4) при удельном расходе
каменноугольного масла 1,0 л/м3 газа. Аналогичные расчеты были проведены для серных скрубберов при удельном
расходе поглотительного раствора 4 л/нм3газа (табл.2). Деревянная насадка изготовлена из реек толщиной 10 мм
и высотой 100 мм, а металлическая из листов толщиной 1 мм и высотой 400 мм.
Таблица 1
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
3,35
1,3
1,67
5,97
2,3
3,05
0,04
6,27
2,8
1,12
8,99
3,9
1,59
0,06
8,70
4,2
0,84
11,23
5,4
1,09
0,08
11,00
5,5
0,67
13,16
6,7
0,82
Таблица 2
Эквивалентный диаметр насадки, м
Насадка деревянная, м/с
Насадка металлическая, м/с
wз
wп
wкр
wз
wп
wкр
0,02
2,69
0,71
1,64
4,81
1,29
2,98
0,04
5,09
1,55
1,10
7,22
2,20
1,56
0,06
6,98
2,31
0,82
9,00
3,01
1,06
0,08
8,59
3,03
0,65
10,53
3,71
0,80
Как видно из этих данных, фиктивная скорость коксового газа, соответствующая «захлебыванию», составляет для деревянной
хордовой насадки с зазором между рейками 20 мм 6,27 м/с в бензольных скрубберах при удельном расходе поглотительного
масла 1 л/м3газа и 5,1 м/с в серных скрубберах при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3
газа. Для металлической насадки с зазором между листами 20 мм скорость «захлебывания» составляет 9,0 и 7,2 м/с
соответственно.
Скорость начала «подвисания» по формуле (3) составляет 40-50% от скорости «захлебывания» в бензольных скрубберах
и 26-30% - в серных. Интересно отметить, что при существующем режиме работы бензольных скрубберов с деревянной насадкой
рабочая скорость газа составляет ~40% от скорости начала подвисания. В серных скрубберах рабочая скорость газа
достигает 50-60% от скорости, соответствующей началу подвисания жидкости.
С увеличением зазора между элементами насадки значения скорости начала подвисания растут пропорционально
dэ0,7. В то же время «критическая» скорость газа по формуле (4) с увеличением
зазора между планками уменьшается пропорционально dэ, что противоречит экспериментальным данным других
исследователей и природе сил, действующих на жидкость в насадочном аппарате.
Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что определение критического значения скорости газа в
насадочных аппаратах по формуле (4) не имеет теоретического обоснования, так как значению критерия Рейнольдса
Reг=2320 не соответствует какой-либо «кризис» в двухфазном потоке, изменяющий гидродинамическую структуру
его и природу сил, действующих на жидкость.
Таким образом, для определения рабочей скорости газа в насадочных аппаратах, при которой обеспечивается активный
гидродинамический режим, можно использовать формулы (1) и (3) с учетом соответствующих коэффициентов.
Оптимальное значение скорости газа в каждом конкретном случае должно определяться на основе технико-экономического
анализа с учетом стоимости аппаратуры и электроэнергии.
Далее приведены расчетные данные о влиянии рабочей скорости газа в серных скрубберах на высоту насадки и
гидравлическое ее сопротивление при удельном расходе поглотительного раствора 4 л/м3 газа (табл.3).
Расчеты выполнены для хордлвой насадки из деревянных реек толщиной 10 мм, высотой 100 мм и зазором между ними 20 мм
и плоскопараллельной насадки из металлических листов толщиной 1 мм, высотой 400 мм и зазором между листами 20 мм.
При начальной концентрации сероводорода в газе 18 г/м3 и степени улавливания 90% необходимая эффективность
аппарата соответствует ~4 ед. переноса.
Таблица 3
Фиктивная скорость газа, м/с
Коэффициент массопередачи, K•103, м/с
Высота насадки, м
Гидравлическое сопротивление, Па
1,0
12,9/5,9
5,3/8,1
47,2/23,2
2,0
21,7/9,9
6,3/9,6
254,5/116,5
3,0
29,4/13,4
7,0/10,7
716,8/315,3
4,0
36,5/16,7
7,5/11,5
1527,5/657,0
5,0
43,1/19,7
7,9/12,2
2777,8/1179,0
Примечание. Числьтель - деревянная хордовая насадка, знаменатель - металлическая плоско-параллельная насадка.
Коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах определяли по известным уравнениям [4]:
(5)
(6)
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
Таблица 1
| Эквивалентный диаметр насадки, м | Насадка деревянная, м/с | Насадка металлическая, м/с | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| wз | wп | wкр | wз | wп | wкр | |
| 0,02 | 3,35 | 1,3 | 1,67 | 5,97 | 2,3 | 3,05 |
| 0,04 | 6,27 | 2,8 | 1,12 | 8,99 | 3,9 | 1,59 |
| 0,06 | 8,70 | 4,2 | 0,84 | 11,23 | 5,4 | 1,09 |
| 0,08 | 11,00 | 5,5 | 0,67 | 13,16 | 6,7 | 0,82 |
Таблица 2
| Эквивалентный диаметр насадки, м | Насадка деревянная, м/с | Насадка металлическая, м/с | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| wз | wп | wкр | wз | wп | wкр | |
| 0,02 | 2,69 | 0,71 | 1,64 | 4,81 | 1,29 | 2,98 |
| 0,04 | 5,09 | 1,55 | 1,10 | 7,22 | 2,20 | 1,56 |
| 0,06 | 6,98 | 2,31 | 0,82 | 9,00 | 3,01 | 1,06 |
| 0,08 | 8,59 | 3,03 | 0,65 | 10,53 | 3,71 | 0,80 |
Таблица 3
| Фиктивная скорость газа, м/с | Коэффициент массопередачи, K•103, м/с | Высота насадки, м | Гидравлическое сопротивление, Па |
| 1,0 | 12,9/5,9 | 5,3/8,1 | 47,2/23,2 |
| 2,0 | 21,7/9,9 | 6,3/9,6 | 254,5/116,5 |
| 3,0 | 29,4/13,4 | 7,0/10,7 | 716,8/315,3 |
| 4,0 | 36,5/16,7 | 7,5/11,5 | 1527,5/657,0 |
| 5,0 | 43,1/19,7 | 7,9/12,2 | 2777,8/1179,0 |
|
|
Коэффициент распределения сероводорода между фазами при равновесии по уравнению, опубликованному ранее [9].
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определяли по упрощенным зависимостям [7].
При анализе приведенных данных обращает на себя внимание малая расчетная высота насадки, необходимая для абсорбции
сероводорода. Например, при скорости газа 1 м/с высота деревянной хордовой насадки равна 5,3 м, что соответствует
поверхности 0,1 м2 на 1 м3/ч газа. По нормативам Гипрококса для серных скрубберов рекомендуется
удельный расход поверхности насадки 0,5 м2 на 1 м3/ч газа. Такое расхождение объясняется тем,
что в промышленных абсорберах из-за неравномерного распределения газа и жидкости по насадке коэффициенты массопередачи
значительно меньше рассчитанных на основе лабораторных данных. По оценке [4] коэффициент массопередачи, полученный
в лабораторных условиях, в 5-7 раз превышает рассчитанный по данным испытаний промышленных аппаратов при скорости
газа 0,7-1,0 м/с.
При прочих равных условиях высота металлической насадки в ~1,5 раза больше, чем деревянной, хотя удельная
поверхность первой в 1,4 раза больше. Это объясняется тем, что при одинаковом эквивалентном диаметре деревянной и
металлической насадок симплекс геометрического подобия dэ/h для последней в 4 раза меньше и истинная
скорость в 1,4 раза ниже, чем у деревянной. Как следствие - коэффициент массоотдачи в газовой фазе для металлической
насадки в 2,5 раза ниже, чем для деревянной.
С учетом сказанного необходимая высота насадки в промышленных абсорберах должна быть больше рассчитанной в 5-7 раз
при низких рабочих скоростях газа (0,8-1,0 м/с), и в 3-4 раза больше при высоких скоростях (2-3 м/с). При скорости
газа >3 м/с для размещения необходимой поверхности металлической насадки может потребоваться установка
последовательно трех абсорберов вместо двух и соответственно - увеличение числа насосов и расхода электроэнергии.
Вследствие этого, а также из-за загрязнений насадки в промышленных абсорберах гидравлическое сопротивление ее будет
в 6-10 раз больше расчетного. Из этого можно заключить, что в условиях коксохимических предприятий рабочая скорость газа
в серных скрубберах с деревянной насадкой не должна превышать 1,5 м/с, а в скрубберах с металлической плоско-параллельной
2,5 м/с. В бензольных скрубберах с металлической насадкой при удельном расходе поглотительного масла
1,4-1,8 л/м3 газа допустимая скорость газа может составлять по нашим оценкам 3,5-4 м/с.
Выводы
1. В действующих цехах улавливания химических продуктов коксования скорость газа в насадочных абсорберах бензольных
углеводородов и сероводорода (0,7-1 м/с) составляет 15-20% от скорости «захлебывания», что соответствует пленочному
гидравлическому режиму и обуславливает низкую интенсивность массопередачи.
2. Увеличение скорости газа в абсорберах позволяет существенно интенсифицировать их работу, однако это связано с
увеличением высоты единицы переноса и, следовательно, необходимой высоты насадки, а также с ростом гидравлического
сопротивления.
3. Анализ влияния скорости газа на высоту насадки и ее гидравлическое сопротивление позволяет заключить, что при
используемых на коксохимических производствах газодувках рабочая скорость газа может быть увеличена до значения скорости
начала «подвисания». Для серных скрубберов с деревянной насадкой рабочая скорость составляет ~1,5 м/с, а в
скрубберах с металлической плоско-параллельной насадкой 2,5 м/с. Для бензольных скрубберов с металлической насадкой
допустимая скорость газа равна ~4 м/с.
Список литературы
1. Сидогин В.П., Смирнов Е.А., Коваленко В.И. и др. Насадки и пенно-вихревые тарелки в бензольном
скруббере//Кокс и химия. 1989. №12. С. 31-33.
2. Лаврова И.О, Шустиков В.И., Лавров О.И. Интенсификация абсорбции бензольных углеводородов из коксового
газа // Кокс и химия. 1997. №7. С. 22-24.
3. Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., МалареевН.А. и др. Исследование эффективности регулярных насадок в процессе
ректификации воды // Химическая промышленность. 1962. №7. С. 53-63.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1966. - 768 С.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – М.: Химия, 1987. - 576 С.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химичесокой технологии – М.: Химия, 1971. – 784 С.
7. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1962. - 848 С.
8. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчет аппаратуры для улавливания химических продуктов
коксования . – М.: Металлургия,1972.- 296 С.
9. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Милютин А.В. Исследование равновесия при абсорбции сероводорода из коксового газа и
регенерации поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки//Кокс и химия.2000 №12 С.25-28.
Выводы