Задача №6. Расчет скруббера Вентури

Задание: В соответствии с заданным вариантом (табл. 6.1) рассчитать скруббер Вентури для очистки газов, содержащих известковую пыль.

6.1 Исходные данные Номер варианта№1

Расход газа V_о=1200 м³/ч;

Разрежение перед газоочисткой p₁=1,4 кПа

Концентрация пыли в газе С_н=1 г/м³

Температура газа t₁=40 ^оС

Плотность газа ρ_о = 1,26 кг/м³; давление воды, поступающей на орошение p_ж = 300 кПа; требуемая концентрация пыли в газе на выходе из аппарата С_к = 20 мг/м³; константы: В = 6,9×10^-3, χ = 0,67.

Работа скруббера Вентури основана на дроблении воды турбулентным газовым потоком, захвате каплями воды частиц пыли, последующей их коагуляции и осаждении в каплеуловителе инерционного типа. Скруббер Вентури включает в себя трубу Вентури и прямоточный циклон-каплеуловитель (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема скруббера Вентури: 1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – диффузор; 4 – оросительное устройство; 5 – каплеуловитель.

Труба Вентури состоит из конфузора 1, служащего для увеличения скорости газа, оросительного устройства 4, горловины 2, в которой происходит осаждение частиц пыли на каплях воды, и диффузора 3, в котором протекают процессы коагуляции. В каплеуловителе 5 благодаря тангенциальному вводу газа создается вращение газового потока, вследствие чего смоченные и укрупненные частицы пыли отбрасываются на стенки и непрерывно удаляются из каплеуловителя в виде шлама. Скрубберы Вентури могут работать с высокой эффективностью η = 96÷98% на пылях со средним размером частиц 1÷2 мкм и улавливать высокодисперсные частицы пыли (до 0,01 мкм) в широком диапазоне начальной концентрации пыли в газе – от 0,05 до 100 г/м³. При работе в режиме тонкой очистки скорость газов в горловине должна поддерживаться в пределах 100÷150 м/с. Расчет эффективности очистки мокрых пылеуловителей наиболее часто проводят на основе энергетического метода. Главным энергетическим параметром мокрого пылеуловителя является суммарная энергия соприкосновения Кт, т.е. расход энергии на обработку жидкостью определенного объема газов в единицу времени. Численную величину этого параметра определяют из следующего выражения, (кДж/1000 м³ газа):

К_Т=∆р+р_ж* V_ж/ V_Г, (6.1)

где Δр – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; р_ж – давление распыляемой жидкости на входе в аппарат, Па; V_ж и V_г – объемные расходы жидкости и газа, соответственно, м³/с.

В соответствии с энергетическим методом расчета эффективность очистки мокрого пылеуловителя может быть определена по формуле:

η= 1−е^{−В⋅ К χ Т}, (6.2)

где В и χ − константы, зависящие от физико-химических свойств и дисперсного состава пыли.

При высоких степенях очистки оценку эффективности работы аппарата удобнее выражать не эффективностью очистки η, а числом единиц переноса N_ч – понятием, используемым в теории тепло- и массообмена, связанным с η следующей зависимостью:

N_Ч = ln* 1/(1 − η), (6.3)

Из сопоставления выражений (6.2) и (6.3) следует, что:

N_Ч=В⋅К^χ_Т, (6.4)

Энергетический подход упрощает расчет эффективности мокрых пылеуловителей и дает результаты, подтверждаемые опытом работы промышленных аппаратов.

Порядок расчета скруббера Вентури

1. Определяется необходимая эффективность η работы аппарата:

η=(С_н− С_к)/ С _н, (6.5)

где С_н – начальная концентрация пыли в газе, мг/м³; С_к – конечная концентрация пыли в газе, мг/м³.

η=(1000-20)/1000=0,98

2. По формуле (6.3) определяется число единиц переноса.

N_Ч = ln1/(1-0,98)=3,912

3. Используя выражение (6.4) определяется удельная энергия К_Т, затрачиваемая на пылеулавливание.

К _Т =^χ√N_Ч/В=^0,67√3,912/6,9*10^-3=12875кДж/1000м³.

4. Определяется общее гидравлическое сопротивление Δр скруббера Вентури:

∆р=К_Т−р_ж*m, (6.6)

где m – удельный расход на орошение, принимаем m = 0,0012 м³/м³.

∆р= 12875-300*0,0012=-237125Па.

5. Определяется плотность газа на входе в трубу Вентури при рабочих условиях ρ₁, кг/м³:

ρ ₁=ρ ₀*(273(101,3-p₁)/((273+ t ₁)101,3)), (6.7)

ρ ₁=1,26*(273*(101,3-1,4)/(273+40)*101,3)=1,083кг/м³.

6. Определяется объемный расход газа, поступающего в трубу Вентури при рабочих условиях V₁, м³/с:

V₁=V₀* ρ₀/ ρ₁, (6.8)

V₁=1200*1,26/1,083=1396м³/с.

7. Определяется расход орошающей воды М_ж, кг/с:

М_ж= V₁*m, (6.9)

М_ж=1396*0,0012=1,675кг/с.

8. Определяется температура газов на выходе из скруббера Вентури t₂,^оС, по следующей эмпирической формуле:

t₂ = (0,133 – 0,041m) t₁+ 35, (6.10)

t₂ =(0,133-0,041*0,0012)*40+35=40,32^оС.

10. Определяется плотность газов на выходе из скруббера Вентури ρ₂, кг/м³:

ρ₂= ρ₀*(273(101,3-p₁-∆ p)/(273+ t₂)101,3), (6.11)

ρ₂=1,26*(273(101,3-1,083+237125)/(273+40,32)*101,3=2571кг/м³.

11. Определяется объемный расход газа на выходе из трубы Вентури V₂, м³/с:

V₂=V₀* ρ₀/ ρ₂, (6.12)

V₂=1200*1,26/2571=0,588м³/с.

12. Определяется диаметр циклона-каплеуловителяD_ц, м:

D_ц=1,13*√ V₂/ω_ц, (6.13)

где ω_ц – скорость газа в циклоне-каплеуловителе (принимаем равной 2,5 м/с).

D_ц=1,13*√0,588/2,5=0,548м.

13. Определяется высота циклона-каплеуловителя Н, м:

Н = 2,5D_ц, (6.14)

Н = 2,5*0,548=1,096м.

14. Определяется гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя ∆р_ц, Па:

∆р_ц= ξ _ц*(ω_ц²* ρ₂/2), (6.15)

где ξ_ц – коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя (для прямоточного циклона ξ_ц = 30÷33).

∆р_ц=30*(2,5²*2571/2)=241031Па.

15. Определяется гидравлическое сопротивление трубы Вентури ∆р_Т, Па:

∆p_Т=∆p-∆p_ц, (6.16)

∆p_Т=-237125-241031=-478156Па.

16. Определяется коэффициент сопротивления, обусловленный вводом орошающей жидкости, для нормализованной трубы Вентуриξ_ж:

ξ_ж=0,63* ξ_с*(М_ж/М_г* ρ_г/ ρ_ж)^-0,3, (6.17)

где ξ_с – коэффициент сопротивления сухой трубы (ξ_с = 0,12÷0,15); М_Г – массовый расход газа, кг/с.

ξ_ж=0,63*0,12*(1,675/?*?/?)^-0,3=

17. Определяется необходимая скорость газов в горловине трубы Вентури ω2, м/с:

ω₂=√2∆p_Т/(ξ _сρ₂+ ξ_ж ρ _жm), (6.18)

ω₂=√2*-478156/(0,12*2571+?*?*0,0012)= м/с.

18. Определяется диаметр горловины трубы Вентури d, м:

d = 1,13√(V ₂/ ω₂), (6.19)

d = 1,13√(0,588/?)= м.

По полученному диаметру находятся все остальные размеры нормализованной трубы Вентури.

 

 

Расчет абсорбера

Задание: В соответствии с заданным вариантом (табл. 7.1) найти диаметр и высоту насадочного абсорбера, заполненного керамическими кольцами размером 25×25×3 мм, для очистки воздуха от паров ацетона водой Исходные данные

Номер варианта№1

Расход воды L=2800кг/ч;

Расход воздуха Q=1200 м³/ч;

Начальная концентрация ацетона в воздухе у_н=4% (об.);

Степень поглощения, с_п=0,96;

Для всех вариантов: 1) средняя температура в абсорбере Т = 293 К; 2) коэффициент массопередачи К_у = 0,4 кмоль ацетона /(м²∙ч × кмоль ацетона / кмоль воздуха); 3) коэффициент смоченности насадки ψ = 1. Уравнение линии равновесия: Y* = 1,68 Х.

Наибольшее распространение для очистки отходящих газов от токсичных примесей получили абсорбционные методы. Процессы абсорбции проводят в поверхностных, пленочных, насадочных, тарельчатых и распыливающих абсорберах. Схема насадочного абсорбера приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема насадочного абсорбера: 1 – корпус; 2 – насадка; L – массовый расход жидкости; G – массовый расход газа; Х_в, Х_н – начальная и конечная концентрации примеси в жидкости на верху и в низу абсорбера; Y_в, Y_н – начальная и конечная концентрации примеси в газе на верху и в низу абсорбера

Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера проводится в следующей последовательности [1]. Определяем количество поглощаемого ацетона М, кмоль/ч:

М= Q *у_н/((1- у_н)22,4), (7.1)

где Q – расход воздуха, м³/ч (табл. 7.1); у_н – начальная концентрация ацетона в воздухе, доли ед. (табл. 7.1); с_п – степень поглощения, доли ед. (табл. 7.1). Начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой на верх абсорбера, Х_в = 0.

М=1200*0,04*0,96/((1-0,04)*22,4)=2,143 кмоль/ч.

Конечная концентрация ацетона в воде, вытекающей внизу из абсорбера Хн, кмоль ацетона/кмоль воды:

Х_н =M⋅M_в /L, (7.2)

где М_в – мольная масса воды, М_в = 18; L – расход воды, кг/ч (табл. 7.1).

Х_н =2,143*18/2800=0,0138 кмоль ацетона/кмоль воды.

Начальная концентрация ацетона в воздухе внизу при входе в абсорбер Y_н, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

Y_н=у_н/(1− у _н), (7.3)

Y_н=0,04/(1-0,04)=0,0417 кмоль ацетона/кмоль воздуха.

Конечная концентрация ацетона в воздухе, выходящем из абсорбера Y_в, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

Y _в= у _н(1−с_п)/(1- у _н), (7.4)

Y _в=0,04*(1-0,96)/(1-0,04)=0,0017 кмоль ацетона/кмоль воздуха.

Находим движущую силу абсорбции в низу абсорбера ΔY_н, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

ΔY_н = Y_н – Y_н*, (7.5)

Значение Y_н* находим по уравнению равновесной линии для Х_н, соответствующего низу абсорбера:

Y_н* = 1,68 Х_н, (7.6)

Y_н* = 1,68*0,0138=0,0232 кмоль ацетона/кмоль воды.

ΔY_н =0,0416-0,0232=0,0185 кмоль ацетона/кмоль воды.

Движущая сила абсорбции на верху абсорбера ΔY_в, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

ΔY_в = Y_в – Y_в *, (7.7)

Y_в* = 1,68 Х_в=1,68*0=0

ΔY_в = Y_в=0,0017 кмоль ацетона/кмоль воды.

Средняя движущая сила ΔY_ср, кмоль ацетона/кмоль воздуха:

∆ Y_ср = (∆Y _н−∆Y _в)/(2,3* lg (∆Y_н/∆ Y _в)), (7.8)

∆ Y_ср =(0,0185-0,0017)/(2,3*lg(0,0185/0,0017))=0,003, кмоль ацетона/кмоль воздуха.

Требуемую поверхность массопередачи F, м², находим по уравнению:

F = М/ (К _у *∆ Y _ср), (7.9)

где К_у – коэффициент массопередачи (табл. 7.1).

F =2,143/(0,4*0,003)=1785 м².

Объем V, м³, слоя керамических колец, необходимый для создания найденной поверхности, при коэффициенте смоченности насадки ψ = 1 (табл. 7.1) равен:

V= F /σ, (7.10)

где σ – удельная поверхность насадки, σ = 204 м²/м³ [1].

V=1785/204=8,75 м³.

Определим фиктивную скорость газа ωз в точке захлебывания (инверсии) из уравнения (7.11):

где g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с²; V_св – свободный объем насадки, V_св = 0,74 м³/м³ [1]; ρ_г и ρ_ж – плотности газа и жидкости, кг/м³; ρ_ж = 1000 кг/м₃; μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, μ_ж = 1 мПа∙с; L и G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А = 0,022 для насадки из колец или спиралей.

Плотность газа ρ_г равна:

ρ_г= ρ _о *Т /Т_о, (7.12)

где ρ_о – плотность воздуха при нормальных условиях, ρ_о = 1,293 кг/м³; Т – средняя температура в абсорбере, Т = 293 К (табл. 7.1); Т_о = 273 К.

ρ_г=1,293*293/273=1,39 кг/м³.

Массовый расход газа G равен:

G = Q ∙ ρ_о, (7.13)

где Q – расход воздуха, м³/ч (табл. 7.1).

G =1200*1,293=1551,6кг/ч.

Рабочая (фиктивная) скорость газа ω для абсорберов, работающих в пленочном режиме:

ω = (0,75÷0,9) ω_з, (7.14)

Примем ω = 0,75*ω_з.

ω =0,75*0,16=0,12м/с.

Площадь поперечного сечения абсорбера S, м²:

S = G /3600*ω*ρ_г, (7.15)

S =1551,6/3600*0,12*1,39=2,58 м².

Найдем диаметр корпуса абсорбера D, м:

D = √4S /π, (7.16)

D = √4*2,58/3,14=1,81м.

Требуемая высота насадки Н_н:

Н_н = V / S, (7.17)

Н=8,75/2,58=3,39м.