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 Vо=1200 м3/ч;
Разрежение перед газоочисткой p1=1,4 кПа
Концентрация пыли в газе Сн=1 г/м3
Температура газа t1=40 оС
Плотность газа ρо = 1,26 кг/м3; давление воды, поступающей на орошение pж = 300 кПа; требуемая концентрация пыли в газе на выходе из аппарата Ск = 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):
КТ=∆р+рж* Vж/ VГ, (6.1)
где Δр – гидравлическое сопротивление аппарата, Па; рж – давление распыляемой жидкости на входе в аппарат, Па; Vж и Vг – 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 Nч – понятием, используемым в теории тепло- и массообмена, связанным с η следующей зависимостью:
NЧ = ln* 1/(1 − η), (6.3)
Из сопоставления выражений (6.2) и (6.3) следует, что:
NЧ=В⋅КχТ, (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=(Сн− Ск)/ С н, (6.5)
где Сн – начальная концентрация пыли в газе, мг/м3; Ск – конечная концентрация пыли в газе, мг/м3.
η=(1000-20)/1000=0,98
2. По формуле (6.3) определяется число единиц переноса.
NЧ = ln1/(1-0,98)=3,912
3. Используя выражение (6.4) определяется удельная энергия КТ, затрачиваемая на пылеулавливание.
К Т =χ√NЧ/В=0,67√3,912/6,9*10-3=12875кДж/1000м3.
4. Определяется общее гидравлическое сопротивление Δр скруббера Вентури:
∆р=КТ−рж*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 Мж, кг/с:
Мж= V1*m, (6.9)
Мж=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=40,32оС.
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-каплеуловителяDц, м:
Dц=1,13*√ V2/ωц, (6.13)
где ωц – скорость газа в циклоне-каплеуловителе (принимаем равной 2,5 м/с).
Dц=1,13*√0,588/2,5=0,548м.
13. Определяется высота циклона-каплеуловителя Н, м:
Н = 2,5Dц, (6.14)
Н = 2,5*0,548=1,096м.
14. Определяется гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя ∆рц, Па:
∆рц= ξ ц*(ωц2* ρ2/2), (6.15)
где ξц – коэффициент сопротивления циклона-каплеуловителя (для прямоточного циклона ξц = 30÷33).
∆рц=30*(2,52*2571/2)=241031Па.
15. Определяется гидравлическое сопротивление трубы Вентури ∆рТ, Па:
∆pТ=∆p-∆pц, (6.16)
∆pТ=-237125-241031=-478156Па.
16. Определяется коэффициент сопротивления, обусловленный вводом орошающей жидкости, для нормализованной трубы Вентуриξж:
ξж=0,63* ξс*(Мж/Мг* ρг/ ρж)-0,3, (6.17)
где ξс – коэффициент сопротивления сухой трубы (ξс = 0,12÷0,15); МГ – массовый расход газа, кг/с.
ξж=0,63*0,12*(1,675/?*?/?)-0,3=
17. Определяется необходимая скорость газов в горловине трубы Вентури ω2, м/с:
ω2=√2∆pТ/(ξ сρ2+ ξж 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 ун=4% (об.);
Степень поглощения, сп=0,96;
Для всех вариантов: 1) средняя температура в абсорбере Т = 293 К; 2) коэффициент массопередачи Ку = 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; Хв, Хн – начальная и конечная концентрации примеси в жидкости на верху и в низу абсорбера; Yв, Yн – 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 *ун/((1- ун)22,4), (7.1)
где Q – расход воздуха, м3/ч (табл. 7.1); ун – начальная концентрация ацетона в воздухе, доли ед. (табл. 7.1); сп – степень поглощения, доли ед. (табл. 7.1). Начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой на верх абсорбера, Хв = 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:
Хн =M⋅Mв /L, (7.2)
где Мв – мольная масса воды, Мв = 18; L – расход воды, кг/ч (табл. 7.1).
Хн =2,143*18/2800=0,0138 кмоль ацетона/кмоль воды.
Начальная концентрация ацетона в воздухе внизу при входе в абсорбер Yн, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
Yн=ун/(1− у н), (7.3)
Yн=0,04/(1-0,04)=0,0417 кмоль ацетона/кмоль воздуха.
Конечная концентрация ацетона в воздухе, выходящем из абсорбера Yв, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
Y в= у н(1−сп)/(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 ΔYн, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
ΔYн = Yн – Yн*, (7.5)
Значение Yн* находим по уравнению равновесной линии для Хн, соответствующего низу абсорбера:
Yн* = 1,68 Хн, (7.6)
Yн* = 1,68*0,0138=0,0232 кмоль ацетона/кмоль воды.
ΔYн =0,0416-0,0232=0,0185 кмоль ацетона/кмоль воды.
Движущая сила абсорбции на верху абсорбера ΔYв, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
ΔYв = Yв – Yв *, (7.7)
Yв* = 1,68 Хв=1,68*0=0
ΔYв = Yв=0,0017 кмоль ацетона/кмоль воды.
Средняя движущая сила ΔYср, кмоль ацетона/кмоль воздуха:
∆ Yср = (∆Y н−∆Y в)/(2,3* lg (∆Yн/∆ Y в)), (7.8)
∆ Yср =(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 Ку – 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; Vсв – свободный объем насадки, Vсв = 0,74 м3/м3 [1]; ρг и ρж – плотности газа и жидкости, кг/м3; ρж = 1000 кг/м3; μж – динамический коэффициент вязкости жидкости, μж = 1 мПа∙с; L и G – массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А = 0,022 для насадки из колец или спиралей.
Плотность газа ρг равна:
ρг= ρ о *Т /То, (7.12)
где ρо – плотность воздуха при нормальных условиях, ρо = 1,293 кг/м3; Т – средняя температура в абсорбере, Т = 293 К (табл. 7.1); То = 273 К.
ρг=1,293*293/273=1,39 кг/м3.
Массовый расход газа G равен:
G = Q ∙ ρо, (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) ωз, (7.14)
Примем ω = 0,75*ωз.
ω =0,75*0,16=0,12м/с.
Площадь поперечного сечения абсорбера S, м2:
S = G /3600*ω*ρг, (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 Нн:
Нн = V / S, (7.17)
Н=8,75/2,58=3,39м.
