Призначення декарбонізаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Призначення декарбонізаторів

2. Схеми процесу декарбонізації

3. Основні рівняння процесу декарбонізації

3.1.Балансові рівняння потоків маси

3.2 Рівняння масопередачі

3.3 Критеріальні узагальнення масовіддачі з боку рідини

4. Послідовність розрахунку насадкового декарбонізатора

4.1 Вихідні дані

4.2 Балансові розрахунки

4.3 Розрахунок концентрацій у декарбонізаторі

4.4 Продуктивність декарбонізатора (потік вуглекислоти, що виділяється)

4.5 Середній концентраційний напір

4.6 Теплофізичні параметри

4.7 Розрахунок коефіцієнта масоввідачі та масопередачі і розмірів насадкового декарбонізатора

4.8 Розподільчі пристрої декарбонізатора

4.9 Розрахунок вентилятора та опорів по повітряній стороні

5. Послідовність розрахунку барботажного декарбонізатора

5.1 Вихідні дані

5.2 Балансові розрахунки барботажного декарбонізатора

5.3 Розрахунок концентрацій

5.4 Продуктивність декарбонізатора (потік вуглекислоти, що видаляється

5.5 Середній концентраційний напір

5.6 Теплофізичні параметри

5.7 Розрахунок коефіцієнта масоввідачі та масопередачі барботажного декарбонізатора

5.8 Висота декарбонізатора

1. Призначення декарбонізаторів

Декарбонізатори - це масообмінні пристрої для видалення із води вуглекислого газу. Вони використовуються у системах іонообмінної підготовки добавочної води для ТЕС та АЕС[4,11].

У декарбонізаторах взаємодіють два середовища: рідинне (водний розчин), що вміщує газ СО2, та газове, яке практично не вміщує СО2. У якості газового середовища може виступати будь-який газ але частіше всього використовують повітря, у якому вміст вуглекислого газу незначний (об`ємна концентрація (частка) СО2 у повітрі ? 3,0 10-4), окрім того повітря найбільш дешевий та доступний носій.

По принципу організації міжфазової поверхні декарбонізатори поділяють на насадкові, барботажні та струйні.

У насадкових декарбонізаторах рідина подрібнюється на плівки, а міжфазова поверхня (МФП) відтворює форму поверхні проміжної твердої речовини - насадки різноманітної форми, на якій і утворюється плівка[3]. Тому такі декарбонізатори називають також плівковими.

У барботажних декарбонізаторах ніякого посередника немає. Газова фаза проходить (барботує) через шар рідинної фази. При цьому газ (повітря) подрібнюється спеціальними пристроями на окремі пухирці, які рухаються через товщу рідини. Їх поверхня і стає МФП.

У струйних декарбонізаторах газ ( повітря) спочатку засмоктується у сходинках струйного нагнітача, а потім у спеціальному розширювачі створюються умови для виникнення пухирців повітря, поверхня яких і складає МФП [2]. Таким чином струйні декарбонізатори можливо розглядати як різновидність барботажних декарбонізаторів, які розрізняються тільки методом подрібнення повітря на пухирці та способом подачі повітря. У першому випадку використовується механічний нагнітач, а другому - струйний.

Для декарбонізаторів, які використовуються у системі іонообмінної підготовки додаткової води для ТЕС чи АЕС, загальний вміст вуглекислоти у воді, що поступає на декарбонізацію розраховується, у випадку відсутності на стадії попередньої очистки вапнування, за виразом[3]:

, (1)

де Жк - карбонатна жорсткість ( лужність) води після попередньої очистки, мг-екв/л;

, =0,268 - відповідно розрахункова концентрація вуглекислоти у воді перед декарбонізатором та концентрація вільної вуглекислоти у вихідній воді, мг/л. Слід прийняти до уваги, що концентрація у мг/л тотожня концентрації у .

Якщо вода при попередній очистці вапнується [3]то

(2)

де Щб, Щк - відповідно залишкові бікарбонатна та карбонатна лужності вапнованої води після попередньої очистки, мг-екв/л.

Звичайно у сумі ці лужності складають 0,5…0,7 мг-екв/л. Співідношення між лужностями залежить від рН вапнованої води. Наприклад, якщо ці лужності однакові і складають 0,35 мг-екв/л, то для такої води можливо отримати:С1н? 23 мг/л. Залишковий вміст за декарбонізатором залежить не тільки від умов процесу, а також від величини рН води [4]. Це пов`язано з тим, що з зміною рН води відбувається перехід різних форм існування вуглекислоти згідно до рис.1

Такі зміни мають місце внаслідок процесів, що відбуваютья у воді при розчинені . Їх можливо описати рівняннями:

 (гідратація)

(перший ступень дисоціації)

(другий ступень дисоціації)

Таким чином у воді одночасно співіснують вільне , , , .

При рН ‹ 4,3 практично вся вуглекислота находиться у вільній формі (), тому краще за все видаляється із води. З точки зору технології виправданим є видалення вуглекислоти після Н-катіонування першого чи другого ступеня, коли розчин має рН ‹ 4 . У цьому випадку при температурі 30 можна досягти мінімальних значень вуглекислоти у остатку ? 3…10 мг/л.

Однак, враховуючи корозійну агресивність Н-катіонованої води в присутності кисню повітря, в деяких проектах декарбонізатори розміщують після аніонітового фільтра першого ступеня, де показник рН досягає значень 8. У цьому випадку неможливо очікувати великої ефективності по видаленню вуглекислоти, оскільки вона практично вся находиться у вигляді .

Рис 1. Залежності співвідношень , , від рН

Тому є практика побудови іонообмінної знесолюючої установки без декарбонізатора, а видалення вуглекислоти( у формі ) здійснюється аніонітовим фільтром другого ступеня, який заповнений високоосновним аніонітом. У цьому випадку, крім додаткових витрат реагентів на цей фільтр, зменшується можливість поглинання іонів та збільшується ймовірність проскоку силікатів або їх відкладень на іоніті у колоїдній формі.

2. Схеми процесу декарбонізації

Схему матеріальних потоків при декарбонізації, з урахуванням того що частіше всього у декарбонизаторові рідина і газ рухаються у протитечії, можна представити наступним чином (рис.2) .Поступово газ(повітря) збагачується на і на виході концентрація вуглекислоти може вирости настільки, що затруднить процес масообміну. Це залежить від відносних витрат повітря та розчину. Ось чому співідношення об`ємних витрат рідини та газу мають велике значення для роботи декарбонизатора.

Якщо витрати рідини та повітря, а також концентраціїпостійні у часі, то такий процес називається стаціонарним.

В умовах стаціонарного процесу у декарбонізаторові стабілізується концентраційне поле у рідинній та газових фазах і його можливо представити графіком ( схемою), що наведений на Рис.3. Він нагадує звичний графік температурного поля у процесах теплопередачі. Тим самим ще раз підкреслюється аналогія цих явищ. Крім того характер кривих свідчить про те, що основні зміни у концентраціях мають місце у приграничних шарах рідини та газу, тобто у областях де і відбуваються процеси конвективного масообміну.

Рис.2. матеріальні потоки у декарбонизаторові

mp, mn - витрати відповідно рідини та повітря; Cpn, Cp?, Cnn, Cn?- концентрації відповідно початкові та кінцеві у розчині , а також початкові та кінцеві у повітрі.

В глибині фаз масообмін протікає за рахунок дифузії, інтенсивність якої значно менше за конвективний масообмін, тому у цій області зміна концентрацій дуже мала. Товщина приграничних шарів залежить від властивостей фаз, а також швидкостей їх руху. Цей графік дійсний для довільного перетину декарбонізатора. Міжфазова поверхня хоча і має реальний фізичний зміст, але геометрично важко визначається, оскільки може приймати різноманітну форму, яка залежить від способу організації процесу, режимів руху середовищ і т.і..

Рис.3. Поле концентрацій у декарбонізаторі

- потікіз розчину у повітря через міжфазову поверхню;

Cp, Cp* -концентрації відповідно у товщі розчину та у розчині на МФП ,

Cг, Cг*- концентрації відповідно у глибині потоку повітря та у повітрі на МФП

Слід відзначити, що на Рис.3 поле концентрацій, при використані звичайних понять концентрацій у обох фазах, зазнає розриву. Тому на міжфазовій поверхні одночасно зоображуються дві концентрації: Ср* та Сг* , які є рівноважними концентраціями, що повязані між собою згідно із законом Генрі:

Ср* = Сг* / Кг , (3)

де Кг - стала закону Генрі, одиниці виміру якої залежать від вибору одиниць тиску та концентрацій.

3. Рівняння процесу декарбонізації

3.1 Балансові рівняння потоків маси

Зміна концентрації рідинної фази веде до зменшення кількості і для потоку газу рідинної фази згідно до рис.3 можливо записати:

, (4)

де - потік вуглекислого газу із води до міжфазової поверхні, кг/сек ( частіше

більш зручно використовувати меншу одиницю: г/сек);

mp - витрати водного розчину , кг/с ,

Cpn - початкова концентрація вуглекислого газу у воді на вході у декарбонізатор у масових частках,

Cpk - кінцева концентрація вуглекислого газу у воді на виході із декарбонізатора у масових частках.

Аналогічне рівняння справедливе також для газової фази:

(5)

де - потік вуглекислого газу від міжфазової поверхні в глибину газової фази, кг/с,

mг- витрати газової фази( повітря) , кг/с ,

Cпn - початкова концентрація вуглекислого газу у повітрі на вході у

декарбонізатор у масових частках,

Cпk - кінцева концентрація вуглекислого газу у повітрі на виході із декарбонізатора у масових частках.

Оскільки із рівнянь (1) та (2) концентрації отримують у мг/л, а у рівняннях (4) та (5) у масових частках, то виникає потреба у перерахунках різних виразів концентрацій. Детально ці питання вивчаються у дисципліні «Обробка води», тому тут обмежимось тільки деякими наближеними перетвореннями. Наприклад, можливо вважати, що концентрація у мг/л та мг/кг практично співпадають, бо маса 1 л води при невисоких температурах складає 1 кг. Тому в подальших розрахунках ці два вирази концентрацій будемо вважати тотожніми. Такий підхід дозволяє записати, що 1 мг/л? 1мг/кг, або у масових частках складає 1·.

У стаціонарних умовах справедливо, що потік з боку рідини та потік у повітря однакові:

==

Цей потік називають продуктивністю декарбонізатора по видаляємому газові. Він є головним показником роботи декарбонізатора подібно до теплової потужності теплообмінників.

3.2 Рівняння масопередачі

Для продуктивності декарбонізатора по видаляємому газові при використанні

поняття МФП справедливе також рівняння масопередачі [5] :

, (6)

де - величина міжфазової поверхні через яку відбувається перехід потоку вуглекислого газу у декарбонізаторові, ;

 - коефіцієнт масопередачі, одиниці виміру якого залежать від одиниць виміру

концентрацій. Якщо концентрації беруться у частках то - кг/(сек), якщо ж концентрації вибираються у кг/ (г/л) , то - м/сек.

?Cср - середній концентраційний напір у відповідних одиницях.

При розрахунку середнього концентраційного напору спочатку перераховують концентрації вуглекислого газу у газовій фазі на вході та виході у рівноважні їм концентрації на МФП відповідно до закону Генрі по рівнянню (3), а потім, приймаючи, що у декарбонізаторах завжди використовується протитечія, знаходять початковий та кінцевий концентраційні напори:

,

.

Тоді для середнього концентраційного напору маємо:

(7)

У наближених розрахунках, у зв?язку з невеликою різницею концентрацій вуглекислого газу у повітрі на вході та виході декарбонізатора, а це має місце коли співідношення об'ємів газової фази (повітря) та рідинної фази (водного розчину) перевищує 20, можливо вважати, що Cгk* = Cгn*. Крім того абсолютне значення цих рівноважних концентрацій набагато менше ніж концентрація у рідинній фазі. Тому цими концентраціями нехтують, а рівняння (7) спрощують:

?Cср = (Cрn - Cрк)/ ln(Cрn / Cрк). (8)

 Таким чином для розрахунку середнього концентраційного напору достатньо мати відомості про концентрацію вуглекислоти тільки у рідинній фазі, а середній концентраційний напір співпадає із середньологарифмічною концентрацією вуглекислоти у воді. Однак ще раз відмітимо, що цей факт напряму повязаний із співвідношенням об'ємних витрат повітря та води, яке повинно перевищувати 20 . Тільки при великих співвідношень цих витрат можлива ефективна експлуатація декарбонізаторів та досягнення мінімальних залишкових концентрацій вуглекислоти у розчині і тільки у цих умовах можливий спрощений розрахунок по (8).

Коефіцієнт масопередачі у рівнянні (6) в загальному випадку визначається по співвідношенню:

(9)

де ? р та ?г -коефіцієнти масовіддачі відповідно від водного середовища до МФП та від МФП до повітря. Їх одиниця виміру також залежить від вибраних одиниць концентрацій і виражається у м/с у випадку виразу концентрацій у кг/

(г/л) та у кг/(сек) , якщо концентрації виражені у частках. Коефіцієнт ? враховує перерахунок концентрацій газової фази на основі рівноважності

? = Сг*/Ср*

Тобто для декарбонізатора він визначаеться константою Генрі з урахуванням вибраних одиниць концентрацій та тиску.

Слід відзначити, що вирази у знаменику рівняння (9) мають зміст опору процесу масовіддачі відповідно з боку води та повітря. Особливість опорів полягає в тому, що у випадку послідовної цепочки опори складуються подібно до того, як це робиться у теплопередачі..

Для декарбонізатора, в зазначених умовах по співвідношенню об'ємних витрат повітря та води, опір масовіддачі з боку води набагато перевищує опір з боку повітря, тобто 1/ ? р ›› 1/ ? ?г , тому опором зі сторони повітря можливо знехтувати і рахувати, що ?f ? ? р . З цією особливістю пов`язана деяка нечіткість, що має місце у літературі, коли поняття

коефіцієнтів масопередачі та масовіддачі не розрізняють.

3.3 Критеріальні узагальнення масовіддачі з боку рідини

Окремо у літературі для декарбонізаторів такі узагальнення відсутні.Однак, подібність цього явища іншим масообмінним процесам дає змогу перенести існуючі узагальнення для схожих явищ.

Перелік критеріїв подібності, характерних для декарбонізатора, можливо отримати, виходячи із наступних міркувань. В дифузійній області рідинної фази для густини потоку маси справедливий перший закон Фіка:

,

де - густина потоку маси, кг/(сек),

- коефіцієнт дифузії: Властивість компоненту А по відношенню до рідинної фази (води), яка відображає інтенсивність переносу маси за рахунок дифузії, одиниці виміру залежать від вибору концентрацій. Якщо вибирають у , то /сек.

- градієнт концентрацій.

Знак мінус у цьому рівнянні відображає той факт, що напрямки градієнту та потоку маси, як векторів,- протилежні. У більш глибинному змістові - це відображення вимоги другого закону термодинаміки по однонаправленності усіх природних процесів.

У конвективній області (область, що прилягає до міжфазової поверхні) справедливо також :

jA= ?р(Ср-Ср*)

де ?р- коефіцієнт масовіддачі, одиниця виміру якого також залежить від одиниць концентрацій. Якщо концентрації беруться у частках то - кг/(сек), якщо ж концентрації вибираються у , , то - м/сек.

Ср, Ср*- концентрації відповідно у глибині рідини та на міжфазовій поверхні.

Для стаціонарного процесу ці густини теплових потоків однакові.

Тобто

= ?р(Ср-Ср*)

Це головне диференційне рівняння, що описує процес масовіддачі у декарбонизаторові при переносі вуглекислоти із рідини до міжфазової поверхні. Подібне рівняння справедливе також і для газової фази. Використовуючи до нього теореми подібності та формальні правила тримання критеріїв подібності, запишемо вираз до рівності комбінацій констант перетворень параметрів для подібних явищ у вигляді:

де , , , - константи перетворень або співвідношення відповідно: коефіцієнта дифузії, концентрації, характерного лінійного розміру, коефіцієнта масовіддачі -у двох подібних явищах, наприклад , тут - коефіцієнт дифузії у першому подібному явищі, а - коефіцієнт дифузії у другому подібному явищі. Аналогічно записуються і інші константи.

Звідси після скорочень та перетворень отримаємо індикатор подібності:

.

Так називають цей вираз тому, що підрядкові індекси, згідно формального правила теорії подібності, висвітлюють структуру критерія подібності процесу масовіддачі:

.

Цей критерій відомий під назвою критерія Шервуда або модифікованого масообмінного

критерія Нусельта. Він відображає подібність явища масовіддачі і оскільки містить величину коефіцієнта масовіддачі , яка підлягає визначенню, то є не визначальним критерієм для цього явища. З фізичної точки зору цей критерій відображає співідношення між інтенсивністю переносу маси шляхом конвекції до інтенсивності масо переносу дифузією. Оскільки конвективний масообмін більш інтенсивний, то цей критерій подібності майже завжди значно більше 1.

Другим важливим диференційним рівнянням для цього явища є рівняння масообмiнy у потокові рідини відомого під виразом другого закону Фіка:

.

Згідно до теорем подiбностi та вище приведених формальних правил маємо для констант приведення:

що після перетворень дає індикатор подiбностi у вигляді:

.

Звідки, після трансформацii безпосередньо випливаючого критерія подi6ностi у вигляді

шляхом його домноження та поділу на коефіцієнт в'язкості, отримаємо ще два критерії подібності, які характеризують процеси конвективної масовіддачі.

Це добре відомий критерій Рейнольдса

,

де w -швидкість течії, ;

- характерний геометричний розмір, м;

- коефіцієнт в'язкості, .

Оскільки він формується тільки із величин, що входять до умов однозначності, то він є визначальним критерієм подiбностi.

Іншим критерієм є Sc=v/D, відомий під назвою критерія Шмідта або модифікованого чи масообмінного критерія Прандля .Подібно до критерія Прандля він є властивістю пари: компоненту, що поширюється, та середовища, у якому відбувається процес розповсюдження цього компоненту, Для важливих речовин ця властивість вивчена та табульвана. Цей критерій подiбностi також є визначальним. Все сказане дає пістави записувати вираз критеріального рівняння для декарбонізатора у вигляді:

.

Подібна система критеріїв подібності використана Позiним для насадкових масообмiнникiв, що мають призначення адсорбувати гази[5]. Ним досліджена насадка у вигляді неупорядкованих кілець Рашiга та виділено два режими.

Перший - характеризується Re< 300.

У цій області узагальнення має вигляд:

(10)

Для області Re > 300 узагальнення записується:

(11)

У цих рівняннях визначальним розміром є еквівалентний діаметр

насадки:

,

де - порозність насадки, тобто частка вільного об'єму у об'ємі, що займає насадка;

- питома поверхня насадки , вважається , що ця поверхня є також поверхнею плівки рідини. Це справедливо, якщо вважати плівку дуже тонкою та що вона повністю покриває насадку.

Визначальною температурою є температура рідини.

Швидкість розраховується по еквівалентному перетинові, тобто

,

де w - так звана приведена швидкість, або швидкість, яку б мала рідина у декарбонизаторові без насадки. За цієї умови критерій Рейнольдса розраховується по співвідношенню:

,

де w - приведена швидкість, ;

f - питома поверхня насадки, ;

v - коефіцієнт в'язкості середовища, .

Як свідчить обробка експериментальних даних Костальського А. для насадкових декарбонізаторів рівняння (11) можливо записати у вигляді:

. (12)

Наведені Кастильським дані отримані у iнтервалi чисел Рейнольдса 250 Re 550 При розрахунку критерія Рейнольдса замість лінійної швидкості можна використовувати масову швидкість, або як її тут називають - густину зрошення.

,

де u - густина зрошення насадки, ;

- густина рідини.

Зміст інших позначень наведений вище.

Всі ці узагальнення i можуть використовуватись для теоретичних розрахунків коефіцієнта масовіддачі у декарбонизаторові.

Наведене рівняння (11) можливо використати також для розрахунку масовіддачі у 6арботажному декарбонизаторові], якщо у якості визначального розміру використати середній розмір повітряних пухирців. Цей розмір залежить від способу їx утворення, використаних пристроїв, тиску повітря i т.iн..

Якщо розрахувати не тільки розміри, а i кількість повітряних пухирців, то це дасть змогу також визначити загальну площу контакту повітря та рідини - тобто міжфазову поверхню - Fмфп.

Радіус повітряних пухирців можливо визначити, наприклад, за наближеною формулою Смiрнова-Полюти [7]

, (15)

де , - густина відповідно газової () та рідинної () фаз при температурі процесу, ;

- коефіцієнт поверхневого натяжіння води , ;

- радіус отворів у розподільчому пристрої для утворення пухирців (лежать у інтервалі 3….5мм), м.

Швидкість спливання одного пухирця за формулою Франк-Каменецького [8], :

. (16)

де позначення розглянуті раніше.

Потім знаходиться коефіцієнт групової взаємодії

.

І на кінець -швидкість групового вспливання пухирців, м/сек:

Тоді розрахункова міжфазова поверхня - за рівнянням:

, (17)

де - витрати повітря, кг/с;

- висота барботажного шару рідини, м;

- густина повітря у .

декарбонізатор масопередача вентилятор

4. Послідовність розрахунку насадкового декарбонізатора

4.1 Вихідні дані

Витрати пари на блок ;

Кількість блоків ;

Частка витрат пари і конденсату у основному контурі ;

Карбонатна жорсткість (лужність) води після попередньої очистки;

Кінцева концентрація вуглекислого газу у воді на виході із декарбонізатора ;

Температура ;

Початкова концентрація вуглекислого газу у повітрі на вході у декарбонізатор ;

Кратність об'ємних витрат повітря .

4.2 Балансові розрахунки

Витрати розчину на декарбонізатор

Їх приймають за даними розрахунків ланцюгів знесолення води або ведуть розрахунок по

Витрати повітря

Вони знаходяться з врахуванням густини води та повітря при температурі у декарбонизаторові.



де та - відповідно густина води та повітря, .

Для зручності подальших розрахунків можна перетворити у .

4.3 Розрахунок концентрацій у декарбонізаторі

Початкова концентрація у воді на вході у декарбонізатор розраховується за рівняннями (1) чи (2), одиниці концентрацій отримаємо у .

, =0,268

відповідно розрахункова концентрація вуглекислоти у воді

перед декарбонізатором та концентрація вільної вуглекислоти у вихідній воді, мг/л. Слід

прийняти до уваги, що концентрація у мг/л тотожня концентрації у .

Якщо вода при попередній очистці вапнується [3]то

,

Рівноважна початкова концентрація

 де - коефіцієнт абсорбції при температурі процесу;

- молярна маса , г/моль;

- початкова об'ємна (молярна) частка у повітрі;

- густина води , .

4.4 Продуктивність декарбонізатора (потік вуглекислоти, що виділяється)

Об'ємна (молярна) частка у повітрі на виході із декарбонізатора

де - кількість видаленого у ;

, - відповідно мольна маса повітря (29 г/моль) та ;

- витрати повітря к кг/с.

Рівноважна концентрація

де - коефіцієнт абсорбції при температурі процесу;

- молярна маса , г/моль;

- кінцева об'ємна (молярна) частка у повітрі;

- густина води , .

4.5 Середній концентраційний напір

, мг/л,

де - концентраційний напір на вході у декарбонізатор, мг/л;

- концентраційний напір на виході води із декарбонізатора, мг/л.

4.6 Теплофізичні параметри

Коефіцієнт дифузії

де - коефіцієнт дифузії при температурі 20 . За [10] він для у воді дорівнює або

Інші теплофізичні параметри

Вибираються із таблиць для води по визначальній температурі.

Коефіцієнт кінематичної в'язкості ;

Густина води ;

Густина повітря .

4.7 Розрахунок коефіцієнта масоввідачі та масопередачі і розмірів насадкового декарбонізатора

Вихідними даними для цього розрахунку є попередні вихідні та розраховані дані, а також характеристики насадки: вид насадки, розмір елементу насадки, порозність насадки , питома поверхня насадки . Дані для деяких видів насадки стандартних розмірів наведені у табл.., [6]. Задаємся густиною зрошення насадки (u=5…30 ).

Критерії Шмідта

Розрахунковий діаметр декарбонізатора

Знаходиться за рівнянням суцільності (нерозривності) та вихідних даних:

Критерії Рейнольдса

де u - густина зрошення насадки , ;

густина рідини, ;

питома поверхня насадки, ;

коефіцієнт кінематичної в'язкості,

Критерії Шервуда

Розраховується по критеріальних рівняннях, наприклад, Кастальского

У цих рівняннях визначальним розміром є еквівалентний діаметр насадки:

,м

де - порозність насадки, тобто частка вільного об'єму у об'ємі, що займає насадка;

 - питома поверхня насадки .

Коефіцієнт масоввідачі від розчину до МФП

Коефіцієнт масопередачі

В загальному випадку він розраховується за рівнянням, яке враховує опір масоввідачі як з боку рідини так і з боку повітря. Оскільки надійних розрахункових рівнянь для визначення коефіцієнта масоввідачі від МФП до повітря немає, а також враховуючи ту обставину, що цей процес набагато інтенсивніший, включаючи і дифузію у газовій фазі, приймаємо, що

Розрахункові геометричні параметри насадки

Поверхня насадки

Будемо виходити із припущення, що ця поверхня співпадає з величиною МФП, , яку можна розрахувати по рівнянню масопередачі (6).

продуктивність декарбонізатора по видаляємому із підрозділу 4.1.3, ;

- коефіцієнт масопередачі, м/сек;

- середній концентраційний напір, .

Потрібний об'єм насадки

Знаходиться по питомій поверхні вибраного типу насадки.

Висота шару насадки

У випадку корпусу декарбонізатора циліндричної форми таку ж форму буде мати шар насадки, тому:

де висота шару насадки, м

діаметр декарбонізатора, розрахований раніше, м.

Отриманий результат порівнюється із стандартним рядом декарбонізаторів [2, табл..П.14.4] та вибирається найближчий по параметрах. Висота шару насадки може досягти 4м (для дерев'яної насадки до 7м.)

4.8 Розподільчі пристрої декарбонізатора

Пристрій для підведення повітря

Розрахункова швидкість руху повітря у насадці

де об'ємні витрати повітря , ;

діаметр декарбонізатора;

порозність насадки.

Швидкість повітря у отворах розподільчого пристрою,

Ця швидкість вибирається виходячи із доцільних значень цієї швидкості, визначених інженерною практикою. Для газових середовищ вона меже бути до 10 м/сек. Конкретне значення швидкості є економічної категорією: чим більше швидкість тим більше гідравлічний опір i витрати електрики на перекачування повітря. Нижній рівень визначаеться умовою стійкої роботи пристрою, що має місце, якщо швидкість у отворах більше ніж швидкість руху у насадці.

Кількість отворів у розподільчому пристрої

Визначаетъся за рівнянням суцiльностi та прийнятому розмiрi отворів у розподільчому пристрої (doтв = 6 …. 1О мм)

.

Диаметр колектора, визначаеться з рівняння суцiльностi приймаючи в ньому швидкість руху повітря = 1...5 м/с (але завжди меньше ніж у отворах).

Довжина розподільчого пристрою(колектора)

Приймаючи до уваги, що отвори у розподільчому пристрої розміщують у верхній частині колектору з кроком по твiрнiй S=4doт=0.04,м., кiлькiсть отворів на верхній частині твірної складе:

де -paдiyc колектора. Тоді довжина колектору, при такому ж продовжному крокові розміщення отворів:

Пристрій для підведення води

Головна мета цього пристрою - рівномірно розподілити воду по перетинові декарбонізатора та забезпечити рівномірне зволожування насадки та утворення на ній плівки. Розглянемо, наприклад, пристрій у вигляд стакан у стакані.

Biн виконується у вигляді двох вставлених один в одного циліндричних патрубків

( стаканів), виготовлених із корозiйно-стiйкої сталi, поверхня яких має отвори

(діаметром 8... 20 мм)

Розрахунок зводиться до визначення дiаметрiв стаканів, їx висоти та кiлькостi отворів у боковій поверхні стаканів.

Використовується рівняння суцiльностi, причому швидкість води вибирається по накопиченому інженерною практикою досвіду: у трубах - l ... 3 м/с, у отворах -до 10 м/сек.

Діаметр внутрішнього стакану:

, м

де об'ємні витрати воли ( - густина води,);

- вибрана швидкість води, м/сек.

Діаметр зовнішнього стакану

Для зовнішнього стакану враховують, що вода рухається у кільцевій щілині, тому його діаметр:

, м.

Кількість отворів

- внутрішнього стакану:

- зовнішнього стакану:

де діаметр отворів вибирається для внутрішнього стакану меншим, а швидкість більшою із зазначених вище діапазонів.

Висота стаканів вибирається на 30% більшою від діаметру зовнішнього стакану та перевіряється на можливість розміщення на боковій поверхні розрахованої кількості отворів , наприклад,по співвідношенню бокових поверхонь та поверхні ycix отворів.

Тоді висота стакана , м

Перевiримо можливість розміщення такої кiлькостi отворів на внутрішньому стакані.

По верхня стакану: .

По верхня отворів : .

Якщо площа стакану набагато перевищує площу отворів то їх розміщення не визве труднощів. Очевидно, що подібна картина характерна і для зовнішнього стакану.

4.9 Розрахунок вентилятора та опорів по повітряній стороні

Аеродинамічний опip декарбонізатора

Визначаеться за емпiрiчним рівнянням у мм.вод.ст.,



де - висота насадки, м.

Розрахунок опору для подачі повітря

Фактично це розрахунок потрібного напору вентилятора. Для насадкового декарбонізатора найбільш значним є опір насадки та гiдравлiчний опір розподільчого пристрою, які потрібно перебороти.

, мм.вод.ст. або Па,

де із попереднього - розрахунку;

- гiдравлiчний опір розподільчого пристрою, можливо приймати 400 Па тобто 40,8 мм.вод.ст.

Таким чином визначається напір вентилятора, який повинен перевищувати розрахований опір при витратах повітря знайдених раніше, .Ці дані дозволять вибрати вентилятор із справочної літератури.

5. Послідовність розрахунку барботажного декарбонізатора

Вона подiбна до розрахунку насадкового декарбонизатора за виключенням розрахункiв по масовiддачi та опору по повiтрянiй стороні.

5.1 Вихідні дані

Витрати пари на блок ;

Кількість блоків ;

Частка витрат пари і конденсату у основному контурі ;

Карбонатна жорсткість (лужність) води після попередньої очистки;

Кінцева концентрація вуглекислого газу у воді на виході із декарбонізатора ;

Температура ;

Початкова концентрація вуглекислого газу у повітрі на вході у декарбонізатор ;

Кратність об'ємних витрат повітря .

5.2 Балансові розрахунки барботажного декарбонізатора

Витрати розчину на декарбонізатор

Їх приймають за даними розрахунків ланцюгів знесолення води або ведуть розрахунок по

Витрати повітря

Вони знаходяться з врахуванням густини води та повітря при температурі у декарбонизаторові.

де та - відповідно густина води та повітря, .

Для зручності подальших розрахунків можна перетворити у .

5.3 Розрахунок концентрацій

Початкова концентрація у воді на вході у декарбонізатор розраховується за рівняннями (1) чи (2), одиниці концентрацій отримаємо у .

, =0,268 - відповідно розрахункова концентрація вуглекислоти у воді

перед декарбонізатором та концентрація вільної вуглекислоти у вихідній воді, мг/л. Слід

прийняти до уваги, що концентрація у мг/л тотожня концентрації у .

Якщо вода при попередній очистці вапнується [3]то

,

Рівноважна початкова концентрація



де - коефіцієнт абсорбції при температурі процесу;

- молярна маса , г/моль;

- початкова об'ємна (молярна) частка у повітрі;

- густина води , .

5.4 Продуктивність декарбонізатора (потік вуглекислоти, що видаляється)

Об'ємна (молярна) частка у повітрі на виході із декарбонізатора

де - кількість видаленого у ;

, - відповідно мольна маса повітря (29 г/моль) та ;

- витрати повітря к кг/с.

Рівноважна концентрація

де - коефіцієнт абсорбції при температурі процесу;

- молярна маса , г/моль;

- кінцева об'ємна (молярна) частка у повітрі;

- густина води , .

5.5 Середній концентраційний напір

, мг/л,

де - концентраційний напір на вході у декарбонізатор, мг/л;

- концентраційний напір на виході води із декарбонізатора, мг/л.

5.6 Теплофізичні параметри

Коефіцієнт дифузії

де - коефіцієнт дифузії при температурі 20 . За [10] він для у воді дорівнює або

Інші теплофізичні параметри

Вибираються із таблиць для води по визначальній температурі.

Коефіцієнт кінематичної в'язкості ;

Густина води ;

Густина повітря ;

Коефіцієнт поверхневого натяжіння води .

5.7 Розрахунок коефіцієнта масоввідачі та масопередачі барботажного декарбонізатора

Розрахунок масовіддачі для цього різновиду декарбонізаторів ведуть з урахуванням особливостей процесу.

Розмір повітряних пухирців

Діаметр повітряних пухирців розраховують, наприклад, за наближеною формулою Смiрнова-Полюти [7]( див.(l5).

де ,. - густина вiдповiдно газової () та рідинної () фаз при температурі процесу, ;

- коефiцieнт поверхневого натяжіння води, Н/м;

-paдiyc отворів у розподільчому пристрої для утворення пухирців( лежать у iнтервалi 3... 5 мм), м. .,

Діаметр повітряних пyxирцiв вибирається як визначальний для розрахунку критеріїв подiбностi.

Швидкiсть групового вспливання пухирців

Спочатку розраховується швидкість вспливання одинокого пухирця за формулою Франк-Каменецького (16), м/с:

де позначення розглянутi раніше.

Потім знаходиться коефiцieнт групової взаємодії

І накінець - швидкість, групового вспливання пухирців, м/сек:

Розрахунок коефіцієнта масовіддачі від рідинної фази до газу

Цей розрахунок можливо наближено виконати, користуючись подiбнiстю процесів масообміну у цьому та у насадковому деаераторові. У якому визначальних критеріїв подібності вибирають критерій Рейнольдса, який розраховують, використовуючи швидкість групового вспливання пухирців, розрахунковий діаметр пухирців та в'язкість води

та критерій Шмідта

Критерій Шервуда визначають за критерiальним рівнянням (13), естрапулюючи його за межі вказаного інтервалу критерія Рейнольдса, оскільки всі подiбнi режими можливо вважати турбулентними.

Звідки розраховується коефіцієнт масовiддачi

Як уже відмічалося, наближено можна приймати , що цей коефіцієнт співпадає з коефіцієнтом масопередачі

.

Геометричні параметри барботажного декарбонізатора

Міжфазова поверхня ЇЇ розраховують, як і для насадкового декарбонізатора

продуктивність декарбонізатора по видаляємому із підрозділу 4.1.3, ;

- коефіцієнт масопередачі, м/сек;

- середній концентраційний напір, .

Висота шару води

Щоб розрахувати висоту (глибину) води у декарбонизаторові використаємо наступні міркування. Розрахована вище МФП повинна увесь час бути у шарі води, як сумарна поверхня пухирців. Їх середній розмір нами розраховано. Це дає можливість знайти поверхню одного пухирця, а також кількість пухирців. Звідки і знаходиться висота шару води, м

Позначення розглянуті раніше, а - об'ємні витрати повітря.

Порозність шару води (газовміст по об'єму)

Вона визначаеться наявністю у шарі води повітряних пухирців. Однак , розрахувати цю величину без відомого діаметру декарбонізатора - неможливо. Тому потрібно використати метод послідовних наближень. Наприклад, задаючись приведеною швидкістю газової фази, вважаючи її близькою до швидкості групового вспливання пyxиpцiв:

критерій Фруда

а по ньому - газовміст шару води

Це буде наближений гaзoвмiст i після визначення діаметру декарбонізатора він повинен уточнюватись.

Миттєвий перетин газової фази

Його знаходимо по швидкості групового вспливання та об'ємних витратах повітря

Перетин декарбонізатора

Він розраховується по знайденому наближеному об'ємному паровмістові

За цими даними вибирається декарбонізатор із стандартного ряду [2] , або число декарбонiзаторiв стандартного ряду, які у сумі забезпечать потрібну поверхню. Для стандартного ряду відомий діаметр декарбонiзаторiв. Для нестандартного декарбонізатора його діаметр знаходиться по відомому перетинові декарбонізатора



Ітераційні розрахунки для уточнення і

Оскільки знайдені раніше порозність та діаметр - наближені, потрібно уточнити їx ітераціями. Для цього розраховують повторно зведену швидкість , критерій Фруда Fr та .

Знайдене значення порівнюють з попереднім та визначають відхилення. Якщо воно не перевищує 3 % , то розрахунок завершують. У іншому випадку

повторюють розрахунок перетину апарату та дiaмeтpy. Останнє значения діаметру ( з похибкою не більше 3 %) є остаточним.

5.8 Висота декарбонізатора

Її вибирають по знайденому дiаметровi та врахуванням простору для розміщення розподільчих пристроїв води i повітря. Звичайно висота у два рази перевищує діаметр декарбонізатора.

Розрахунок розподільчого пристрою барботажного декарбонізатора

Він подібний до розрахунку таких пристроїв насадкового декарбонізатора. Різниця полягає в дещо вищому напорі повітря та більш важливому процесі подрібнення повітря. Тому в доповнення розглянемо випадок використання спеціального повітряного коробу. В

цьому випадку верхня поверхня коробу уявляє собою дирчатий лист. Отвори у ньому виконуються по концентричних колах.

Кількість отворів

Розраховується за вибраною швидкістю у отворах ( та їх діаметром (див. підрозділ 5.7.1.1.)).

Швидкість повітря у отворах розподільчого пристрою, вибирається виходячи із доцільних значень цієї швидкості, визначених інженерною практикою. Для газових середовищ вона може бути до 10 м/сек. Конкретне значення швидкості є економічною категорією: чим більше швидкість тим більше гідравлічний опір і витрати електрики на перекачування повітря. Нижній рівень визначається умовою стійкої роботи пристрою, що має місце, якщо швидкість у отворах більше ніж швидкість руху у декарбонизаторові.

Площа перетину отворів

Площа перетину короба та діаметр короба

Приймаючи частку площі отворів , розраховуємо площу короба та діаметр короба

та

Аналізуємо результат, спів ставляючи його з діаметром декарбонізатора, та робим висновок про можливість його розміщення у декарбонизаторові.

Оскільки діаметр коробу перевищує діаметр декарбонізатора та ускладнень з його розміщенням немає.

Можливий крок розміщення отворів

Аналізується результат, порівнюючи його з діаметром отворів.

Оскільки крок розміщення перевищує діаметр отворів ( 0,008 м) то такий розподільчий пристрій можливо реалізувати на практиці. Якщо такі умови виконуються то слід повернутися до розрахунку розмірів короба.

Кiлькiсть кілець для розміщення oтвopiв

Приймаючи концентричне розміщення отворів та умову, що крок

розміщення отворів по колу та крок мiж колами однаковий, отримаємо:

Розрахунок опору для подачі повітря

Фактично це розрахунок потрібного напору вентилятора. Для барботажного декарбонізатора найбільш значним є тиск рідини, який потрібно перебороти.

де - гідростатичний тиск шару води.

- гідравлічний опір розподільчого пристрою, можливо приймати 400 Па.

Порівнюються напір вентилятора з насадковим декарбонізатором та робляться висновки.

Використана література

Методичні вказівки «РОЗРАХУНОК ДЕКАРБОНІЗАТОРА»

Для дипломного, курсового проектування і розрахунково-графічної роботи з дисципліни «ТЕПЛОМАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ», для студентів за напрямком «Енергетика» та фахом 7.090510.01 «Технологія води та палива на ТЕС» і 7.090502.01 «Технологія теплоносіїв АЕС та поводження з РАВ»/ Укл. О.О. Кардасевич. - Одеса:ОНПУ, 2009. -27с./

Размещено на Allbest.ru