Уравнение рабочей линии для абсорбции

План

1. Общие сведения.

2.1 Материальный баланс.

2.2 Рабочая линия процесса абсорбции.

2.3 Движущая сила процесса.

3.1 Материальный баланс.

3.2 Движущая сила процесса.

3.3 Типы адсорбентов

4. Аппараты для проведения процесса абсорбции адсорбции.

Общие сведения.

Абсорбция— процесс избирательного поглощения компонентов газовой (паровой) смеси жидким поглотителем.

Абсорбируемые компоненты газовой (паровой) смеси называют – абсорбтивом

Жидкий поглотитель – абсорбентом.

Неабсорбированная часть газовой (паровой) смеси называется – инертом.

Если поглощение абсорбтива осуществляется путем его растворения в абсорбенте, то такой процесс называется – физической абсорбцией.

Когда растворение абсорбтива сопровождается химической реакцией между ним и абсорбентом, то этот процесс называется – хемосорбцией.

Обратный процесс в сорбционных процессах называется – десорбцией.

Адсорбция — это поглощение поверхностью твердого тела то­го или другого компонента из газа или жидкости. Поглощающее вещество, называемое адсорбентом, должно иметь весьма боль­шую поверхность. В качестве адсорбентов используются специ­ально приготавливаемые угли, гель кремневой кислоты, глино­зем и другие вещества. Поглощение газа поверхностью тела не сопровождается его конденсацией. Однако в капиллярах сор­бента может происходить конденсация поглощаемого газа. Это явление называется капиллярной конденсацией.

Абсорбция.

— для насыщения воды, безалкогольных напитков, пива и некоторых сортов вин углекислым газом;

— для улавливания паров этилового спирта из газов, выделяемых при брожении в спиртовом и винодельческом производствах;

— для уменьшения влажности воздуха в хранилищах складских помещениях, лаб.оборудовании с использованием абсорбентов – конденсированных кислот.

Материальный баланс.

В производстве абсорбция осуществляется в противоточных аппаратах непрерывного действия, в которых газ и жидкость (сорбент) приводятся в тесный контакт. Схема такого аппарата (абсорбера) представлена на рис. 1. Инертный непоглощаемый газ (V в кмоль/ч) при входе в аппарат содержит некоторое количество поглощаемого компонента. Обозначим его концентрацию в кмоль/кмоль инертного газа через y_н.

Рис. 1. Схема абсорбера.

При прохождении газовой смеси через абсорбер количество инертного газа не изменяется, а концентрация поглощаемого компонента уменьшается до у_к кмоль/кмоль.

Жидкий сорбент поступает в абсорбер в количестве W кмоль/ч. Содержание поглощаемого компонента в жидкости: при ее поступлении в абсорбер Х_н кмоль/кмоль чистого сорбента; при выходе из аппарата — Х_к.

На основании закона сохранения вещества может быть составлено уравнение материального баланса абсорбционного процесса для поглощаемого компонента:

(1)

При составлении баланса мы пренебрегаем возможными потерями при проведении процесса. Из уравнения 1 имеем:

(2)

где G — количество компонента, переданного из одной фазы в другую, в кмоль/ч.

Из уравнения 2 вытекает, что

(3)

где m — удельный расход сорбента.

Рабочая линия процесса абсорбции

Уравнение 2 является уравнением прямой линии, построенной в координатах х — у. На рис. 2 эта линия обозначена А — В. Угловой коэффициент этой линии равен m, T. e. tg ά = m.

Линия А-В называется рабочей линией. При помощи этой линии устанавливается связь между составом жидкости и составом газа для любого сечения аппарата. Так, если в каком-то сечении аппарата содержание поглощаемого компонента в газе у_с, то содержание этого компонента в жидкости будет равно х_с см. рис. 2.

Рис.2 Рабочая линия абсорбера

Движущая сила процесса.

Рабочая линия, изображенная на рис. 2, позволяет установить условия, при которых процесс абсорбции станет возможным. Рассмотрим условия равновесия газа и сорбента. Применим для этого правило фаз. В рассматриваемом случае мы имеем две фазы (газ и жидкость) и три компонента (поглощаемый компонент, инертный газ и жидкость). Определяющими параметрами будут давление, температура и концентрации:

В нашем случае, когда поглощается один компонент газовой смеси,

где S — число степеней свободы;

К-число компонентов системы;

f — число фаз системы.

Этими тремя степенями свободы будут состав одной из фаз, давление и температура. Содержание поглощаемого компонента в другой фазе не может быть выбрано произвольно. Оно определяется выбранными тремя параметрами.

Для идеальных растворов, в которых силы взаимодействия между молекулами компонентов системы одинаковы, условия равновесия определяются законами Генри и Рауля. Закон Генри можно формулировать так:

где к — количество растворенного газа, отнесенное к поглощающей жидкости, в

Уравнение 4 называется законом Генри, который может быть сформулирован так: растворимость газа прямо пропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью.

Известно также, что в газовой смеси парциальное давление компонента может быть выражено уравнением:

где у — моль-доля рассматриваемого компонента в газовой

Р — общее давление в смеси.

Приравнивая р из уравнений 4 и 5, получим

и

или

где (6)

Уравнение 6 является уравнением фазового равновесия. Для идеальных растворов, для которых закон Генри точен, величина Н является постоянной и линия равновесия является прямой.

Так как при сильном разбавлении все растворы приближаются к идеальным, то в области низких концентраций линия равновесия является прямой.

Величина Н называется константой фазового равновесия.

В общем случае зависимость между у и х представляется кривой, которая называется кривой равновесия. Кривая равновесия обычно строится на основании экспериментальных данных. Мы можем заметить, что кривая эта (или прямая в частном случае) строится в тех же координатах, что и рабочая линия процесса абсорбции.

Очевидно, что для протекания процесса абсорбции линия равновесия должна проходить ниже рабочей линии рис. 3 На рис. линия OD представляет собой кривую равновесия, соответствующую уравнению у = Нх.

Рис. З. Рабочая линия и линия равновесия фаз.

Рассмотрим произвольное сечение аппарата, в котором жидкая фаза содержит Х_А% поглощаемого компонента. Равновесное содержание этого компонента равно у_А% Согласно рабочей линии в рассматриваемом сечении, в газовой фазе того же компонента содержится У_А%. Очевидно, в данной точке действующей силой процесса будет величина (у_А— У*а), изображаемая отрезком NP. Как видно из рис. 3, движущая сила будет меняться по высоте аппарата.

Видео:5.1. Адсорбция. Классификация адсорбцииСкачать

АБСОРБЦИЯ

Тема 3.3. Абсорбция 12ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

Студент должен:

знать:

— физические основы и теорию процесса абсорбции (равновесие между фазами, принципы составления материального теплового баланса, уравнение рабочей линии);

— порядок расчета насадочного и барботажного абсорбера;

— сущность и методы проведения десорбции;

уметь:

— составлять материальный и тепловой баланс;

— определять расход поглотителя;

— строить равновесную и рабочую линию процесса;

— определять основные габаритные размеры абсорберов, пользуясь справочниками.

Назначение абсорбции. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием. Десорбция.

Равновесие между фазами при абсорбции. Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостях. Материальный баланс процесса и уравнения рабочей линии при абсорбции и десорбции. Расход абсорбента. Тепловой баланс абсорбции. Отвод тепла при абсорбции.

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами.

Принцип абсорбции основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. Поэтому выбор абсорбентов осуществляют в зависимости от растворимости в них поглощаемых компонентов, которая определяется:

· физическими и химическими свойствами газовой и жидкой фаз;

· температурой и давлением осуществления процесса;

· содержанием газа в смеси.

При выборе абсорбента необходимо учитывать такие его свойства, как селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и др.

Различают физическую абсорбцию и химическую абсорбцию (хемосорбцию). При физической абсорбции поглощаемый компонент образует с абсорбентом только физические связи. Процесс этот в большинстве случаев является обратимым. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. Если поглощаемый компонент вступает в реакцию с абсорбентом и образует химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

Процесс абсорбции обычно является экзотермическим, т. е. сопровождается выделением теплоты.

Абсорбция широко используется в промышленности для разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистки газовых выбросов от вредных примесей, выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т. д.

Равновесие в процессах абсорбции определяется правилом фаз Гиббса (В.4), представляющим обобщение условий гетерогенного равновесия:

Поскольку процесс абсорбции осуществляется в двухфазной (газ – жидкость) и трехкомпонентной (один распределяемый и два распределяющих компонента) системе, число степеней свободы – три.

Таким образом, равновесие в системе газ (пар) – жидкость может характеризоваться тремя параметрами, например температурой, давлением и составом одной из фаз.

Равновесие в системе газ – жидкость определяется законом растворимости Генри, согласно которому при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:

где р – парциальное давление газа над раствором; х – мольная концентрация газа в растворе; Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри).

Закон Генри распространяется в первую очередь на слаборастворимые газы, а также на растворы с низкими концентрациями хорошо растворимых газов при отсутствии химической реакции.

Коэффициент Е имеет размерность давления, совпадающую с размерностью р, и зависит от природы растворяющегося вещества и температуры. Установлено, что с увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Поскольку тепловой эффект, сопровождающий процесс абсорбции, отрицательно сказывается на положении линии равновесия, он должен обязательно учитываться при расчетах. Количество теплоты, выделяющейся при абсорбции, может быть определено по зависимости

где q_д — дифференциальная теплота растворения в пределах изменения концентрации х₁ – х₂; L – количество абсорбента.

Если абсорбция ведется без отвода теплоты, то можно допустить, что вся выделяющаяся теплота идет на нагревание жидкости, и температура последней повышается на величину

где с – теплоемкость раствора.

Для понижения температуры исходную газовую смесь и абсорбент охлаждают, отводя теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции, с помощью встроенных (внутренних) или наружных теплообменников.

Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть определено по закону Дальтона, согласно которому парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, т. е.

где Р – общее давление газовой смеси; у – мольная концентрация распределяемого в смеси газа.

Сопоставляя уравнения (10.2) и (10.1), найдем

где А_равн = Е/Р – константа фазового равновесия, применимая для областей действия законов Генри и Дальтона.

Пусть Р_аб – давление паров чистого абсорбента в условиях абсорбции; р_аб – парциальное давление паров абсорбента в растворе; Р – общее давление; х – мольная доля абсорбируемого газа в растворе; у – мольная доля распределяемого газа в газовой фазе; у_аб – мольная доля абсорбента в газовой фазе.

Согласно закону Рауля парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную долю в растворе:

По закону Дальтона (10.2) парциальное давление абсорбента в газовой фазе равно

Анализ факторов, влияющих на равновесие в системах газ (пар) – жидкость, позволил установить, что к параметрам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, — пониженное давление, повышенная температура и введение в абсорбент добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.

Материальный баланс процесса абсорбции выражается дифференциальным уравнением

где G – поток газовой смеси (инертного газа), кмоль/с; L – поток абсорбента, кмоль/с; Y_н и Y_к – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в газовой фазе, кмоль/кмоль инертного газа; Х_к и Х_н – начальное и конечное содержание распределяемого вещества в абсорбенте, кмоль/кмоль абсорбента; М – количество распределяемого вещества, перенесенного из фазы G в фазу L в единицу времени, кмоль/с.

Из уравнения материального баланса (10.9) можно определить необходимый общий расход абсорбента

Процесс абсорбции характеризуется также степенью извлечения (поглощения), представляющей отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству, поглощаемому при полном его извлечении,

Кинетика процесса абсорбции характеризуется тремя основными стадиями, которые соответствуют схеме, представленной на рис. 9.4.

Первая стадия – перенос молекул абсорбируемого компонента из ядра потока газа (пара) к поверхности раздела фаз (поверхности жидкости).

Вторая стадия – диффундирование молекул абсорбируемого компонента через поверхностный слой жидкости (граница раздела фаз).

Третья стадия – переход молекул абсорбируемого вещества от поверхности раздела фаз в основную массу жидкости.

Кинетические закономерности абсорбции соответствуют общему уравнению массопередачи для двухфазных систем:

Экспериментально установлено, что вторая стадия процесса абсорбции идет с большей скоростью и не влияет на общую скорость процесса, ограниченную скоростью наиболее медленной стадии (первой или третьей).

Движущая сила процесса абсорбции для I и III стадий в уравнениях (10.5а) и (10.6а) может быть выражена через другие параметры:

В уравнениях (10.5б) и (10.6б) р – рабочее парциальное давление распределяемого газа в газовой смеси; р_равн – равновесное давление газа над абсорбентом, соответствующее рабочей концентрации в жидкости; С – рабочая объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости; С_равн – равновесная объемная мольная концентрация распределяемого газа в жидкости, соответствующая рабочему парциальному давлению его в газовой смеси.

При таком выражении движущей силы процесса абсорбции уравнение равновесной зависимости принимает вид

где Ψ – коэффициент пропорциональности, кмоль/(м 3 *Па).

Коэффициенты массопередачи выражаются для уравнений (10.5а) и (10.6а) в виде

для уравнений (10.5б) и (10.6б)

В уравнениях (10.7) и (10.8) β_у, β_р – коэффициенты массоотдачи от потока газа к поверхности контакта фаз; β_х, β_С — коэффициенты массоотдачи от поверхности контакта фаз к потоку жидкости.

Коэффициенты массоотдачи по газу и жидкости β_у и β_х могут быть определены из критериальных уравнений, имеющих вид:

для жидкой фазы Nu_{диф х} = f*(Re, Pr_{диф х}).

Величина коэффициента Ψ оказывает существенное влияние на кинетику процесса абсорбции. Если Ψ имеет высокие значения (высокая растворимость компонента – диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе), то 1/(β_c*Ψ)

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 7368 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Практическое занятие по расчёту абсорбцииСкачать

Абсорбция

Для поглощения NH3 водой; V = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас.%

Степень улавливания 96%. Темпера­тура 20° С.

Константа Генри 2070 мм рт. ст. = 0,276 МПа

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким по­глотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодей­ствия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физи­ческой абсорб­цией, а во втором случае – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.

В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горю­чих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т. д.

При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределя­е­мого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема га­зовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении тем­пературы процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика – основными уравнениями массопередачи.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности со­п­рикосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности аб­сорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.

В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.

Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насад­кой — твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличива­ется поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, ма­лое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распре­деление абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, ма­лая насып­ная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развива­ется потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в та­рельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарел­ками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на от­дель­ных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорбе­ры изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости про­изводится сверху, а газ движется снизу вверх.

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недос­татки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками – допол­нительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт меж­ду фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, рас­хо­де жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить от­вод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность кон­струкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны – наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при ра­боте с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от кор­розии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, на­садка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным пре­имуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных аб­сорбе­рах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало при­годны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидко­сти и при больших тепловыделениях.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер А с ситчатыми тарелками. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздуш­ная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очища­ется. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную ем­кость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Так как водный раствор аммиака при температуре 20 С° является корро­зионно активным веществом, то в качестве конструкционного матери­ала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до тем­пературы 600°С [4с59].

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АБСОРБЕРА

3.1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат.

Мольная концентрация NH3 в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

где МВ = 17 – мол. масса NH3;

МА = 29 – мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

Мсм = МB + (1–)МA = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

r0Н = Мсм/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м3,

при рабочих условиях: t = 20° C; Р = 0,1 МПа:

rН = rОНТ0Р/(ТР0) = 1,19×273/293 = 1,11 кг/м3.

3.2. Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:

GН = VrН = 1,39×1,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м3/с.

3.4. Расход распределяемого компонента и инертного вещества

Gркн = GНн = 1,54×0,12 = 0,185 кг/с,

Gин = GН(1 – н) = 1,54×0,88 = 1,355 кг/с.

3.5. Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = Gркн0,96 = 0,185×0,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

Gркк = Gркн – М = 0,185 – 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gн – М = 1,54– 0,178 = 1,362 кг/с.

3.6. Относительная концентрация аммиака на входе и выходе:

= Gркн / Gин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= Gркк / Gин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

3.7. Расход инертной фазы.

С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где Мвод = 18 – молярная масса воды,

= 2070 мм рт. ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH3

0,136 = 17×0,276 /<29×0,1[17/18 + ×(1 – 0,276/0,1)]>.

Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,005) и точку В ( = 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при мини­мальном расходе воды mmin:

mmin = tgamin = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3mmin = 1,3×1,90 = 2,47 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:

,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

Через точки А и С (; ) проводим действительную рабочую ли­нию процесса абсорбции.

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .

Расход воды на входе:

Lин = mGин = 2,47×1,355= 3,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

LK = Lин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5×(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА

4.1. Скорость газа в абсорбере

где ρж = 998 кг/м3 – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρг – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

yк = МВк/(МВк+МА) = 29×0,005/(29×0,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = МАу+(1 – у)МВ = 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

rг = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,83×273∙0,1/(22,4×293∙01) = 1,16 кг/м3.

w = 0,05(998/1,16)0,5 = 1,47 м/с

4.2. Диаметр абсорбера:

d =

где Gср – средний расход газовой фазы:

Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5×(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16)0,5 = 1,04 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

wг = 1,47(1,04/1,0)2 = 1,59 м/с.

4.4. Характеристика стандартной тарелки:

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м2;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м2;

Периметр слива, Lc – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

5. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ АБСОРБЕРА

5.1. Высота светлого слоя жидкости:

h0 = 0,787q0,2hпер0,56wгm[1 – 0,31exp(-0,11μx)]

где hпер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μх = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6hпер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/Lc = 0,0034/0,8 = 0,0043 м3/м∙с

Q = L/ρж = 3,436/998 = 0,0034 м3/с – объемный расход воды

h0 = 0,787∙0,00430,2∙0,040,56∙1,59-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м

5.2. Плотность орошения:

где Sк = 0,785d2 – площадь колонны;

U = 3,436/998∙0,785∙1,02 = 0,0044 м3/м2∙с

5.3. Газосодержание барботажного слоя:

где Fr – критери Фруда:

Fr = w2/gh0 = 1,592/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,90,5/(1+8,90,5) = 0,75

5.4. Вязкость газовой смеси:

Вязкость воздуха при 20° С

,

где m0 = 17,3×10-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент.

= 17,3×10-6×(273+124)/(293+124)×(293/273)3/2 = 18,3×10-6 Па×с

Вязкость аммиака при 20° С

где m0 = 9,18×10-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент

= 9,18×10-6×(273+626)/(293+626)×(293/273)3/2 = 9,98×10-6 Па×с

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / mсм = 17×0,099/9,98×10-6 + 29×0,901/18,3×10-6

откуда mг = 17,4×10-6 Па×с

5.5. Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,0×10-6×0,1(293/273)3/2/0,1 = 18,9×10-6 м2/с,

D0 = 17,0×10-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: Dж = 1,8×10-9 м2/с [1c. 540].

5.6. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

= 6,24∙105∙(1,8×10-9)0,5[0,0044/(1–0,75)]0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 0,013 м/с

βжf = 0,0013∙ρж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м2∙с.

5.7. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

= 6,24∙105∙(18,9×10-6)0,5(1,59/0,75)0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 14,98 м/с

βгf = 14,98∙ρг = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м2∙с.

5.8. Коэффициент массопередачи:

Kyf = 1/(1/βгf + m/βжf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м2∙с

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9. Движущая сила процесса массопередачи:

Δм = к = 0,005 кг/кг

Δб = н – рн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δср = (б – м)/ln(б/м) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг

5.10. Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/KyfΔcp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м2

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d2 = 0,1∙0,785∙1,02 = 0,0785 м2

где φ = 10% — доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11. Высота колонны:

где Нт = 0,5 м – расстояние между тарелками;

Z1 = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

Z2 = 2,8 м – высота кубового пространства.

Н = 0,5(32-1)+1,6+2,8 = 19,9 м

6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ

6.1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔРс = 1,5∙1,592∙1,16/2∙0,12 = 220 Па

6.2. Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ΔРσ = 4σ/dэ = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды;

dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя:

ΔРсл = ρжgh0 = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па

6.4. Полное сопротивление тарелки:

ΔРт = ΔРс+ΔРσ+ΔРсл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5. Полное сопротивление колонны:

ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7. Подбор газодувки и насоса для подачи воды.

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=1,67 м3/с, а ΔР = 20000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = Lин/ρж = 3,347/998 = 0,0034 м3/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,0055 м3/с и Н=25 м.

7. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

7.1 Толщина обечайки:

= 1,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м,

где sд = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение [3c 394],

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Ск = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки d = 8 мм.

7.2. Днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 8 мм.

Масса днища mд = 74,3 кг.

Объем днища Vд = 0,162 м3.

7.3. Фланцы.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:

7.4. Штуцера.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d1,2 = (3,436/0,785×1×998)0,5 = 0,066 м,

принимаем d1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d3,4 = (1,451/0,785×25×1,16)0,5 = 0,252 м,

принимаем d3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ , конструкция и размеры которых приводятся ниже:

📸 Видео

Рабочие линии Флегмовое числоСкачать

А - АбсорбцияСкачать

❄️Семинар 13. Расчет водяного абсорбера для очистки рабочего газа от двуокиси углеродаСкачать

Массообменные процессы. Часть 1. Уровень: начальныйСкачать

Работа 21. Изучение процесса абсорбцииСкачать

Запись лекции АбсорбцияСкачать

Процессы и аппараты. Материальный балансСкачать

АдсорберыСкачать

Основы массорепедачи. Первая лекцияСкачать

Перегонка и ректификацияСкачать

Расчетная работа "Тарельчатая ректификационная колонна"Скачать

Оценка флегмовых чисел ректификационной колонны (минимального и оптимального)Скачать

Ректификационная колонна принцип работыСкачать

Чирцов А.С. "Бессильные линии". Уравнения Максвелла. Электромагнитные волны. Оператор. Производная.Скачать

Уравнение Бернулли гидравликаСкачать

❄️Семинар 5. Расчет ректификационных колонн. Вывод формул и расчет методом Мак-Кеба и ТилеСкачать

Массообменные процессы. Часть 2. Уровень: начальныйСкачать

Лекция 2 МассопередачаСкачать