Установка абсорбционная.Основные условные обозначения.

G- расход газа, кг/с

L- расход поглотителя, кг/с

x, X- концентрация поглощаемого компонента в жидкости соответственно в массовых долях и относительных мольных концентрациях

y,Y- концентрация извлекаемого компонента в газовой фазе соответственно в массовых долях и относительно мольных концентрациях

e- степень извлечения компонента из газовой фазы

E-коэффициент Генри

Ho- коэффициент распределения

P, p- давление, Па

f- удельная поверхность насадки м²/м³

D- коэффициент диффузии, м²/с

D, d- диаметр, м

F- площадь поверхности массопередачи, м²

S- площадь сечения колонны, м²

g- ускорение свободного падения, м²/с

H, h- высота, м

K- коэффициентмассопередачи, кг/(м² с еддв, силы)

M- количество вещества, кг/с мольная масса, кг/моль

T, t- температура, С

U- плотность орошения, м³/(м² с)

ẞ- коэффициент массоотдачи

ω- скорость газа, м/с

Vc- свободный объём

ρ- плотность, кг/м³

µ- динамический коэффициент вязкости, Па˟ с

ό- поверхностное натяжение, Н/м

λ- коэффициент трения

ξ- коэффициент местного сопротивления

φ- коэффициент смачиваемости

ɩ- удельный расход поглотителся, кг/кг

Re- критерий Рейнольдса

Nu- диффузный критерий Нуссельта

Pr- диффузный критерий Прандля

Ar- критерий Архимеда

 

 

Задание на проектирование.

Рассчитать насадочный абсорбер для улавливания паров ацетона из газовой смеси водой.

Исходные данные:

1) Количество газовой смеси, поступающей на установку V= 16 м³/с.

2) Температура газовой смеси t= 200 ° С.

3) Начальная объёмная концентрация ацетона (СН₃СОСН₃) у_н= 10%

4) Степень извлечения Е= 96%

5) Начальная объёмная концентрация аммиака в воде ̅х̅ = 0 %

6) Степень насыщения воды аммиаком ƞ= 0,8

7) Начальная температура воды, поступающей в абсорбер t = 18 ° С

8) Начальная температура охлаждающей воды t= 12 ° С

9) Абсорбер работает под атмосферным давлением.

10) Рассчитать и подобрать насос для подачи воды в абсорбер, холодильник для охлаждения газовой смеси.

 

 

Материальный баланс.

͞х_н= Х(100-0)

͞х_н= 0/(100-0)= 0 кг/кг воды.

͞у_н= (М_к/М)*(у/(100-у))

͞у_н= (58/29)*(10/ 100-10)= 0,22 кг/кг воздуха

Концентрация ацетона в газовой смеси на выходе из абсорбера

Y_к= Y_н(1- ε)

Y_к= 0,22*(1-0,96)= 0,0088 кг/кг воздуха

Y^*= 58/29 *(р^*/ 1,013* 10⁵- р^*)= 0,588р^*/ 1,013*10⁵- р^*

Р_н= 1,013* 10⁵ *0,10= 0,1013*10⁵

Конечная рабочая концентрация

X_к= η * х

X_к= 0,44 * 0,8= 0,352 кг/кг воды

Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку из колонны синтеза, перед подачей в колонну охлаждается в холодильнике до t= 20 С. В этом случае объём газовой смеси, поступающей в абсорбер равен:

V_г= V * T/(t +273)

V_г= 16 * 293/ (200+273)= 9,9 м³/с

Количество ацетона, поступающего в колонну:

G_с6н6о= V₁ * Y_н * p

G_с6н6о= 9, 9 * 0, 10 * 0,792= 0,78 м/с

Количество воздуха, поступающего в колонну:

G= V_г* p * 0, 9

G= 9,9 * 1,2 * 0,9= 10,692 кг/с

Где 1,2 плотность воздуха при 20 С кг/м³

Плотность газа, поступающего в колонну:

ρ= (G_с6н6о + G) / V_г

ρ= (0,92+ 10,692) / 9,9= 1,17 кг/м³

Количество поглощенного ацетона:

G'_с6н6о=(G_с6н6о * ε)

G'_с6н6о= 0,92 * 0,96 =0,8832 кг/с

Расход воды в абсорбере:

L= G_с6н6о /(Х_к – Х_н)

L= 0,8832/ 0,352= 2,5 кг/с (0,0025 м³/с)

 

 

Технологический расчёт.

Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 50 ˣ 50 ˣ 5 мм.

Характеристика насадки: удельная поверхность 110 м²/м³, свободный объём 0,735м³/м³, эквивалентный диаметр 0,027 м.

Lg[(ω² * 110 * 1,14)/(9,81 * 0,735³ * 1000) * 1^0,16]= 0,22- 1,75(2,5/11,612)^0,25 * (1,17/1000)^0,125

ω= 0,97 м/с

ω= 0,97 * 0,8= 0,776 м/с

Диаметр колонны:

D= [4 * V_г/(π * ωρ)]^0,5

D= [4 * 9,9 /(3,14 * 0,776)]^0,5= 4,03 м

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны D= 2 м.

Плотность орошения колонны:

U= (L * t)/ ρ_ж * D²* 0,785

U= 2,5 * 3600 / 1000 * 2² * 0,785= 2,866 м³/(м²ч).

Оптимальная плотность орошения:

U_опт= 0,158 * 110= 17,38 м³/(м²ч).

U/U_опт= 2,866/17,38= 0,16

Поверхность насадки смочена не полностью. Для увеличения U и снижения U_опт выбираем насадку 80 ˟ 80 ˟ 8 мм. Удельная поверхность 80м²/м³ свободный объём 0,72 м³/м³

d_экв= 0,036 масса 1 м³= 670 кг

Lg[(80 * 1,17) / (9,81 * 0,72 * 1000) * 1^0,16]= 0,159

Откуда ω²= 2,014 м/с.

ω= 2,014 * 0,8= 1,61 м/с.

Диаметр колонны:

D= [4 * 9,9 / 3,14 * 1,61]^0,5= 2,79 м.

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны D= 2 м.

U= 2,866 м³/(м²ч).

U_опт= 0,158 * 80= 12,64 м³/(м²ч).

U/U_опт= 2,866 / 12,64= 0,22

Теплотехнический расчёт.

Принимаем расстояние от слоя насадки до крышки абсорбера h₁= 1,2 м, расстояние от насадки до днища абсорбера 2,7 м.

Движущая сила внизу абсорбера на входе газа:

∆Y_Ϭ= Y_н – Y_Хк

∆Y_Ϭ= 0,22 – 0,0088= 0,2112кг/кг воздуха.

Движущая сила вверху абсорбера на выходе газа:

∆Y_м= Y_к - Y_Хн

∆Y_м= 0,0088 - 0= 0,0088

∆Y_Ϭ /∆Y_м= 0,2112/ 0,0088= 24>2

Среднюю движущую силу определим по формуле:

∆Y_ср=(∆Y_Ϭ - ∆Y_м )/ 2,303 lg(∆Y_Ϭ /∆Y_м)

∆Y_ср= 0,2112 – 0,0088 = 0,2024 = 0,0638 кг/кг воздуха.

2,3 lg24 2,3lg24

 

Коэффициент массопередачиоапределяется по формуле:

1/ К_у= 1/ β_у + m/ β_х

1/ 0,025= 1/0,051 + m/ 0,049

m= 0,996

Для определения коэффициентов массоотдачи необходимо рассчитать ряд величин.

Мольная масса газовой фазы:

М_г= У_н * М + 0,90 * М

М_г= 0,10 * 58 + 0,90 * 29= 31,9 кг/моль

Где 58 и 29 мольная масса ацетона в воздухе соответственно кг/моль

Вязкость газовой фазы:

М_г / μ_г = Y_н * М_со / μ_со + 0,90 * М / μ

31,9 = 0,10 * 58 + 0,90 * 29

μ 0,322 * 10^-3 0,018 * 10^-3 = 0,019 * 10^-3 Па с.

 

Коэффициент диффузии С₃Н₆О в воздухе при t= 20 ° С определяется по уравнению:

 

D_г= D_о(0,1/ 0,1) * [(273 + 20)/ 273)]^3/2

Где D_о= 0,078 * 10^-4 м/с коэффициент диффузии ацетона в воздухе при 0 ° С и 0,1 МПа

 

D_г= 1,8 * 10^-4 м²/с.

 

Критерий Рейнольдса

 

Re_г= 4 * W_г/(f * μ_г)

Re_г= 4 * 2 * 1,17 = 9,36

80 * 0,019 * 10^-3 0,00152 = 6158

Критерий Прандтля:

Pr_г= μ_г/ (ρ_г * D_г)

Pr_г= 0,19 * 10^-3/ (1,17 * 1,8 * 10^-4)= 0,9 м/с

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок определяется по формуле:

β_г= С * (D_г / d_э) * Re_г^0,655(Pr)^0,33

1,8 * 10^-4

β_г =0,407 * 0,036 * 6158^0,655 * 0,9^0,33= 0,03534

Выразим в выбранной для расчета размерности:

β_г = 0,035 * 1,18= 0,041 кг/(м²с)

Для определения коэффициента массотдачи в жидкой фазе рассчитаем следующие величины:

Приведённая толщина стекающей плёнки жидкости δ_пр

δ_пр= [(μ_ж/ gр_ж)]^0,33

δ_пр= [1 * 10^-3 / (1000² * 9,81)]^0,33= 0,47 * 10^-4 м.

Модифицированный критерий Рейнольдсадля стекающей по насадке жидкости:

Re_ж= 4 * W_ж / (f * μ_ж)

Re_ж= 4 * 0,00407 * 1000 / (80 * 1 * 10^-3)= 203,5

Диффузный критерий Прандля для жидкости: μ

Pr'_ж= μ_ж / ρ_ж * D_ж

Pr'_ж= 1 * 10^-3 / (1000 * 0,0012 * 10^-6)= 833,33

Коэффициент диффузии ацетона в воде D_ж= 0,0012 * 10^-6 м²/ с.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находится из уравнения:

β_ж= А * (D_ж /δ_пр) * Re_ж^m* (Pr_ж)

β_ж= 0,0021 * (0,0012 * 10^-6 / 0,47 * 10^-4) = 0,09648 * 10^-4 м/с

 

 

Выразим β_ж в выбранной для расчёта размерности:

β_ж= 0,09648 * 10^-4 *ρ_ж

β_ж= 0,09648 * 10^-4 * 1000= 0,096 кг/(м²с)

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе по уравнению:

К_у= 1/ (1/ β_г + 1/ β_ж)

К_у= 1/(1/ 0,041 + 1/ 0,096)= 0,0287 кг/(м²с)

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере по уравнению равна:

F= 0,218 / (К_у * ∆Y_ср)

F= 0,218 / (0,0287 * 0,0638)= 119 м²

Высоту насадки требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи рассчитываем по формуле:

Н= F / (f * S * φ)

Н= 1191 / (80 * 6,1544 * 1) = 0,25 м.

Для определения высоты единицы переноса определяем:

1) Высоту единицы переноса для газовой фазы:

h₁=(a * V_c) / (f *φ) * Re_г^0,25 * (Pr_г)^0,67

h₁= (8,13 * 0,72) / (1 *80) * 6158^0,25 * 0,9^0,67= 0,577

2) Высоту единицы переноса для жидкой фазы:

h₂ = 119 * δ_пр*Re_ж^0,25 * (Pr_ж)^0,5

h₂ = 119 * 0,47 * 10^-4 * 203,5^0,25 * 833^0,5= 0,61 м

3) Удельный расход поглотителя:

L= L/ G= 2,5 / 10,692= 0,23 кг/кг

4) Средний наклон линий равновесий:

k = (͞у₁ – ͞у₂) / (X_к – Х_н)

k =(0,0088 – 0) / (0,352- 0)= 0,025

Высота единицы переноса:

h = h₁ + (k /1)

h = 0,57 + (0,025 / 2,2)= 0,68 м.

Высота насадки:

Н= 4 * h

H= 4 * 0,68= 2,72 м.

С запасом 25% принимаем:

Н= 1,25 * 2,72 = 3,4 м.