Расчет насадочного абсорбера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет насадочного абсорбера

Введение

Поскольку основной целью расчета является определение высоты и диаметра абсорбера, то необходимо определить скорости фаз и поверхность массопередачи.

Поверхность массопередачи определим из основного уравнения массопередачи:

(1)

где М - масса поглощаемого в-ва, кг/с;

Кх, Ку - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг(м2с);

- движущая сила абсорбции, выражаемая соответственно в единицах концентраций жидкой и газовой фаз.

В расчетах будем использовать концентрации, выраженные в относительных единицах .

Использование относительных концентраций распределяемого компонента позволяет минимизировать уравнение равновесных концентраций и значительно упростить расчеты.

Нагрузки по фазам соответственно будем выражать в массовых расходах носителей, кг/с.

Для решения уравнения (1) определим М, и

1. Определение расхода поглотителя и массы поглощаемого вещества

Массу аммиака (NH3), переходящих в процессе абсорбции из газовой смеси (Г) в поглотитель (вода) за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

(2)

где L,G - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с, - начальная и конечная концентрация жидкости кг/кг; - начальная и конечная концентрации газа, кг/кг.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности

(3)

где - плотность аммиака при нормальных условиях, [1] По уравнению (3) получим:

Для выполнения дальнейших расчетов построим линии равновесных и рабочих концентраций рассматриваемого процесса абсорбции.

Уравнение линии равновесных концентраций имеет вид:

(4)

где - относительная концентрация БУ в жидкой фазе М, кмоль/кмоль М; - равновесная соответствующая значению концентрация NH3 в газе (Г), кг/кг; m - коэффициент распределения, кг/кг (тангенс угла наклона линии равновесия) m = 2 [1].

Задаваясь значениями от 0 до 0.05 по уравнению (4) рассчитаем соответствующие им значения равновесных концентраций . Результаты расчета сведем в таблицу 1

Таблица 1. Равновесные составы системы аммиак-вода:

По данным таблицы 1 на - диаграмме [4] строим линию равновесия -прямая 1.

Для построения линии рабочих концентраций АВ - прямая 2 определим конечную концентрацию NH3 в поглотительной жидкости , которая обуславливает его расход и влияет на размеры и гидравлическое сопротивление абсорбера.

Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя, который для химических производств в 1,15 раза больше минимального . [1,4].

Из уравнения материального баланса

(5)

где - концентрация NH3 в жидкости, равновесная с газом начального состава. По рисунку 1

По уравнению

Из уравнения (5) расход воды (поглотителя) равен:

Удельный расход поглотителя (на 1 кг инертной части газа)

2. Определение движущей силы процесса

Движущей силой процесса абсорбции является степень отклонения системы от состояния равновесия. Следовательно, в каждой точке по высоте абсорбера она может быть рассчитана как разность между рабочей и соответствующей ей равновесной концентрациями. Поскольку движущая сила по высоте абсорбера меняется, то для расчета её среднего значения необходимо определить движущие силы по концам абсорбера (внизу и сверху).

Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз определим движущую силу в единицах концентрации газовой фазы [1]:

(6)

где - большая движущая сила; - меньшая движущая сила.

Значения равновесных концентраций, соответствующих начальной концентраций NH3 в газе - и конечной концентрации NH3 в газе - , определим по рисунку 1: , .

Тогда движущие силы по концам абсорбера:

По формуле (6) средняя движущая сила:

3. Расчет коэффициента массопередачи

абсорбер массопередача поглотитель газовый

Коэффициент массопередачи Ку зависит от коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе вх и газовой фазе ву и связан с ними уравнением:

(7)

Единицы измерения Ку, вх, ву - кг/(м2с).

Коэффициенты массоотдачи имеют одинаковую размерность с коэффициентом массопередачи, хотя физический смысл их другой: коэффициенты массоотдачи вх (в фазе Фх) и ву (в фазе Фу) показывают, какое количество вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе равной единице.

Выбираем керамические кольца Рашига размером 50х50х5 м. Удельная поверхность насадки, а = 90 м3/м3, эквивалентный диаметр dэ = 0,035 м, свободный объем (порозность) , насыпная плотность .

3.1 Расчет коэффициента массоотдачи в газовой фазе

Для выбранной деревянной хордовой насадки (регулярная насадка) коэффициент массоотдачи в газовой фазе ву находят из уравнения [2-3].

(8)

(9)

По формуле (9) коэффициент диффузии в газе:

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке характеризует режим движения газа в каналах насадки (зернистого слоя) и рассчитывается по формуле:

(10)

Средняя плотность аммиака при нормальных условиях [4]. Пересчитаем плотность газа на условиях в абсорбере по формуле:

(11)

где То = 273оК - абсолютная температура; - абсолютное давление;t = 19оС, - температура и давление в абсорбере.

По формуле (11)

Вязкость аммиака при температуре t = 19оС [4]:

Рабочую скорость газа в колонне примем равной , где - предельная скорость газа в колонне, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов.

Предельную скорость газа можно рассчитать по уравнению [1]

(12)

где - вязкость поглотителя при температуре в абсорбере и газа при 19оС соответственно: при t = 19оС , при t = 19оС ; L и G - расходы жидкой и газовой фаз, кг/с; L/G = l =1,29 кг/кг; А,В - коэффициенты, зависящие от типа насадки:

А = -0,073, В = 1.75[1]. - плотность газа при условиях в абсорбере; - плотность жидкости при условиях в абсорбере.

С учетом вышеперечисленного уравнение (12) примет вид:

или

Отсюда

По формуле (10)

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы рассчитывается по уравнению

 (13)

где - динамическая вязкость, плотность и коэффициент диффузии по газовой фазе, соответственно: .

По уравнению (13)

Коэффициент массоотдачи в газовой сфере по формуле (8)

Выразим в выбранной для расчета размерности по формуле

(14)

где - плотность газа при условиях в абсорбере; - средняя концентрация NH3 в газе.

По формуле (14)

3.2 Расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят из общего уравнения

(15)

где - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Из уравнения (15) коэффициент массоотдачи в жидкой фазе равен:

(16)

где Dх - средний коэффициент диффузии NH3 в воде, м2/с; - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м; - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Для расчета коэффициента диффузии в разбавленных растворах рекомендуется уравнение[4]:

(17)

где - параметр, учитывающий ассоциацию молекул; Т=292 К - температура; М=18 кг/кмоль - молярная масса воды; =96 см3/моль - молярный объем NH3; - вязкость воды при условиях в абсорбере.

По уравнению (17)

Приведенную толщину стекающей пленки жидкости рассчитывают по формуле [4]

(18)

где - динамическая вязкость воды при условиях в абсорбере; - плотность воды при условиях в абсорбере [8]; g = 9.81 м/с2 - ускорение силы тяжести.

По формуле (18)

Диффузионный критерий Прандтля рассчитывают по уравнению

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости определяют по формуле:

 (19)

где -плотность и вязкость воды при условиях в абсорбере, кг/м3 и Па с; а - удельная поверхность насадки, м2/м3, - плотность орошения, м3/м2с.

Плотность орошения рассчитывают по уравнению:

(20)

где L = 3,96 кг/с - расход воды; - плотность жидкости; S - площадь сечения абсорбера диаметром 1,6 м.

По уравнению (20):

Тогда по уравнению (19):

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе по уравнению (16):

Выразим в выбранной для расчета размерности:

По уравнению (7) определяем коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

4. Расчет диаметра абсорбера

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

(21)

где V- объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/с; - рабочая скорость газа в абсорбере, м/с.

Объемный расход газа при условиях в абсорбере:

По уравнению (21):

Из нормального ряда диаметров колоны для химической нефтеперерабатывающей промышленности [4] выбираем ближайший диаметр колонны D = 1,6 м. При этом действительная скорость газа в колонне:

5. Расчет высоты абсорбера

По уравнению (1) поверхность массопередачи в абсорбере:

Высота насадки, необходимая в абсорбере для создания этой поверхности массопередачи:

где - доля активной поверхности насадки (принимаем предварительно)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой zH определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера zВ зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны)

По [5] примем эти расстояния равными соответственно 1,4 и 2,5 м. Тогда общая высота одного абсорбера:

Список использованных источников

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты ХТ: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерский, 2-е изд., пераб. и дополн. М.: Химия, 1991-496с:

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты ХТ. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973-750с.

3. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия, 1978-277с.

4. Павлов К.Ф. Романков П.Г., Носков А.А. Процессы и аппараты по курсу процессов и аппаратов ХТ Л. Химия, 1976-552с.

5. Лощинский А.А., Толчинский А.Р. Основы расчета и конструирования химической аппаратуры. Справочник. Л.: Машиностроение, 1970-752с.

6. Колонные аппараты. Каталог. М.: Цинтихимнефтемаш, 1978-31с

Размещено на Allbest.ru