Расчет насадочного абсорбера

Задание на проектирование:

Рассчитать абсорбер для улавливания паров аммиака из воздуха водой при следующих условиях:

1) Расход исходной смеси: 7200 м3 /ч = 2,0 м3/с;

2) Содержание аммиака

на входе в абсорбер ун = 9,0 % об;

на выходе из абсорбера ук = 0,9 % об;

3) Температура процесса 20 0С;

3) Давление в колонне Р = 1,0 атм. = 0,1 МПа;

4) Тип насадки – кольца Рашига.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

где М – масса поглощаемого вещества, кг/с;

      Кх, Ку – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг / (м2·с);

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет массы  поглощаемого вещества и расход  поглотителя

Уравнение материального баланса:

 

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.

Пересчитаем объемные концентрации в массовые. Пересчитаем объем парогазовой смеси для нормальных условий.

Принимаем плотность парогазовой смеси, равной плотности воздуха ρ0у = 1,29 кг/м3.

 

 

 

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

 

 

 

Из уравнения материального баланса

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

Расход воздуха:

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

Расход воды (масла) равен:

Удельный расход поглотителя:

Рисунок 1- Зависимость между содержанием паров аммиака в воздухе

и в воде при 200 С.

 

2. Расчет движущей  силы массопередачи

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]:

 

где большая движущая сила; - меньшая движущая сила.

Значения равновесных концентраций, соответствующих начальной концентраций двуокиси серы в воздухе и конечной концентрации двуокиси серы в воздухе определим по рисунку 1:

Тогда движущие силы по концам абсорбера:

Средняя движущая сила:

 
3. Расчет коэффициента  массопередачи

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

Единицы измерения Ку, βх, βу – кг / (м2с).

Выбираем керамические кольца Рашига размером 50×50×5 м. Удельная поверхность насадки, а = 110 м2/м3, эквивалентный диаметр dэ = 0,027 м, свободный объем (порозность) ε = 0,735 м3/м3, насыпная плотность ρ = 650 кг/м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет скорости воздуха и диаметра абсорбера

Предельную скорость воздуха, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов рассчитаем по формуле:

где ωпр – предельная фиктивная скорость газа, м/с;

       μх, μв – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 200С, Па·с;

       А, В  – коэффициенты, зависящие от  типа насадки;

       L, G – расходы фаз, кг/с.

А = -0,073; В = 1,75.

Пересчитаем плотность воздуха на условия в абсорбере:

Решая это уравнение получаем: ωпр = 14,1 м/с.

Рабочую скорость принимаем равной:

ω = 0,4 ωпр = 0,4·14,1 = 5,64 м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

где V- объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/с;

      ω - рабочая скорость газа в абсорбере, м/с.

 

Из нормального ряда диаметров колоны для химической промышленности выбираем ближайший диаметр колонны D = 0,4 м. При этом действительная скорость газа в колонне:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет плотности  орошения и активной поверхности  насадки

Плотность орошения рассчитывают по формуле:

U = L / (ρxS),

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м2

U = 1,67 / (1000·0,785·0,42) = 0,0133 м3 / (м2с).

Минимальная эффективная плотность орошения рассчитывается по формуле:

Umin = αqэф,

где qэф – эффективная линейная плотность орошения, м2/с.

qэф = 0,022·10-3 м2/с.

Umin = 110·0,022·10-3 = 0,00242.

Доля активной поверхности насадки рассчитывается по формуле:

 

Можно сделать вывод о том, что вся смоченная поверхность является активной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет коэффициентов массоотдачи

Для выбранной насадки керамические кольца Рашига (регулярная насадка) коэффициент массоотдачи в газовой фазе βу находят из уравнения:

Коэффициент диффузии в газе:

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

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы рассчитывается по уравнению:

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

Коэффициент массоотдачи в газовой сфере по формуле (8)

Выразим в выбранной для расчета размерности по формуле

- средняя концентрация  бензола в воздухе.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят из общего уравнения

где - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе равен:

 

где Dх – средний коэффициент диффузии двуокиси серы в воде, м2/с;

    – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

    Rex - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

    Prx - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Для расчета коэффициента диффузии в разбавленных растворах рекомендуется уравнение:

где β = 2,6 - параметр, учитывающий ассоциацию молекул;

      Т=293 К – температура; М=18 кг/кмоль – молярная масса воды;

    υБ =22,04 см3/моль – молярный объем паров аммиака;

     μх = 1,0020 мПа·с - вязкость воды при условиях в абсорбере.

 

Приведенную толщину стекающей пленки жидкости рассчитывают по формуле:

Диффузионный критерий Прандтля рассчитывают по уравнению:

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

Плотность орошения рассчитывают по уравнению:

где L = 1,67 кг/с – расход воды; ρх = 1000 кг/ м3 - плотность жидкости;

S – площадь сечения абсорбера диаметром 0,4 м.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе :

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Определяем коэффициент массопередачи в газовой фазе:

7. Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере рассчитывается по формуле:

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).

Примем эти расстояния равными соответственно 1,4 и 2,5 м. Тогда общая высота одного абсорбера:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

Величину гидравлического сопротивления рассчитывают по формуле:

 

где ΔРс – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;

       U – плотность орошения, м3 / (м2·с);

        b – коэффициент для колец Рашига b = 173.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки:

 

где λ – коэффициент сопротивления.

Расчет коэффициента сопротивления:

 

где λтр – коэффициент сопротивления трению;

      ξ – коэффициент  местного сопротивления:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

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 доп. 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.