Проект абсорбционной установки непрерывного действия

, кг/с                        (1.1.2)

где  – расход инертной части газа, кг/с; – расход чистого поглотителя, кг/с;

, – начальная и конечная  концентрации газа C₃H₆O в поглотителе (П) , кг NH₃/ кг П;

,  – начальная и конечная  концентрации газа C₃H₆O в газе (Г), кг C₃H₆O / кг Г .

Выразим составы  фаз, нагрузки по газу и жидкости в  выбранной для расчёта размерности [1]:

,                                    (1.1.3)

,                                  (1.1.4)

.                                    (1.1.5)

где ρ_оу – средняя плотность газовой смеси при нормальных условиях.

 

 

 

 

 

Переводим объёмную концентрацию в массовую по формуле:

,                              (1.1.6)

где (об.) – концентрация ацетона на входе в колонну по

объёму, %; μ_i – масса киломоля i-го компонента смеси газа, кг.

Получим:

(9,5%).

Среднюю  плотность  газовой смеси определим по формуле:

,        (1.1.7)

где , – молярные массы ацетона и воздуха; , – средняя концентрация ацетона и воздуха в смеси.

,                                       (1.1.8)

где , – начальная и конечная концентрация ацетона.

.

,                                       (1.1.9)

_.

 кг/м³

 Концентрация раствора на входе:

 кг/м³

,                               (1.1.10)

 кг/м³

Подставив числа, получим:

 кг H₂S/ кг Г.

 кг H₂S/ кг Г.

 

 

 

Конечная концентрация сероводорода в воде обуславливает его расход (который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и десорбера), а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и её регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя [1]. Для производств расход поглотителя принимают в 1,5 раза больше минимального . В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию.

 

,        (1.1.11)

Отсюда

,                                        (1.1.12)

 

где – концентрация ацетона в жидкости, равновесная с газом начального состава.

Конечную концентрацию газа в поглотителе найдём из равновесной линии по зависимости

,                                          (1.1.13)

,                                                 (1.1.14)

где – коэффициент распределения, кг H₂O/кг воздуха;

 – молярная масса  воды;

 – коэффициент Генри, Па;

 – абсолютное давление газа, Па.

 МПа [3].

 

 

 

 

 

Подставим и получим:

0,246

,

(1.1.15)

Для произвольного сечения аппарата уравнение (1.1.11) может быть представлено в виде:

 

,

(1.1.16)

 

Уравнение характеризует связь между  текущими значениями концентраций сероводорода в газовой и жидкой фазах. Его называют уравнением рабочей линии процесса абсорбции:

,                                   (1.1.17)

Или:

,                                            (1.1.18)

Формула расхода инертного газа:

 

G=V(1-y_об)·(ρ_оу-у_н),                                   (1.1.19)

где ρ_оу – плотность ацетона при нормальных условиях, равная 0,79 кг/м³ [2]

Подставив числа получим:

G=1,5(1-0,05)·(0,79-0,096)=0,98 кг/с.

Из  уравнения материального баланса  находим массу вещества, передаваемого  через поверхность массопередачи  в единицу времени:

,                                           (1.1. 20)

  кг/с

 

Из правой части уравнения материального  баланса найдём расход

 

абсорбента:

L_min=M/(- ),                                           (1.1.21)

L_min=0,1/(0,001-0)=100 кг/с,

L=1,5· L_min=1,5·100=150 кг/с.

Из формулы 22 получим, X_к=

X_к= кг /кгМ.

Составляем функцию для построения рабочей линии:

 

= ,                                                  (1.1.22)

=

                                       (1.1.23)

По уравнениям (1.1.1.4) и (1.1.1.13) строим равновесную и рабочую линии  абсорбции (рис.1.1.1.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1..1

1 – равновесная линия, 2 – рабочая линия

Где Δ и Δ – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг /кг Г.

Находим по диаграмме: кмоль /кмоль.

 

 

 

 

 

 

1.1.2.  Расчёт скорости газа и диаметра колонны

 

  Ввиду того, что тип насадки в задании не указан, принимаем для расчётов керамические кольца Палля 60×60×6.

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлёбывание насадочных абсорберов,  м/с, можно рассчитать по уравнению:  

,          (1.1.2.1)

где – предельная фиктивная скорость газа, м/с; и   - плотность поглощающей воды и смеси воздуха с аммиаком, кг/м³; и - вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 25°С, Па·с;   и – коэффициенты, зависящие от типа насадки; и – расходы фаз, кг/с.

а = 96 м²/м³ – удельная поверхность насадки,

 – порозность насадки,

  – плотность газа в рабочих условиях,

  – плотность поглотителя в рабочих условиях,

  – вязкость поглотителя в рабочих условиях,

  – вязкость поглотителя в нормальных условиях,

А = -0,49; В = 1,04 – коэффициенты, зависящие  от типа насадки,

  – массовый расход поглотителя,

  – массовый расход газа.

 

 

 

 

Пересчитаем плотность  газа на условия в абсорбере:

,                                (1.1.2.2)

 кг/м³.

По правилу  аддитивности рассчитаем , :

,          (1.1.2.3)

,         (1.1.2.4)

т.к. Х_н=0, то                

 кг/м³,

 Па·с.

где и – плотность чистых ацетона и воды при 20°С, кг/м³;

 – вязкость жидкого  ацетона, Па·с.

Предельную  скорость находим из уравнения (2.18), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

=.

Решая это  уравнение, получим  м/с.

Выбор рабочей  скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путём технико-экономического расчёта для каждого конкретного процесса. Обычно рабочую скорость принимают равной 0,75–0,9 от предельной, т.о. м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения  расхода:

,                                        (1.1.2.5)

где — объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с.

 

Отсюда:

 м.

Выбираем  стандартный диаметр обечайки абсорбера м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

,                              (1.1.2.6)

 м/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.3. Расчёт движущей силы  массопередачи

 

Движушая  сила может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и  газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между  составами фаз. принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

,                                     (1.1.3.1)

где и – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг /кг воздуха.

В данном примере:

,                                 (1.1.3.2)

,                                   (1.1.3.3)

где и – концентрации ацетона в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 2.1):

 кг /кг воздуха,

 кг /кг воздуха,

кг  /кг воздуха.

Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках  в абсорбере.

 

Рис. 1.1.3.1

 

1.1.4. Расчет коэффициента массопередачи

 

Для расчёта коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса – нагрузками по пару и  жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках  жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному  оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надёжности и т.д.

В промышленности особое значение при выборе насадки  имеют следующие факторы: малое  гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при  сильно изменяющихся нагрузках по газу, возможность быстро и дешево удалять  с поверхности насадки отлагающийся шлам и т. д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральные насадки.

В рассматриваемом  примере выберем насадку –  керамические кольца Палля, размером 60×60×6 мм. Удельная поверхность насадки a = 96 м²/м³, свободный объем ε = 0,79 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,033 м, насыпная плотность = 520 кг/м³.

 

   Для колонн с  неупорядоченной насадкой коэффициент  массоотдачи можно найти из уравнения

                                   ,                (1.1.4.1)

где   диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

    Отсюда  (в м/с) равен:

                                    (1.1.4.2)            

где – средний коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/с; – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;– диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы; – вязкость газа, [6]; – высота элемента насадки, м.

                                       (1.1.4.3)

где – мольные объёмы и газа в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³/моль; – мольные массы соответственно и газа, кг/моль.

    Подставив, получим:

                      

                       

                      

  кг/м²с              

    Коэффициент массоотдачи  в жидкой фазе  находят из обобщённого уравнения, пригодного как для неупорядоченных насадок, так и для других[1,3].

 

                                  ,                         (1.1.4.4)

где – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы. Отсюда ,(в м /с) равен:

                                   ,                   (1.1.4.5)

где – средний коэффициент диффузии  C₃H₆O м²/с; – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м; – модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; – диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

      Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

                                     ,                                       (1.1.4.6)

где – площадь поперечного сечения абсорбера, м².

     Подставив  численные значения, получим:

                                  м³/(м²с).

    При недостаточной  плотности орошения и неправильной  организации подачи жидкости [3] поверхность  насадки может быть смочена  не полностью. Но даже часть  смоченной поверхности практически  не участвует в процессе массопередачи  ввиду наличия застойных зон  жидкости (особенно в абсорберах  с нерегулярной насадкой) или  неравномерно распределён газ по сечению колонны.