Пример расчета задач 31-40.
Рассчитать высоту насадки H насадочного абсорбера для поглощения абсорбтива водой из воздуха при t = 20˚C и Р = 760 мм. рт. ст. от ун =1,0 (моль.%) до ук =0,01 (моль.%). Расход инертной части газовой смеси при нормальных условиях . Начальная концентрация абсорбтива в воде Хн = 0. Принять расход воды L = 1,5·Lmin; рабочую скорость газа в аппарате равной 80 % от скорости захлебывания.
В рассматриваемом примере в качестве насадки используются кольца Палля (стальные неупорядоченные). Возьмем наиболее используемые кольца Палля с размером . Насадка из таких колец имеет следующие характеристики: =235 м2/м3; =0,9 м3/м3; dэ=0,015м. Доля активной поверхности насадки φ = 0,95.
Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.
Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи :
, (3.1)
где: М– количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, кг/с; , - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2с); - средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно, кг/кг.
Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя.
Обозначим: А- абсорбтив, В – инертный газ, С – абсорбент. - начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе; - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе; - начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе; - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе.
Массу переходящих из газовой смеси в поглотитель этанола М можно найти из уравнения материального баланса
, (3.2)
где , - расходы, соответственно, чистого поглотителя (воды) и инертной части газа (воздуха), кг/с; - начальная и конечная относительные массовые концентрации этанола в воде, кг этанола/кг воды; - начальная и конечная относительные массовые концентрации этанола в воздухе, кг этанола/кг воздуха.
Пересчитаем мольные концентрации в относительные массовые концентрации по формуле:
, (3.3)
где y - концентрация, выраженная в мольных процентах; мольные массы абсорбтива и инертного газа)
; ;
Исходная концентрация этанола в воде .
Уравнение равновесной линии в относительных массовых концентрациях:
, (3.4)
где - коэффициент распределения ;
, (3.5)
- для смеси этанол-вода.
Определим Lmin - минимальный расход абсорбента из уравнения :
. (3.6)
где - массовый расход инертного газа (воздуха):
, (3.7)
- плотность инертного газа (воздуха) при условиях в абсорбере; - объемный расход инертного газа (воздуха) при условиях в абсорбере:
( t= 200С ; Р= 760 мм.рт.ст = 0,1МПа).
Приведем объемный расход воздуха к условиям в абсорбере :
(3.8)
где - объемный расход воздуха, м3/с; (по заданию); ;
Пересчитаем плотность инертного газа (воздуха) на условия в абсорбере:
, (3.9)
где - плотность воздуха при нормальных условиях (00С, 760 мм.рт.ст =0,1МПа); - температура в абсорбере ,0С, - нормальное давление (760 мм рт. ст.=0,1 МПа); - давление в абсорбере, МПа; 1.293 кг/м3- плотность воздуха при нормальных условиях /7/; ; ; ; ;
Определим массовый расход воздуха по формуле (3.7):
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту в соответствии с (3.2)
.
Определим .
Определим - минимальный расход абсорбента из уравнения
Рис.46. Равновесная (1) и рабочая (2) линии процесса абсорбции;
АС- рабочая линия при .
Расход абсорбента (воды) принимаем из условия /28/: .
Конечную относительную массовую концентрацию определяем из уравнения материального баланса:
, (3.10)
Откуда конечная концентрация :
, (3.11)
где - относительная массовая концентрация этанола в жидкой фазе (воде), равновесная с концентрацией этанола в газе; - начальная относительная массовая концентрация этанола в воде;
Соотношение расходов фаз или удельный расход поглотителя равен:
Расчет движущей силы процесса. В насадочных абсорберах жидкая и газовая фаза движутся противотоком. Движущую силу процесса определяем по уравнению /28/:
, (3.12)
где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг /кг.
Значение найдем по уравнению равновесной линии:
Движущая сила абсорбции внизу колонны:
Движущая сила наверху колонны:
Средняя движущая сила процесса абсорбции:
Расчет скорости газа и диаметра абсорбера.Определим скорость в точке захлебывания или предельную скорость газа в насадочном абсорбере:
, (3.13)
где - скорость газа в точке захлебывания, м/с; - удельная поверхность насадки, м2/м3; - доля свободного объема, м3/м3; - плотность газа и жидкости соответственно, кг/м3; - вязкость жидкости, мПа.с; - коэффициенты, зависящие от типа насадки; - расход жидкости и газа соответственно, кг/с.
В рассматриваемом примере в качестве насадки используются кольца Палля (стальные неупорядоченные).
Возьмем наиболее используемые кольца Палля с размером . Насадка из таких колец имеет следующие характеристики: =235 м2/м3; =0,9 м3/м3; dэ=0,015м.
=1,205 кг/м3; =998 кг/м3 ; =1,0 мПа·с; А=0,022; В=1,75 /7/.
Откуда м/с.
Рабочая скорость газа в насадочном абсорбере: . м/с.
Диаметр абсорбера находим по уравнению объемного расхода:
м. , (3.14)
где - объемный расход воздуха при условиях в абсорбере, м3/с.
Принимаем стандартный диаметр абсорбера 1,8 м
Расчет коэффициентов массоотдачи и коэффициента массопередачи. Коэффициент массопередачи Кy находим по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений.:
, (3.15)
где и - коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах соответственно, кг/м2.с; - коэффициент распределения.
Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи определим из уравнения:
, (3.16)
где - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы; - критерий Рейнольдса для газовой фазы; - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
Тогда, учитывая, что , находим :
, (3.17)
где - коэффициент диффузии этанола в газовой фазе (воздухе), м2/сек; - эквивалентный диаметр насадки, м; - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
Определим критерий Рейнольдса :
, (3.18)
Приведем к условиям в абсорбере:
.
Определим критерий Прандтля:
(3.19)
Для этого приведем к условиям в абсорбере:
, (3.20)
где - коэффициент диффузии этанола в газовой фазе при 00С, м2/с;
Определим критерий Прандтля:
Определим коэффициент массоотдачи в газовой фазе по формуле (3.17):
Выразим в выбранной для расчета размерности:
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определим из уравнения :
, (3.21)
где - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы; - критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; - диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы.
Учитывая, что , находим :
, (3.22)
где - коэффициент диффузии этанола в жидкой фазе (воде), м2/сек; - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м; - критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; - диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы.
Определим критерий Рейнольдса:
, (3.23)
где - плотность орошения, м/с; - плотность жидкости, кг/м3; - удельная поверхность насадки, м2/м3; - вязкость жидкости, Па.с.
Плотность орошения найдем по формуле :
, (3.24)
где - массовый расход поглотителя (воды), кг/с; - плотность жидкости, кг/м3; - площадь поперечного сечения абсорбера, м2.
,
.
Приведенную толщину стекающей пленки жидкости определим по формуле :
(3.25)
.
Критерий Прандтля определим по формуле:
, (3.26)
Коэффициент диффузии этанола в воде определим по формуле:
, (3.27)
где - параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя; / /; - молекулярная масса растворителя (воды); - температура процесса абсорбции, К; - вязкость воды, мПа.с; - молекулярный объем этанола.
;
.
Определим критерий Прандтля по формуле (3.26):
.
Определим критерий массоотдачи в жидкой фазе по формуле (3.22):
.
Выразим в выбранной для расчета размерности:
.
Найдем коэффициент массопередачи по газовой фазе по формуле (3.15):
Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера.В соответствии с основным уравнением массопередачи поверхность массопередачи в абсорбере можно определить по формуле:
, (3.28)
где - производительность абсорбера по поглощаемому компоненту, кг/с; - коэффициент массопередачи по газовой фазе, кг/м2.с; - средняя движущая сила процесса абсорбции, кг /кг.
Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле :
Определим высоту слоя насадки
,
где - удельная поверхность насадки, - площадь поперечного сечения колонны.
,
Дата добавления: 2015-06-17; просмотров: 5753;