Расчет насадочного абсорбера
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Северский
технологический институт - филиал федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Национальный
исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Кафедра МАХП
КурсоваЯ рАбота:
РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА
Северск -
2012
Введение
Абсорбцией называется процесс поглощения газа
или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс - выделение
поглощенного газа из поглотителя называется десорбцией.
В промышленности адсорбция с последующей
десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных
компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей,
для санитарной очистки газов и т.д.
По способу образования поверхности
соприкосновения фаз, абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные,
барботажные и распыляющие.
К типу поверхностных абсорберов относятся
насадочные абсорберы, представляющие собой колонны, загруженные насадкой -
твердыми телами различной формы. Наличие насадки позволяет значительно
увеличить поверхность контакта газа и жидкости. К наиболее распространенным
насадкам относятся насадки, в виде тонкостенных колец (колец Рашига) высотой,
равной диаметру.
1. Цель расчета
Целью расчета является закрепление теоретических
выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты
химической технологии» и их приложение к конкретному материальному и
конструктивному расчету абсорбера.
2. Исходные данные для расчета
Схема насадочного абсорбера представлена на
рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Схема насадочного абсорбера
Исходные данные приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Исходные данные
1
Газовая смесь
|
ацетон-вода
|
2
Поглотитель
|
вода
|
3
Производительность по газу,
|
1,6
|
4
Концентрация газа , % объем
|
10
|
5
Степень поглощения %
|
92
|
6
Коэффициент избытка поглотителя
|
1,25
|
7
Уравнение линии равновесия
|
,
|
3. Материальный баланс и расход
абсорбента
Материальный баланс сводится к определению
конечной концентрации ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера и конечной
концентрации ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера.
Определяем производительность по газовой смеси
при температуре
= 20оС:
= ,
м3/с.
Определяем объемный и массовый расходы ацетона и
воздуха по уравнениям:
м3/с;
м3/с;
;
.
Уравнение материального баланса по потокам имеет
вид:
,
где -
массовый расход газовой смеси, входящей в аппарат;
- массовый расход
поглотителя, входящего в аппарат;
- массовый расход
обедненной газовой смеси, выходящей из аппарата;
- массовый расход
обогащенного поглотителя, выходящего из аппарата.
Поскольку начальные и конечные массовые расходы
равны, то уравнение материального баланса по распределяемому компоненту
запишется [2, с.47]:
(3.1)
где -
массовый расход воздуха в газовой смеси, ,
- начальная
концентрация ацетона в воздухе, снизу, при входе в абсорбер, ,
по рекомендации [1, с.271-272]:
.(3.2)
Здесь -
начальная концентрация газовой смеси, ,
по исходным данным 0,1.
Тогда подставив численные значения в формулу (3.2) получим:
;
- конечная
концентрация ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера, ,
по рекомендациям [1, с.280]:
,(3.3)
Здесь -
степень поглощения, по исходным данным 0,92.
Подставив численные значения в формулу (3.3) получим:
;
- массовый расход
воды, ,
- конечная
концентрация ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера, :
.(3.4)
Здесь -
равновесная концентрация ацетона в воде, ,
находится из уравнения линии равновесия:
,
;
- коэффициент
избытка поглотителя, исходя из начальных условий .
Подставив численные значения в формулу (3.4),
получим:
- начальная
концентрация ацетона в воде, подаваемой вверх аппарата, ,
по рекомендациям [1, с.292] .
Строим на диаграмме
(рисунок 3.1) равновесную (по уравнению )
и рабочую линию.
Массовый расход воды найдем исходя из уравнения
(3.1):
,
.
Тогда по формуле (3.1) найдем количество
поглощаемого ацетона:
.
Рисунок 3.1 - диаграмма
процесса абсорбции
4. Определение движущих сил процесса
Движущую силу процесса абсорбции внизу аппарата
находим по формуле [1, с.280]:
.(4.1)
Здесь -
начальная равновесная концентрация ацетона в воздухе, ,
находим по уравнению линии равновесия при
:
.
Тогда, подставив численные значения в формулу
(4.1), получим:
.
Движущую силу сверху аппарата найдем по формуле
[1, с.280]:
.(4.2)
Здесь -
конечная равновесная концентрация ацетона в воздухе, ,
находим по уравнению линии равновесия .
Тогда по формуле (4.2):
.
Средняя движущая сила процесса абсорбции
определяется по рекомендациям [1, с.280]:
, (4.3)
Тогда по формуле (4.3):
.
5. Определение поверхности
массопередачи в абсорбере
.1 Выбор насадки
По рекомендациям [3, с.105] выберем насадку:
керамические кольца Рашига, размером 15152.
Удельная поверхность насадки , свободный объем ,
насыпная плотность , 22000 штук в 1,
заполнение колоны - в навал. Коэффициент смачиваемости насадки равный
1.
5.2 Определение скорости инверсии
фаз и рабочей скорости газовой смеси и диаметра абсорбера
Скорость инверсии фаз находим по рекомендациям
[1, с.281]:
,(5.1)
где -
фиктивная скорость газа, ;
- удельная
поверхность насадки, ;
- ускорение свободного
падения, ;;
- свободный объем
насадки, ;
- плотность
газовой смеси (при н.у.), по рекомендациям [1, с.293] условно принимаем равной
плотности воздуха (при н.у.) ;
- плотность воды
(при н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;
- динамический
коэффициент вязкости жидкости, , по рекомендациям
[1, с.499] ;
- массовый расход
жидкости, , перевод от в
осуществляется
путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом при ,
;
- массовый расход
воздуха, перевод
от в
осуществляется
путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом, при ,
;
- коэффициент
насадки, зависит от типа насадки, по рекомендациям [1, с.281] для колец .
Из равенства (5.1) выразим :
,
.
Рабочую скорость газа принимаем по рекомендациям
[1, с.281] на 25% меньше фиктивной скорости:
,
.
Диаметр абсорбера находим по рекомендациям [3,
с.106]:
, .
Здесь -
объемный расход газа, , по начальным
условиям .
.
По рекомендациям [3, с.106] выбираем стандартный
диаметр обечайки, применяемой в химической промышленности:
.
5.3 Определение коэффициента
диффузии ацетона в воздухе
Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в
воздухе определяем по рекомендациям [1, с.277]:
,(5.2)
где -
коэффициент диффузии, ;
- температура, ,
;
- давление
(абсолютное), , ;
- мольная масса
ацетона, ,
;
- мольная масса
воздуха, ,
;
- мольный объем
ацетона, ,
по рекомендациям [1,с.277] ;
- мольный объем
воздуха, ,
по рекомендациям [1,с.277] ;
Подставив численные значения в формулу (5.2),
получим:
.
5.4 Определение коэффициента
диффузии ацетона в воде
Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воде
определяем по рекомендациям [1, с.278-279]:
,(5.3)
где -
коэффициент диффузии, ;
- динамический
коэффициент вязкости жидкости, ;
- мольная масса
ацетона, ,
;
- мольный объем
ацетона, ,
по рекомендациям [1,с.277] ;
- мольный объем
воды, ,
по рекомендациям [1,с.277] ;
- коэффициенты,
зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя. По рекомендациям
[1, с.278] , .
Подставив численные значения в формулу (5.3),
получим:
.
5.5 Поверхность массопередачи
Поверхность массопередачи в абсорбере
определяется по формуле [1,с.280]:
,(5.4)
где -
поверхность массопередачи в абсорбере, ;
- расход
поглощаемого компонента;
- коэффициент
массопередачи, ;
- средняя движущая
сила, .
5.6 Формула для расчета коэффициента
массопередачи
Коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей
силе ,
выраженные через мольные доли компонента в газовой фазе находим по формуле [1,
с.275-276]:
,.
(5.5)
где -
коэффициент массотдачи для газовой фазы, ;
- коэффициент
массотдачи для жидкой фазы, ;
- тангенс угла
наклона линии равновесия, .
5.7 Определение коэффициента
массоотдачи для газовой фазы
Коэффициент массоотдачи газовой фазы
определяется по формуле [3, с.106]
,.
(5.6)
где -
диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;
- коэффициент
диффузии ацетона в воздухе, ;
- эквивалентный
диаметр насадки,
.
Для колон с неупорядоченной насадкой коэффициент
массоотдачи можно находить из
уравнения [3, с.106]:
,(5.7)
здесь -
критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; -
диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
Критерий Рейнольдса для газовой фазы находится
по рекомендациям [3, с.106]:
.
Здесь -
динамический коэффициент вязкости газовой смеси, ,
условно равный динамическому коэффициенту вязкости воздуха, .
.
Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы
находим по рекомендациям [3, с.106]:
,
.
Согласно формуле (5.7):
.
Подставив численные значения в формулу (5.6),
получим:
.
Для того чтобы получить в
нужной нам размерности , необходимо
разделить полученное число на объем 1
газа при н.у. (22,4 ):
.
5.8 Определение коэффициента
массотдачи для жидкой фазы
Коэффициент массоотдачи жидкой фазы определяется
по формуле [3, с.107]:
,.
(5.8)
где -
диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;
- коэффициент
диффузии ацетона в воде, ;
- приведенная толщина
стекающей пленки жидкости, .
По рекомендациям [3, с.107] приведенная толщина
стекающей пленки жидкости равняется:
,(5.9)
где -
динамический коэффициент вязкости, ,
;
- плотность воды
(н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;
- ускорение
свободного падения, , .
Подставив численные значения в формулу (5.9),
получим:
.
Диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы
может быть найден по рекомендациям [3, с.107]:
,(5.10)
здесь -
модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; -
диффузионный критерий Прандтля для жидкости.
Модифицированный критерий Рейнольдса для
стекающей по насадке пленки жидкости находится по рекомендациям [3, с.106-107]:
.(5.11)
Здесь -
площадь поперечного сечения абсорбера, ,
.
Учитывая ранее найденный диаметр абсорбера , найдем площадь:
.
Тогда подставив численные значения в формулу
(5.11), получим:
.
Диффузионный критерий Прандтля для жидкости
находим по рекомендациям [3, с.107]:
,
.
Согласно формуле (5.10):
.
Подставив численные значения в формулу (5.8),
получим:
.
.
5.9 Определение коэффициента
массопередачи
Подставив численные значения в формулу (5.5),
получим:
.
5.10 Определение поверхности
массопередачи
Подставив численные значения в формулу (5.4),
получим:
.
6. Конструктивный расчёт
абсорбер массопередача диффузия
ацетон
6.1 Определение геометрических
параметров абсорбера с помощью уравнения массопередачи
Ранее в пункте 5.2 был найден диаметр абсорбера:
.
В пункте 5.8 была найдена площадь поперечного
сечения абсорбера:
.
По рекомендациям [3, с.107] найдем высоту
насадки:
, ,
.
6.2 Определение геометрических
параметров абсорбера через высоту единиц переноса
Для проверки предыдущих вычислений,
воспользуемся формулой для определения высоты насадочного абсорбера через
высоту единиц переноса [1, с.282-283]:
,,(7.1)
где -
высота единиц переноса, . По рекомендациям
[1, с.282]:
.(7.2)
Здесь -
постоянный по высоте колона массовый расход воздуха в газовой смеси, ,
; -
средний коэффициент массопередачи, ; -
удельная поверхность насадки, ; -
коэффициент смачиваемости насадки, .
- общее число
единиц переноса. По рекомендациям [1, с.282]:
.
Для случая, когда линия равновесия - прямая, можно
найти по формуле [1, с.282]:
.(7.3)
Подставив формулы (7.2) и (7.3) в (7.1),
получим:
,.(7.4)
Подставив численные значения в (7.4), найдем
высоту слоя насадки через высоту единиц переноса:
.
Следовательно, основные геометрические параметры
насадочного абсорбера были найдены правильно.
Заключение
В ходе проделанной работы был выполнен
материальный и конструктивный расчет, а так же произведен расчет процесса
массопередачи.
Основные характеристики насадочного абсорбера
Высота
слоя насадок,
|
5500
|
Диаметр
абсорбера,
|
1600
|
Размер
насадки,
|
15152
|
Свободный
объем насадки,
|
0,70
|
Удельная
поверхность насадки,
|
330
|
По результатам найденных параметров построен
эскиз аппарата (приложение).
Литература
1. Павлов
К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981.
2. Дытнекский
Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е кн.
Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.
. Основные
процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред.
Д.Ю. Дытекского. - М.: Химия, 1983.
Приложение
Насадочный абсорбер