Расчёт насадочного абсорбера
Содержание
Обозначения
Введение
Исходные данные
Физические свойства
Абсорбтив
Абсорбент
Плотность
Вязкость
Абсорбат
Построение равновесной линии
Материальный баланс процесса абсорбции
Газовая фаза
Жидкая фаза
Построение рабочей линии
Расчёт движущей силы процесса абсорбции
Средняя логарифмическая разность концентраций
Средняя интегральная разность концентраций
Расчёт диаметра абсорбера
Расчёт коэффициента массоотдачи в газовой фазе
Расчёт коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Расчёт коэффициента массопередачи
Расчёт высоты колонны
Заключение
Список литературы
Обозначения
Расходы:
-
молярный, кмоль/с,
-
массовый, кг/с,
-
объёмный, м3/с,
-
молярный поток абсорбтива между фазами, кмоль/с,
-
массовый поток абсорбтива между фазами, кг/с.
Составы:
x, y - абсолютные молярные доли в жидкой
и газовой фазах,
-
абсолютные массовые доли в жидкой и газовой фазах,
X, Y -
относительные молярные доли в жидкой и газовой фазах,
-
относительные массовые доли в жидкой и газовой фазах.
Коэффициенты:
m -
мольная константа фазового равновесия,
E -
коэффициент Генри, мм рт. ст.,
φ - степень поглощения абсорбтива,
r -
коэффициент избытка орошения,
Ψ - коэффициент смачиваемости насадки.
Индексы:
G -
чистый абсорбат (в данном случае водород),
L -
чистый абсорбент (в данном случае метанол),
x -
жидкая фаза, содержащая абсорбтив,
y -
газовая фаза, содержащая абсорбтив,
A -
абсорбтив (в данном случае углекислый газ),
н, к - начальные и конечные составы или расходы, соответственно.
Введение
«Ректизол»-процесс - первый из процессов физической абсорбции,
примененных для очистки газа, разработан в ФРГ и реализован в 1955 г.
В качестве абсорбента в этом процессе используется охлажденный метанол. С
понижением температуры абсорбционная емкость метанола резко возрастает. Обычно
используется температура -70 градусов по Цельсию, при этом из газа одновременно
извлекаются все сернистые соединения, углекислый газ и влага. Метанол химически
нейтрален, обладает высокой интенсивностью массообмена, имеет низкую
температуру замерзания, обеспечивает тонкую очистку газа.
Абсорбция проходит при повышенном давлении (2- 7,5МПа), температуре
-35:-70 градусов Цельсия в тарельчатых колоннах. Высота абсорбера 20-25 метров.
Соотношение жидкость-газ при нормальных условиях составляет 0,00055-0,00033
м3/м3. Десорбция осуществляется ступенчатым снижением давления. На последней
ступени может применяться тепловая регенерация.
Процесс рекомендуется применять при необходимости очистки газа от
большого количества разнообразных примесей, и особенно при низкотемпературных
процессах переработки газа, например при извлечении монооксида углерода.
Основным преимуществом процесса очистки газа от углекислого газа
метанолом является резкое увеличение растворимости двуокиси углерода при
понижении температуры. При этом уменьшается циркуляция раствора и возрастает
селективность растворителя. Немаловажным преимуществом метода является также
практически полное отсутствие коррозии.
Исходные
данные
Абсорбтив (извлекаемое вещество A) - углекислый газ.
Абсорбент (поглотитель L) -
метанол.
Абсорбат (инерт G) -
водород.
Условия в абсорбере: давление p1 = 5 МПа, температура t1 =
-60°C.
Условия в десорбере: давление p2 = 0,0981 МПа, температура t2 = -36°C.
Расходы и составы:
содержание
абсорбтива в исходной газовой смеси yн = 4 % об. = 0,04 
,
объёмный
расход исходной газвой смеси (приведённый к нормальным условиям) 
,
степень
поглощения φ = 0,7,
коэффициент
избытка поглотителя r = 1,6.
Характеристики
насадки:
тип
контактных элементов - керамические кольца Рашига,
размеры
контактных элементов N = 35×35×4 мм,
коэффициент
смачиваемости насадки Ψ = 0,7,
отношение
фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлёбывания насадки n =
70 %.
Мольный
объём CO2 (для расчёта коэффициента диффузии) 
[4, с. 288].
Вязкость
CO2 при н. у. 
[3, с.
13].
Константа
Саттерленда CO2 
[3, с.
13].
Абсорбент
Молярная
масса метанола 
[1, с. 339].
Мольный
объём метанола (для расчёта коэффициента диффузии) 
[4, с. 288].
Плотность
Плотность
метанола при t1 = -60°С: 
[1, с.
339].
Плотность
метанола при t2 = -36С: 
[2, с.
66].
Вязкость
Вязкость
метанола при t1 = -60°С: 
[1, с.
339].
Абсорбат
Молекулярная
масса водорода 
[5].
Мольный
объём водорода (для расчёта коэффициента диффузии) 
[5].
Вязкость
водорода при н. у. 
[5].
Константа
Саттерленда водорода 
[5].
Построение
равновесной линии
Растворимость
α газов в поглотителях выражается в приведённых к
нормальным условиям кубометрах газа, отнесённым к кубометрам жидкого
поглотителя 
, либо в приведённых к нормальным условиям кубических
сантиметрах газа, отнесённым к граммам жидкого поглотителя 
. Данные по растворимости представлены в справочной
литературе [1] в виде табличной зависимости растворимости от давления (см.
приложение).
Для
построения равновесной линии необходимо перевести растворимость, выраженную в 
или в 
, в
относительные мольные доли X растворённого газа (абсорбтива) в поглотителе
(абсорбенте) 
.
Пересчёт
растворимости в относительные мольные доли, если растворимость выражена в :
.
Пересчёт
растворимости в относительные мольные доли, если растворимость выражена в :
,
в
соотношении растворимость выражена в 
, чтобы
подставлять растворимость при её табличном значении, выраженном в , необходимо её разделить на 
. Таким образом, итоговая формула пересчёта
растворимости, выраженной в :
.
Относительная
мольная доля абсорбтива в газовой фазе находим, как отношение парциальный
давлений:
,
где
приравниваем к давлению в абсорбере 
, а 
приравниваем
к табличному значению давления чистого абсорбтива над его насыщенным раствором
в поглотителе.
Табл. 2. Расчёт точек равновесной линии по данным о растворимости
углекислого газа в метаноле для условий в абсорбере (t1 = 25 °C, p1 = 7 МПа)
|
Давление углексилого газа
над раствором
|
Растворимость углекислого
газа в метаноле
|
Относительные мольные доли
|
|
, МПаα, в жидкой фазев газовой фазе
|
|
|
|
|
|
X, Y, 
|
|
|
0,0981
|
68,0
|
0,09727
|
0,02001
|
|
0,1961
|
159,0
|
0,2274
|
0,0408
|
|
0,2942
|
321,4
|
0,4596
|
0,0652
|
Рассчитываем точки равновесной линии для абсорбера (t1 = 25 °C, p1 = 7 МПа).
Точка 1:
, 
Точка
2:
,
.
Точка
3:
,
.
Рис. 1. Равновесная линия в условиях абсорбции
Материальный
баланс процесса абсорбции
Газовая фаза
Молярный расход газовой фазы на входе в абсорбер:
,
где
- молярный объём при нормальных условиях.
Количество
абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе в абсорбер:
,
.
Количество
абсорбата (водорода) проходящего через абсобер:
,
.
Межфазный
поток абсорбтива - количество абсорбтива (углекислого газа), переходящее из
газовой фазы в жидкую:
,
.
Массовый
расход газовой фазы на входе в абсорбер:
.
Расход
газовой фазы на выходе из абсорбера:
,
.
Относительная
мольная доля абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе и выходе
абсорбера:
.
Жидкая фаза
Состав жидкой фазы на входе в абсорбер соответствует составу жидкой фазы
на выходе из десорбера, который находят из равновесной растворимости абсорбтива
в поглотителе в условиях десорбции (t2 = -36 °C, p2 = 0,0981 МПа):
.
Для
нахождения минимального расхода абсорбента (поглотителя) необходим равновесный
состав жидкой фазы на выходе из абсорбера, который находим по равновесной линии
(см. рис. 3): 
.
Минимальный
расход поглотителя (метанола):
.
Расход
поглотителя (метанола):
,
.
Состав
жидкой фазы на выходе из абсорбера:
.
Расход
жидкой фазы на входе в абсорбер:
,
.
Расход
жидкой фазы на выходе из абсорбера:
,
.
Результаты
расчёта заносим на схему потоков в абсорбере (рис. 2).
Рис. 2. Схема потоков в абсорбере
Построение
рабочей линии
Рабочая линия процесса абсорбции в относительных долях представляет собой
прямую линию, уравнение которой может быть получено из уравнения материального
баланса процесса абсорбции:
,
заменяем
на переменный аргумент 
, 
на функцию от аргумента 
:
,
таким
образом, уравнение рабочей линии имеет вид: 
, где
коэффициент (тангенс угла) наклона рабочей линии 
, а
отрезок, отсекаемый рабочей линией на вертикальной оси 
.
Определим
численные значения коэффициентов рабочей линии:
(данная
величина называется удельным расходом поглотителя l и может быть
найдена из материального баланса
);
.
Для
построения рабочей линии на графике воспользуемся двумя известными точками:
точка
для верха колонны 
, 
;
точка
для низа колонны 
, 
.
Рис. 3. Рабочая и равновесная линии процесса абсорбции
Расчёт
движущей силы процесса абсорбции
Средняя
логарифмическая разность концентраций
В случае если равновесная линия близка к прямой, движущая сила процесса
абсорбции может быть найдена как среднее логарифмическое значение разностей
рабочей и равновесной концентрации для нижнего и верхнего сечения абсорбера.
По линии равновесия (рис. 3) находим значения равновесного содержания
абсорбтива для нижнего и верхнего сечения абсорбера:
низ
,
верх
.
Движущая
сила в нижнем сечении абсорбера:
.
Движущая
сила в верхнем сечении абсорбера:
.
Средняя
логарифмическая движущая сила процесса абсорбции:
.
Рис. 4. Среднее логарифмическое значение разности концентраций
Средняя
интегральная разность концентраций
Точка
1: Y = 0.01250
Точка
2: Y = 0.04167
Точка
3: Y = 0.04, Y* = 0.02745
Точка
4: Y =
0.03, Y* = 0.02100
Точка
5: Y =
0.02, Y* = 0.01455
Рис. 5. Графическое определение числа единиц переноса
Расчёт диаметра абсорбера
Характеристики насадки [6, с. 196, табл. 5.1]:
насадка неупорядоченная из керамических колец Рашига 35×35×4 мм,
удельная
поверхность 
,
свободный
объём (порозность) 
,
эквивалентный
диаметр 
.
Диаметр абсорбера должен обеспечивать стабильную работу абсорбера в
плёночном режиме, для этого скорость газовой фазе в абсорбере должна быть
меньше предельной скорости (скорости захлёбывания). Если пренебречь
гидравлическим сопротивлением насадки, изменением объёмного расхода жидкой фазы
и изменением температуры за счёт теплового эффекта смешения, то наибольший
объёмный расход газовой фазы будет наблюдаться в нижнем сечении абсорбера.
Соответственно, предельную скорость следует находить именно для этого сечения.
Скорость захлёбывания (предельная скорость) определяется решением
уравнения:
.
Поскольку
влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой
фазы неизвестно, то плотность и вязкость жидкой фазы принимаем равными
плотности и вязкости абсорбента:
, 
.
Формула
для нахождения скорости захлёбывания насадки была получена для воды при
температуре 20ºС, для распространения формулы на другие жидкости в
неё был введён корректирующий множитель 
, где 
- вязкость воды при 20ºС.
Молярная
масса и плотность газовой фазы в нижнем сечении:
,
.
Расчёт
предельной скорости:
;
;
.
По
условию отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлёбывания
насадки n = 70 %, следовательно, скорость газа в абсорбере:
.
Объёмный
расход газовой фазы на входе при рабочих условиях:
.
Ориентировочная
площадь сечения абсорбера:
.
Ориентировочный
диаметр абсорбера:
.
Выберем
ближайший больший стандартный диаметр колонны [6, c. 197]:
.
Расчёт
коэффициента массоотдачи в газовой фазе
Абсолютная мольная доля абсорбтива в газовой фазе в верхнем сечении:
.
Молярная
масса и плотность газовой фазы в верхнем сечении:
,
.
Средняя
плотность газовой фазы:
.
Вязкость
абсорбтива при нормальных условиях и константа Саттерленда:
, 
[3, с. 12].
Вязкость
абсорбата при нормальных условиях и константа Саттерленда:
, 
[5].
Вязкость
абсорбтива при условиях абсорбции:
.
Вязкость
абсорбата при условиях абсорбции:
.
Вязкость
газовой фазы в нижнем сечении:
.
Вязкость
газовой фазы в верхнем сечении:
.
Средняя
вязкость газовой фазы:
.
Площадь
сечения колонны:
.
Скорость
газовой фазы в нижнем сечении колонны:
.
Молярный
объём в условиях абсорбции:
.
Объёмный
расход газовой фазы на выходе при рабочих условиях:
.
Скорость
газовой фазы в нижнем сечении колонны:
.
Средняя
скорость газовой фазы:
.
Критерий
Рейнольдса для газовой фазы:
.
Коэффициент
диффузии в газовой фазе [4, с. 288, ф-ла 6.20]::
.
Диффузный
критерий Прандтля для газовой фазы:
.
Диффузный
критерий Нуссельта для газовой фазы при неупорядоченной насадке:
.
Объёмный
коэффициент массоотдачи для газовой фазы:
.
Мольный
коэффициент массоотдачи для газовой фазы:
.
Расчёт
коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на
свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность орошения (являющуюся фиктивной
скоростью жидкой фазы) рассчитываем по чистому абсорбенту:
абсорбция концентрация колонна саттерленд
Модифицированный
критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки жидкости:
.
Коэффициент
диффузии в жидкой фазе при 20°С [4, с. 289, ф-ла 6.22]:
.
Температурный
коэффициент:
.
Коэффициент
диффузии в жидкой фазе [4, с. 289, ф-ла 6.25]:
.
Диффузный
критерий Прандтля для жидкой фазы:
.
Диффузный
критерий Нуссельта для жидкой фазы:
.
Приведённая
толщина стекающей по насадке плёнки жидкости:
.
Объёмный
коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:
.
Молярный
коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:
.
Расчёт
коэффициента массопередачи
Если равновесная линия отклоняется от прямой, константа фазового
равновесия m не постоянна, и зависит от
концентрации. Требуется определить среднее значение константы фазового равновесия
в интервале от Xн до Xк.
Коэффициент
массопередачи по газовой фазе:
.
Рис. 6. Определение константы фазового равновесия
Расчёт высоты
колонны
Необходимая поверхность контакта фаз:
.
Высота
насадки:
.
Высота
слоя насадки в одной секции составляет 3 м [6, с. 436].
Число
секций насадки (с округлением в большую сторону):
.
Высота
сепарационного пространства над насадкой [6, с. 235]: 
.
Расстояние
между днищем колонны и насадкой [6, с. 235]: 
.
Высота
перераспределительной тарелки [6, с. 220]: 
.
Высота
колонны:
.
Заключение
Выполнен
расчёт насадочного абсорбера для очистки 
водорода
от содержащегося в нём углекислого газа с помощью метанола. Определён расход
абсорбента, который при заданных условиях проведения процесса составит 
. Рассчитаны габаритные размеры абсорбера: диаметр 1.6
м, высота 6 м.
Список
литературы
1. Мурин В. И., Кисленко Н. Н.
Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник: В 2-х ч. - М.:
ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002. - 517 с.
2. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т.
Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. Л. Химия. 1977.
3. Бобылёв В. Н. Физические свойства
наиболее известных химических веществ: Справочное пособие. РХТУ им. Д. И.
Менделеева. М., 2003.
4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков
А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.
Учебное пособие для вузов. Л. Химия. 1987.
5. ГОСТ 30319.1-96
6. Основные процессы и аппараты
химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю. И. Дытнерского,
М. Химия. 1991.
Приложение
Сводная таблица результатов расчёта
|
Наименование величины
|
Обознач.
|
Единица изм.
|
Значение
|
|
Молярный межфазный поток
|
ΔnA
|
кмоль/с
|
0,03125
|
|
Молярный расход абсорбата
|
nG
|
кмоль/с
|
1,0714
|
|
Относительная молярная доля
в газовой фазе на входе (низ колонны)
|
Yн
|
кмоль/кмоль
|
0,04167
|
|
Относительная молярная доля
в газовой фазе на выходе (верх колонны)
|
Yк
|
кмоль/кмоль
|
0,01250
|
|
Относительная молярная доля
в жидкой фазе на входе (верх колонны)
|
Xн
|
кмоль/кмоль
|
0,03390
|
|
Минимальный молярный расход
абсорбента
|
nL min
|
0,1390
|
|
Молярный расход абсорбента
|
nL
|
кмоль/с
|
0,2224
|
|
Относительная молярная доля
в жидкой фазе на выходе (низ колонны)
|
Xк
|
кмоль/кмоль
|
0,1744
|
|
Средняя движущая сила
|
ΔYср
|
кмоль/кмоль
|
0,007283
|
|
Предельная скорость газа в
колонне
|
wy пр
|
м/с
|
0,3463
|
|
Ориентировочный диаметр
колонны
|
Dор
|
м
|
1,441
|
|
Критерий Рейнольдса для
газовой фазы
|
Rey
|
|
6045
|
|
Коэффициент диффузии в
газовой фазе
|
Dy
|
10-7 м2/с
|
5,891*10-7
|
|
Криетрий Прандтля для
газовой фазы
|
Pry
|
|
1,535
|
|
Критерий Нуссельта для
газовой фазы
|
Nuy
|
|
153,3
|
|
Молярный коэффициент
массоотдачи в газовой фазе
|
βy
|
кмоль/(м2·с)
|
1,159*10-3
|
|
Критерий Рейнольдса для
стекающей плёнки жидкости
|
Rex
|
|
33,97
|
|
Коэффициент диффузии в
жидкой фазе при 20оС
|
Dx 20
|
10-9 м2/с
|
2,939*10-9
|
|
Коэффициент диффузии в
жидкой фазе
|
Dx
|
10-9 м2/с
|
4,978*10-10
|
|
Критерий Прантля для жидкой
фазы
|
Prx
|
|
6857
|
|
Толщина стекающей по
насадке плёнки
|
δпр
|
мкм
|
1,059*10-4
|
|
Критерий Нуссельта для
газовой фазы
|
Nux
|
|
22,47
|
|
Молярный коэффициент
массоотдачи в жидкой фазе
|
βx
|
кмоль/(м2·с)
|
3,133*10-3
|
|
Молярный коэффициент
массопередачи по газовой фазе
|
Ky
|
кмоль/(м2·с)
|
7,649*10-3
|
|
Поверхность массопередачи
|
F
|
м2
|
|
Высота насадки
|
Hнас
|
м
|
2,845
|
|
Высота колонны
|
Hкол
|
м
|
6
|