Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

Расчет насадочного абсорбера

Определение условий равновесия процесса

Определяем равновесные концентрации диоксида углерода в воде. Если поглощается трудно растворимый газ, то расчет равновесных концентраций ведут по закону Генри [1]:

, (4.1)

где П – давление в абсорбере равное 1,6 МПа (из задания);

E – константа растворимости, Па;

x^* – мольная равновесная доля СО₂ в воде, ;

у – концентрация СО₂ в воздухе, .

E = 1,24×10⁶ мм рт. ст. = 1,65×10⁸ Па, при температуре абсорбции 26 °С (из задания) [4].

. (4.2)

Начальная относительная мольная доля СО₂ рассчитывается по формуле:

, (4.3)

Пересчет в массовую концентрацию производится по формуле:

, (4.4)

где М – молекулярные массы СО₂ и воздуха, кг/кмоль.

,

Величины равновесных концентраций в жидкости достаточно рассчитать для диапазона значений концентраций в газовой фазе от нуля до величины, которая в 1,2–1,5 раз превышает начальную концентрацию абсорбтива [3].

Для упрощения расчетов материального баланса необходимо сделать пересчет абсолютных концентраций в относительные. Связь между относительной концентрацией и абсолютной выражается следующей формулой [1, стр. 385]:

, (4.5)

, (4.6)

где у ‑ абсолютная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

Y – относительная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

x – абсолютная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

X – относительная концентрация СО₂ в жидкой фазе, .

х=

4.2

Определение молярного расхода компонентов газовой смеси.

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T₀=273K, P₀=1,013×10⁵ Па) в объемный расход при условиях абсорбции (Т=299К, Р=1,6×10⁶ Па):

, (4.7)

где V_см0 – расход при нормальных условиях, .

.

Для удобства дальнейших расчетов переведем объемный расход газовой смеси в молярный:

, (4.8)

где V_см0 – объемный расход газовой смеси, ;

G_см – молярный расход газовой смеси, .

Молярный расход инертного газа определяется по уравнению [4]:

, (4.9)

где у_н – исходная концентрация в газовой смеси, ;

G – молярный расход инертного газа, .

Из условия задания: у_н=0,0291

.

Концентрацию СО₂ на выходе из абсорбера y_к, :

, (4.10)

где j – степень извлечения, j=0,87 (из задания).

.

Величины y_к, y_н пересчитаем в относительные по формуле (4.5):

Y_к= ,

Y_н=0,03 .

Для определения молярного расхода M, который поглощается, служит следующее уравнение [4]:

, (4.11)

.

4.2.2 Определение расхода поглотителя СО₂ из газовой смеси.

Для определения минимального молярного расхода чистого поглотителя L_мин служит следующее уравнение:

, (4.12)

где X*_к – равновесная относительная концентрация СО₂ в воде на выходе из аппарата, ;

Х_н – исходная относительная концентрация СО₂ в воде, .

Равновесную относительную концентрацию СО₂ в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия (рис. 4.1). Для противоточных абсорберов X*_к=f(Y_н). По графику максимально возможная концентрация СО₂ в воде при условиях абсорбции составляет:

X*_к=2,911×10^-4

Т.к. в реальном процессе абсорбции используется не минимальный расход поглотителя, а несколько больший (для ускорения процесса), то необходимо пересчитать минимальный расход поглотителя на рабочий расход L с учетом коэффициента избытка поглотителя [4, стр. 390]:

, (4.13)

где a – коэффициент избытка поглотителя, равный 1,5 (из условия задания)

Определение рабочей концентрации в поглотителе на выходе из абсорбера.

Для определения рабочей концентрации служит уравнение:

, (4.14)

4.2.4 Построение рабочей линии абсорбции СО₂ и определение средней движущей силы

По полученным значениям концентраций строится график (рис. 3.1) и определяется средняя движущая сила процесса абсорбции.

Движущая сила массопередачи в соответствии с уравнением массопередачи может быть выражена в единицах концентраций, как жидкой так газовой фаз.

Движущая сила в единицах концентраций газовой фазы определяется по формуле:

, (4.15)

где ΔY_б и ΔY_м – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг СО₂/кг смеси (Рис.3.1.).

ок 3.2

Рисунок 3.1

В данном примере:

, (4.18)

, (4.19)

где Y*_{Xн и} Y*_Xм – концентрации СО₂ в исходном газе, равновесные с концентрациями в воде, соответственно на выходе из него (см. рис.3.1).

,

,

Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

Для расчета диаметра абсорбера служит следующее уравнение:

, (4.20)

где V_см – объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции,

w_раб – рабочая скорость газовой смеси по аппарату,

Объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции равен:

, (4.21)

Предельную скорость газа выше, которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по формуле:

, (4.22)

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

μ_х, μ_у – вязкость соответственно воды при температуре в абсорбере и при 26 ^оС, Па∙с;

А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;

L и G ‑ расходы фаз, кг/с;

ε – свободный объем насадки, м³/м³;

а – удельная поверхность насадки, м²/м².

При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность аппарата) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата. При выборе насадки необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под повышенным давлением потеря его существенного значения не имеет и в данном случае предпочтительнее беспорядочно загруженные насадки, в частности, кольца внавал. Поэтому выбираем керамические кольца Рашига 35´35´4 [3, стр.448].

Для насадки типа керамические кольца Рашига 35´35´4, расположенных в навале характеристики и коэффициенты А и В имеют следующие значения:

а= 140 м²/м², ε=0,78м³/м³, d_э=0,022м, ρ=530 кг/м³, А=-0,073, В=1,75.

Для определения плотности газа при температуре, отличной от нормальной, служит следующее уравнение:

, (4.23)

где M – молярная масса при 273К, [4];

Т – температура процесса, °C.

Плотность сероводорода при условиях абсорбции:

Плотность газовоздушной смеси считаем по средней концентрации СО₂ в аппарате:

(4.24)

Аналогично рассчитаем молекулярную массу газовой смеси:

Плотность жидкой смеси при температуре 299 К (содержанием СО₂ в воде пренебрегаем) равна r_x= 996,8 [4].

m_x=0,9142×10^-3 Па×с, при температуре 26°C [4].

Вязкость газов рассчитывается по формуле:

(4.25)

где μ₀ – вязкость при нормальных условиях, Па∙с;

С – константа Сатерленда [1].

Па∙с,

Па∙с.

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси может быть выражен по формуле:

(4.26)

где М_см, М₁, М₂ – мольные массы смеси газов и отдельных компонентов, кг/кмоль;

μ_см, μ₁ , μ₂ – соответствующие динамические коэффициенты вязкости, Па∙с;

y₁, y₂ – объемные доли компонентов в смеси.

μ_см=1,7828∙10^-5 Па∙с.

Переведем молярный расход газовой и жидкой смеси в массовый:

, (4.27)

где G – массовый расход;

G_мол – молярный расход газовой смеси;

М – молярная масса, кг/кмоль.

Для газовой смеси:

Для жидкой смеси:

Из формулы (4.22) определяем предельную скорость:

w_пр= 0,0611

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Примем рабочую скорость процесса равной 0,8 от предельной.

По рассчитанной рабочей скорости газа определяется диаметр абсорбера по формуле (4.20):

Рассчитанный диаметр колонного аппарата приводится к стандартизованным размерам. Ближайший стандартный диаметр колонного цельносваренного аппарата с насыпной насадкой составляет 1,8 м [5].

Т.к. выбранный диаметр колонного аппарата отличается от рассчитанного, то необходимо рассчитать рабочую скорость газовой смеси по аппарату:

(4.28)

Для насадочных аппаратов плотность орошения для полного смачивания насадки должна быть:

U >U_min. (4.29)

Плотность орошения:

, (4.30)

где V_x – объемный расход жидкости через аппарат, .

Переведем массовый расход жидкости в объемный

, (4.31)

,

.

Для насадочных абсорберов эффективную минимальную плотность орошения U_min находят по формуле:

, (4.32)

где q_эф – эффективная линейная плотность орошения ,м²/с (для колец Рашига размером 35 мм q_эф=0,022∙10^-3 м²/с);

м³/м²*с.

Условие (4.29) выполняется U>U_min – площади орошения достаточно, коэффициент смачиваемости насадки принимаемся .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: