Расчет процесса абсорбции

Министерство по образованию  и науки РФ

Волгоградский государственный  технический университет

 

Кафедра «ПАХП»

 

 

 

 

 

Курсовая работа по

процессам и аппаратам  химических производств

«Расчет процесса абсорбции»

 

Вариант 3.б.1

 

 

Выполнила:

Студентка группы ТМХ-449

Кузнецова Т.А.

Проверила:

доц. Шагарова А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2011

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………..…….3

1 Техническое задание………………………………………………………………4

2 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя……........4

3 Расчет движущей силы……………………………………………………………7

4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера……………………………………...8

5 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки……........9

6 Расчет коэффициентов массоотдачи……………………………………………10

7 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорберов…………….13

8 Расчет гидравлического сопротивления абсорберов………………..…………14

 

Введение

 

Абсорбцией  называют процесс избирательного поглощения газов или паров из газовых  или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Области применения абсорбционных процессов  в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны:

• получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью;
• разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси;
• очистка газа от примесей вредных компонентов
• улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например, рекуперация летучих растворителей.

Из  различных типов аппаратов в  настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы.

Насадочные  колонны применяются в основном для малотоннажных производств, где они имеют безусловные  преимущества перед тарельчатыми колоннами. Благодаря созданию в последние  годы новых типов насадок, позволяющих  значительно снизить задержку жидкости в контактной зоне и гидравлическое сопротивление аппарата, открылись  перспективы использования их для многотоннажных производств.

Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, развитая поверхность  контакта фаз, высокая пропускная способность. К недостаткам насадочных аппаратов  следует отнести значительный вес  высоких слоев насадки, вследствие чего требуются прочные поддерживающие решетки и массивные опоры  для установки высоких колонн большого диаметра.

 

1 Техническое задание

 

В противоточном  абсорбере из воздуха удаляется  примесь постороннего газа (пара). В  качестве абсорбента используется вода, из которой путем десорбции удалено  не менее 90 % содержащейся в ней примеси  на выходе из абсорбера.

Требуется построить изображение процесса абсорбции в «х-у» диаграмме, определить расход воды, основные геометрические размеры абсорбера и его гидравлическое сопротивление.

Выполнить на основании полученных и принятых при выполнении расчета размеров схематическое изображение абсорбера  с соблюдением масштаба изображения. Данные для выполнения индивидуального  задания приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные для расчета

Газовая смесь	Расход  воздушно-газовой смеси, м3/ч	Начальная концентрация, мольн. доля (%)	Степень извлечения, (%)	Температура воды, оС	Избыточное  давление в аппарате, ат	Тип контактного устройства
Бром	800	3	87	20	0,7	Кольца керамические 15х15х2

 

 

2 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

 

Массу переходящего из газовой смеси в поглотитель брома М находят из уравнения материального баланса:

,    (1)

где L, G — расходы соответственно чистого  поглотителя и инертной части  газа, кг/с; Х_н, Х_к — начальная и конечная концентрации брома в поглотительной воде, кмольBr₂/кмоль Н₂О; Y_н. Y_к. - начальная и конечная концентрации брома в воздухе, кмольBr₂/кмоль воздуха.

Пересчитаем концентрации для выбранной для расчета размерности:

 

 

где y_н– начальная мольная доля компонент,Y_н,Y_к – начальная и конечная относительная мольная концентрация брома в воздухе, η – степень поглащения.

Конечная концентрация вещества в  поглотителе X_к обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому Х_к выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. В химических производствах расход абсорбента L принимают на 30 - 50% больше минимального L_min. В этом случае конечную концентрацию Х_к определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию.

(4)

При выражении состава фаз в  относительных мольных концентрациях  уравнение равновесия можно записать в виде:

 

или

 

Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях  равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 - т)∙X ~ 0. Тогда знаменатель уравнения (23) обращается в единицу, и уравнение принимает вид:

 

Конечное  равновесное содержание поглощаемого компонента в жидкости:

 

где m – коэффициент распределения.

 

где Е – коэффициент Генри, МПа (для водного раствора брома при 20 ^оСЕ= 0,0451∙10⁶ мм.рт.ст = 6,1 МПа) [1], П – Абсолютное давление в аппарате, МПа.

 

где P₀ –атмосферное давление, P_изб– избыточное давление в аппарате.

 

 

Минимальный удельный расход поглотителя:

 

Удельный  расход абсорбента с учетом коэффициента избытка орошения:

 

Конечное содержание поглощаемого компонента в жидкости:

 

Из условия задания примем , с учетом этого подставляем (11) в (12), (12) в (10), преобразовав, получим:

 

 

 

 

Массовый расход инертной части  газа:

 

где V₀ – расход газовой смеси при нормальных условиях, м³/ч; – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

 

Производительность абсорбера  по поглощаемому компоненту:

 

Расход поглотителя:

 

 

 

3 Расчет движущей силы

 

В насадочном абсорбере жидкая и газовая фазы движутся противотоком. Принимая модель идеального вытеснения, движущего силу определяют по формуле:

 

где ΔY_б и ΔY_м — большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кмольBr₂/кмольвозд.

Из рисунка 1, видно:

ΔY_б = 0,0309-0,0195 = 0,0114

ΔY_м= 0,004-0,001 = 0,003

тогда,

 

Рисунок 1- Зависимость между содержанием в воздухе Y и в водеX

 

4 Расчет скорости газа  и диаметра абсорбера

 

По условию задания  нам даны керамические кольца Рашига15х15х2. Удельная поверхность насадки а=330 м²/м³, свободный объем ε=0,7 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э=0,009 м, насыпная плотность ρ=690 кг/м³.[2]

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению:

(17)

где w_пр– предельная фиктивная скорость газа, м/с; μ_б, μ_в– вязкость соответственно поглотителя и воды при 20°С, Па∙с; ρ_у – плотность газа в условиях абсорбера;ρ_х – плотность поглотителя, А, В– коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Таблица 2 – Значения коэффициентов А и В[2]:

Тип насадки	А	В
Кольца Рашига в навал	–0,073	1,75

 

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорберепо средней концентрацииBr₂:

 

                (3.16)

 

 

Молярная масса газа равна:

 

Предельную скорость w_пр находим из уравнения (17):

 

Решая это уравнение, получим w_пр = 3,03 м/с.

Примем w = 0,4∙w_пр = 0,4∙0,035 = 1,21 м/с.

Диаметр абсорбера находят  из уравнения расхода:

                  (18)

где V — объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с.Отсюда выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d = 6 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне будет равна:

 

 

5 Определение плотности  орошения и активной поверхности  насадки

 

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле

,      (19)

где S– площадь поперечного сечения абсорбера, м²; L –расход поглотителя кг/с.

Подставив, получим:

 

При недостаточной плотности  орошения и неправильной организации  подачи жидкости поверхность насадки  может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности  практически не участвует в процессе массопередачи.

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

      (20)

где q_эф — эффективная линейная плотность орошения, м²/с

Для колец Рашигаq_эф = 0,022∙10^-3 м²/с.

 

Коэффициент смачиваемости насадки можно определить по формуле:[3]

,     (21)

    (22)

гдеρ_жиμ_ж– плотность и вязкость жидкости; A,C,n – справочные величины

(для колец размерами  15-35 мм:A=1,02,C=0,16,n=0,4).[4]

 

Доля активной поверхности  насадки:

              (23)

гдеpиq – коэффициенты, зависящие от типа насадки.[4] 

 

6 Расчет коэффициентов массоотдачи

 

Коэффициент массопередачиK_у находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений [1]:

,     (24)

где β_x и β_у — коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м²∙с); m — коэффициент распределения.

Для колонн с неупорядоченной  насадкой коэффициент массоотдачи β_y можно находить из уравнения

    (25)

где Rе_y– критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

Pr’_y– диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

μ_y– вязкость воздуха, Па∙с (18,9∙10^-6Па∙с при 20°С )[1];

D_y– коэффициент диффузии брома в воздухе, м²/с;

    (26)

где М_А, M_b— мольные массы соответственно компонента А и инертного газа В, кг/моль; v_A, v_B— мольные объемы компонента A и инертного газа Вв жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³/моль; p–абсолютное давление, кгс/см².

v_А= 78,3см³/моль

v_В=24,2см³/моль [1]

 

                            (27)

=0.25                              (25)

Выразим β_у в выбранной для расчета размерности:

  (29)

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β_х находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок:

     (30)

где Nu'_x — диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

     (31)

где D_x,20 = 1,6∙10^–9— коэффициент диффузии брома в водепри 20^оС, м²/с;[1]

δ_пр — приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

Re_x — модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

Pr'_x — диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Подставив, получим:

(32)

(33)

 

                 (35)

Отсюда β_х (в м/с) равен:

 

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе К_у по уравнению (24):

 

 

7. Определение  поверхности массопередачи и высоты абсорберов