Пример расчета насадочного абсорбера.

Рассчитать насадочный абсорбер для уменьшения концентрации абсорбтива с у_н =1,0 (моль.%) до у_к =0,01 (моль.%) в инертном газе, объемный расход которого V₀ = 4 (м³/с) с помощью абсорбента при t =20 ⁰C и давлении Р = 1 атм. Начальное содержание абсорбтива в абсорбенте х_Н =0. Коэффициент распределения m = 1,08. Абсорбтив - этанол; абсорбент- вода; инертный газ –воздух; тип насадки - кольца Палля (стальные неупорядоченные) размером .

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 /26/:

, (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 /26/:

, (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 /7/:

, (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 /7/:

, (3.4)

где - коэффициент распределения;

, (3.5)

- для смеси этанол-вода.

Определим L_min - минимальный расход абсорбента из уравнения /7/:

. (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 /7/:

(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. 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. (рис.47)

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 /7/:

, (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 /28/: =235 м²/м³; =0,9 м³/м³; d_э=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 /7/:

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 К_y находим по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений.:

, (3.15)

где и - коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах соответственно, кг/м^2.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 /28/:

, (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 /7/:

, (3.25)

.

Критерий Прандтля определим по формуле /7/:

, (3.26)

Коэффициент диффузии этанола в воде определим по формуле /7/:

, (3.27)

где - параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя; /7/; - 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/м^2.с; - средняя движущая сила процесса абсорбции, кг /кг.

Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле /28/:

, (3.29)

где - поверхность массопередачи, м²; - удельная поверхность насадки, м²/м³; - диаметр абсорбера, м; - доля активной поверхности насадки. (при плотности орошения доля активной поверхности принимается равной единице; принимаем равной 0,95, т.к. и часть насадки все равно не орошается).

.

Рассчитаем высоту насадочной части абсорбера

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Это расстояние обычно принимается равным от 1 до 1,5 диаметра колонны.

Расстояние от верха насадки до крышки аппарата зависит от размеров распределительной тарелки и каплеотбойных устройств. Примем это расстояние равным 2,4 м.

Общая высота аппарата составит:

м

Гидравлический расчет. Величина гидравлического сопротивления колонных аппаратов влияет на технологический режим работы аппарата.

При расчете колонн определяют гидравлическое сопротивление аппарата для того, чтобы выбрать оптимальные скорости фазовых потоков, обеспечивающих эффективный массообмен. По гидравлическому сопротивлению колонны подбирают вентилятор, компрессор или насос для подачи газов и жидкостей, обеспечивающих скорость движения фаз.

Величину находят по формуле /28/:

, (3.30)

где - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки, Па; - плотность орошения, м/с; - коэффициент.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению /28/:

, (3.31)

где - коэффициент сопротивления насадки; - высота насадки, м; - эквивалентный диаметр насадки, м; - плотность газа, кг/м³; - скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;

Скорость газа в свободном сечении насадки определим из соотношения:

, (3.32)

где - рабочая скорость газа в абсорбере, м/с; - доля свободного объема, м³/м³.

Для беспорядочных кольцевых насадок коэффициент сопротивления насадки можно рассчитать по формуле:

- при ламинарном режиме () ; (3.33)

- при турбулентном режиме () . (3.34)

Поскольку ( определили из формулы (3.18)), коэффициент сопротивления насадки определим по формуле (3.34):

.

Тогда сопротивление сухой насадки:

.

Коэффициент (для колец Палля) /28/, тогда

.

Рассчитанное значение гидравлического сопротивления орошаемой насадки далее может быть использовано для разработки гидравлической схемы технологического процесса абсорбции и выбора вентилятора транспортировки газовой смеси.

ЛИТЕРАТУРА

1. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды: учебник для вузов/ А.И. Родионов, В.Н. Клушин, В.Н. Торочешников. - М.: Химия,1989.-512с.

2. Кузнецов, И.Е. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами химических предприятий/ И.Е. Кузнецов, Т.М.Троицкая. - М.: Химия, 1979. – 344с.

3. Родионов,А.И. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов: учебное пособие для вузов / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, В.В. Зенков. - М.: Химия,1985.-352с.

4. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии/ А.Г.Касаткин. - М.:Химия,1971.-784с.

5. Кафаров,В.В. Основы массопередачи:учеб. пособие для вузов/ В.В.Кафаров. – М.:Высшая школа, 1979.-439с.

6. Рамм, В.П. Абсорбция газов / В.П. Рамм. - М.: Химия,1976. - 656с.

7. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. – Л.: Химия,1981.- 560 с.

8. Иоффе,И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии / И.Л. Иоффе. – Л.: Химия, 1981. - 352 с.

9. Перри, Дж. Справочник инженера – химика, т.1: пер. с англ. / Дж. Перри. – Л.:Хими,1969. - 940с.

10. Фарамазов, С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация / С.А. Фарамазов. -2-е изд., перераб. и допол. - М.: Химия,1984.-328с.

11. Стабников, В.Н. Ректификационные аппараты / В.Н. Стабников. - М.: Машиностроение,1965.-356с.

12. Доманский, И.В. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи: учеб. пособие для студентов втузов / И.В. Доманский. – Л.: Машиностроение, 1982.- 384 с.

13. А.с.226551 Вихревая распылительная колонна/ Р.Ш.Сафин (СССР)//БИ. - 1968.-№29.

14. Булкин, В.А. Разработка, методы расчета и внедрение вихревых аппаратов с объемными факелами орошения для очистки газвоздушных потоков: автореф. дис.д-ра техн. наук / В.А. Булкин. - Казань, 1988. – 25с.

15. Николаев, Н.А. Исследование и расчет ректификационных и абсорбционных аппаратов вихревого типа: автореф. дис. канд. техн. наук/ Н.А. Николаев. - Казань,1974.-25с.

16. А.с. 251529. Массообменный аппарат /А.Н.Николаев, В.В.Щукин, Ф.А.Мусташкин (СССР)// БИ. – 1969.-№28.

17. А.с. 733132. Аппарат для проведения физико-химических процессов / А.Ф.Махоткин, А.М.Шамсутдинов (СССР)// БИ. – 1980. - №19.

18. А.с. 735270. Вихревой контактный элемент тепломассообменного аппарата / А.Ф.Махоткин, И.Н.Хапугин, А.М.Шамсутдинов (СССР)// БИ. – 1980. - №19.

19. Махоткин, А.Ф. Результаты оптимизации вихревого контактного устройства для аппарата очистки отходящих газов / А.Ф.Махоткин, В.И.Петров // Абсорбция газов. 1 Всесоюзное совещание. Тезисы докл.: - Ташкент, 1979 – с.11-25.

20. Антонов, Ю.Е. Исследование межфазной поверхности в вихревой распылительной колонне / Ю.Е. Антонов, Р.Ш.Сафин,В.Н.Реут // Теоретические основы химической технологии. – М.,1975. - №1 – с.140-142.

21. А.с. 593706. Вихревой распылительный аппарат/ А.Ф.Махоткин, А.М.Шамсутдинов (СССР)// БИ. – 1974. - №20.

22. Махоткин, А.Ф. Теоретические основы очистки газовых выбросов производства нитратов целлюлозы / А.Ф.Махоткин. – Казань: из-во Казанск. ун-та, 2003. – 268с.

23. Махоткин, А.Ф. Обезвреживание газовых выбросов процессов нитрации, де нитрации и концентрирования серной кислоты / А.Ф.Махоткин, А.Ф.Газизов, А.М.Столяров // Новые технические решения по совершенствованию изготовления и регенерации кислот. Перспективы применения. – М.:ЦИНТИ,1977. – с.47-64.

24. Махоткин, А.Ф. Исследование кинетики абсорбции окислов азота водными растворами азотной кислоты и усовершенствование действующих систем газоочистки / А.Ф.Махоткин, А.А.Лапшанов // Очистка и рекуперация промышленных выбросов. – Л., Наука,1975.-с.27-31.

25. Махоткин, А.Ф. Исследование кинетики абсорбции двуокиси азота / А.Ф.Махоткин // Изв. вузов СССР. Сер. Химия и химич. технология. – Казань,1976. – т.Х1Х. – Вып.9. – с.34-41.

26. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: ч.2 / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 2002. – 368с.

27. Чернобыльский, И.И. Машины и аппараты химических производств: учебник / И.И. Чернобыльский. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение,1975. – 456с.

28. Основные процессы химической технологии: пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия,1991. – 496с.

29. Жаворонков, Н.М. Гидравлические основы скрубберного процесса и теплопередача в скрубберах / Н.М. Жаворонков. – М.: Советская наука, 1944. – 224с.

30. Романков, П.Г. Сборник расчетных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии / П.Г. Романков, А.А.Носков. – М.-Л.:Химия,1966. – 24с.

31. Справочник химика. т.1. – М.-Л.:Химия,1968. – 974с.

32. Расчеты химико-технологических процессов / под ред. Мухленова И.П. – Л.:Химия,1982.-248с.

33. Зиганшин, М.Г. Проектирование аппаратов пылегазоочистки / М.Г. Зиганшин, А.А.Колесник, В.Н.Посохин. – М.:Экопресс – ЗМ, 1998. – 505с.