Коэффициент массопередачи

Материальный расчет абсорбера

 

Плотность газовой смеси на входе в аппарат

 

Мольная концентрация NH₃ в газовой смеси на входе в аппарат:

 

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

 

где М_В = 17 – мол. масса NH₃;

М_А = 29 – мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

М_см = М_B + (1– )М_A = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

r_0Н = М_см/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м³,

при рабочих условиях: t = 20° C; Р = 0,1 МПа:

r_Н = r_ОНТ₀Р/(ТР₀) = 1,19×273/293 = 1,11 кг/м³.

Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат

 

G_Н = Vr_Н = 1,39×1,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м³/с.

Расход распределяемого компонента и инертного вещества

 

G_ркн = G_{Н н} = 1,54×0,12 = 0,185 кг/с,

G_ин = G_Н(1 – _н) = 1,54×0,88 = 1,355 кг/с.

Масса распределяемого компонента поглощенного водой

 

М = G_ркн0,96 = 0,185×0,96 = 0,178 кг/с

 

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

 

G_ркк = G_ркн – М = 0,185 – 0,178 = 0,007 кг/с

 

Расход газовой фазы на выходе:

 

G_К = G_н – М = 1,54– 0,178 = 1,362 кг/с.

Относительная концентрация аммиака на входе и выходе

 

= G_ркн / G_ин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= G_ркк / G_ин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

Расход инертной фазы

С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

 

,

 

где М_вод = 18 – молярная масса воды,

 

= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH₃

0,136 = 17×0,276 /{29×0,1[17/18 + ×(1 – 0,276/0,1)]}.

Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,005) и точку В ( = 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды m_min:

 

m_min = tga_min = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

 

Действительный расход воды

 

m = 1,3m_min = 1,3×1,90 = 2,47 кг/кг,

 

тогда уравнение рабочей линии будет:

 

,

 

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

Через точки А и С (; ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции.

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .

 

Расход воды на входе:

 

L_ин = mG_ин = 2,47×1,355= 3,347 кг/с.

 

Расход воды на выходе:

 

L_K = L_ин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

 

Средний расход воды:

 

L_ср = 0,5(L_ин + L_K) = 0,5×(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. Определение диаметра абсобера

Скорость газа в абсорбере

 

w = 0,05(ρ_ж/ρ_г)^0,5

 

где ρ_ж = 998 кг/м³ – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρ_г – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

 

y_к = М_{В к}/(М_{В к}+М_А) = 29×0,005/(29×0,005+17) = 0,008

 

Средняя мольная концентрация:

 

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

 

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

 

М = М_Ау+(1 – у)М_В = 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.

 

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

 

r_г = МТ₀Р/(22,4ТР₀) = 27,83×273∙0,1/(22,4×293∙01) = 1,16 кг/м³.

w = 0,05(998/1,16)^0,5 = 1,47 м/с

Диаметр абсорбера

 

d =

где G_ср – средний расход газовой фазы:

 

G_ср = 0,5(G_H + G_K) = 0,5×(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16)^0,5 = 1,04 м.

 

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

 

w_г = 1,47(1,04/1,0)² = 1,59 м/с.

Характеристика стандартной тарелки

 

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м²;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м²;

Периметр слива, L_c – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

Расчет высоты абсорбера

Высота светлого слоя жидкости

 

h₀ = 0,787q^0,2h_пер^0,56w_г^m[1 – 0,31exp(-0,11μ_x)]

 

где h_пер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μ_х = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6h_пер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/L_c = 0,0034/0,8 = 0,0043 м³/м∙с

Q = L/ρ_ж = 3,436/998 = 0,0034 м³/с – объемный расход воды

 

h₀ = 0,787∙0,0043^0,2∙0,04^0,56∙1,59^-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м

Плотность орошения

 

U = L/ρ_жS_к

 

где S_к = 0,785d² – площадь колонны;

 

U = 3,436/998∙0,785∙1,0² = 0,0044 м³/м²∙с

5.3 Газосодержание барботажного слоя

 

ε = Fr^0,5/(1+Fr^0,5)

 

где Fr – критери Фруда:

 

Fr = w²/gh₀ = 1,59²/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,9^0,5/(1+8,9^0,5) = 0,75

Вязкость газовой смеси

 

Вязкость воздуха при 20° С

 

,

 

где m₀ = 17,3×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент.

 

= 17,3×10^-6×(273+124)/(293+124)×(293/273)^3/2 = 18,3×10^-6 Па×с

 

Вязкость аммиака при 20° С

 

 

где m₀ = 9,18×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент

 

= 9,18×10^-6×(273+626)/(293+626)×(293/273)^3/2 = 9,98×10^-6 Па×с

 

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

 

или

27,81 / m_см = 17×0,099/9,98×10^-6 + 29×0,901/18,3×10^-6

откуда m_г = 17,4×10^-6 Па×с

Коэффициенты диффузии

 

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

 

= 17,0×10^-6×0,1(293/273)^3/2/0,1 = 18,9×10^-6 м²/с,

 

D₀ = 17,0×10^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: D_ж = 1,8×10^-9 м²/с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

 

β_жf = 6,24∙10⁵D_ж^0,5[U/(1–ε)]^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(1,8×10^-9)^0,5[0,0044/(1–0,75)]^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 0,013 м/с

 

β_жf = 0,0013∙ρ_ж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м²∙с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

 

β_гf = 6,24∙10⁵D_г^0,5(w/ε)^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(18,9×10^-6)^0,5(1,59/0,75)^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 14,98 м/с

 

β_гf = 14,98∙ρ_г = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м²∙с.

Коэффициент массопередачи

 

K_yf = 1/(1/β_гf + m/β_жf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м²∙с

 

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9 Движущая сила процесса массопередачи:

 

Δ _м = _к = 0,005 кг/кг

Δ _б = _н – _рн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δ _ср = ( _б – _м)/ln( _б/ _м) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг