Расчет насадочного абсорбера

Расчет насадочного абсорбера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический институт - филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Кафедра МАХП

КурсоваЯ рАбота:

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

Северск - 2012

Введение

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс - выделение поглощенного газа из поглотителя называется десорбцией.

В промышленности адсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

По способу образования поверхности соприкосновения фаз, абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыляющие.

К типу поверхностных абсорберов относятся насадочные абсорберы, представляющие собой колонны, загруженные насадкой - твердыми телами различной формы. Наличие насадки позволяет значительно увеличить поверхность контакта газа и жидкости. К наиболее распространенным насадкам относятся насадки, в виде тонкостенных колец (колец Рашига) высотой, равной диаметру.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному материальному и конструктивному расчету абсорбера.

2. Исходные данные для расчета

Схема насадочного абсорбера представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема насадочного абсорбера

Исходные данные приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Исходные данные

3. Материальный баланс и расход абсорбента

Материальный баланс сводится к определению конечной концентрации ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера и конечной концентрации ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера.

Определяем производительность по газовой смеси при температуре

= 20оС:

= ,

м3/с.

Определяем объемный и массовый расходы ацетона и воздуха по уравнениям:

м3/с;

м3/с;

;

.

Уравнение материального баланса по потокам имеет вид:

,

где  - массовый расход газовой смеси, входящей в аппарат;

 - массовый расход поглотителя, входящего в аппарат;

 - массовый расход обедненной газовой смеси, выходящей из аппарата;

 - массовый расход обогащенного поглотителя, выходящего из аппарата.

Поскольку начальные и конечные массовые расходы равны, то уравнение материального баланса по распределяемому компоненту запишется [2, с.47]:

  (3.1)

где  - массовый расход воздуха в газовой смеси, ,

 - начальная концентрация ацетона в воздухе, снизу, при входе в абсорбер, , по рекомендации [1, с.271-272]:

.(3.2)

Здесь  - начальная концентрация газовой смеси, , по исходным данным 0,1. Тогда подставив численные значения в формулу (3.2) получим:

;

 - конечная концентрация ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера, , по рекомендациям [1, с.280]:

,(3.3)

Здесь  - степень поглощения, по исходным данным 0,92. Подставив численные значения в формулу (3.3) получим:

;

 - массовый расход воды, ,

 - конечная концентрация ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера, :

.(3.4)

Здесь  - равновесная концентрация ацетона в воде, , находится из уравнения линии равновесия:

,

;

 - коэффициент избытка поглотителя, исходя из начальных условий .

Подставив численные значения в формулу (3.4), получим:

 - начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой вверх аппарата, , по рекомендациям [1, с.292] .

Строим на  диаграмме (рисунок 3.1) равновесную (по уравнению ) и рабочую линию.

Массовый расход воды найдем исходя из уравнения (3.1):

,

.

Тогда по формуле (3.1) найдем количество поглощаемого ацетона:

.

Рисунок 3.1 -  диаграмма процесса абсорбции

4. Определение движущих сил процесса

Движущую силу процесса абсорбции внизу аппарата находим по формуле [1, с.280]:

.(4.1)

Здесь  - начальная равновесная концентрация ацетона в воздухе, , находим по уравнению линии равновесия  при :

.

Тогда, подставив численные значения в формулу (4.1), получим:

.

Движущую силу сверху аппарата найдем по формуле [1, с.280]:

.(4.2)

Здесь  - конечная равновесная концентрация ацетона в воздухе, , находим по уравнению линии равновесия . Тогда по формуле (4.2):

.

Средняя движущая сила процесса абсорбции определяется по рекомендациям [1, с.280]:

, (4.3)

Тогда по формуле (4.3):

.

5. Определение поверхности массопередачи в абсорбере

.1 Выбор насадки

По рекомендациям [3, с.105] выберем насадку: керамические кольца Рашига, размером 15152. Удельная поверхность насадки , свободный объем , насыпная плотность , 22000 штук в 1, заполнение колоны - в навал. Коэффициент смачиваемости насадки  равный 1.

5.2 Определение скорости инверсии фаз и рабочей скорости газовой смеси и диаметра абсорбера

Скорость инверсии фаз находим по рекомендациям [1, с.281]:

,(5.1)

где  - фиктивная скорость газа, ;

 - удельная поверхность насадки, ;

 - ускорение свободного падения, ;;

 - свободный объем насадки, ;

 - плотность газовой смеси (при н.у.), по рекомендациям [1, с.293] условно принимаем равной плотности воздуха (при н.у.) ;

 - плотность воды (при н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;

 - динамический коэффициент вязкости жидкости, , по рекомендациям [1, с.499] ;

 - массовый расход жидкости, , перевод от в осуществляется путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом при , ;

 - массовый расход воздуха,  перевод от в осуществляется путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом, при , ;

 - коэффициент насадки, зависит от типа насадки, по рекомендациям [1, с.281] для колец .

Из равенства (5.1) выразим :

,

.

Рабочую скорость газа принимаем по рекомендациям [1, с.281] на 25% меньше фиктивной скорости:

,

.

Диаметр абсорбера находим по рекомендациям [3, с.106]:

, .

Здесь  - объемный расход газа, , по начальным условиям .

.

По рекомендациям [3, с.106] выбираем стандартный диаметр обечайки, применяемой в химической промышленности:

.

5.3 Определение коэффициента диффузии ацетона в воздухе

Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воздухе определяем по рекомендациям [1, с.277]:

,(5.2)

где  - коэффициент диффузии, ;

 - температура, , ;

 - давление (абсолютное), , ;

 - мольная масса ацетона, , ;

 - мольная масса воздуха, , ;

 - мольный объем ацетона, , по рекомендациям [1,с.277] ;

 - мольный объем воздуха, , по рекомендациям [1,с.277] ;

Подставив численные значения в формулу (5.2), получим:

.

5.4 Определение коэффициента диффузии ацетона в воде

Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воде определяем по рекомендациям [1, с.278-279]:

,(5.3)

где  - коэффициент диффузии, ;

 - динамический коэффициент вязкости жидкости, ;

 - мольная масса ацетона, , ;

 - мольный объем ацетона, , по рекомендациям [1,с.277] ;

 - мольный объем воды, , по рекомендациям [1,с.277] ;

 - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя. По рекомендациям [1, с.278] , .

Подставив численные значения в формулу (5.3), получим:

.

5.5 Поверхность массопередачи

Поверхность массопередачи в абсорбере определяется по формуле [1,с.280]:

,(5.4)

где  - поверхность массопередачи в абсорбере, ;

 - расход поглощаемого компонента;

 - коэффициент массопередачи, ;

 - средняя движущая сила, .

5.6 Формула для расчета коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе , выраженные через мольные доли компонента в газовой фазе находим по формуле [1, с.275-276]:

,. (5.5)

где  - коэффициент массотдачи для газовой фазы, ;

 - коэффициент массотдачи для жидкой фазы, ;

 - тангенс угла наклона линии равновесия, .

5.7 Определение коэффициента массоотдачи для газовой фазы

Коэффициент массоотдачи газовой фазы определяется по формуле [3, с.106]

,.  (5.6)

где  - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

 - коэффициент диффузии ацетона в воздухе, ;

 - эквивалентный диаметр насадки,

 .

Для колон с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи  можно находить из уравнения [3, с.106]:

,(5.7)

здесь  - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;  - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы находится по рекомендациям [3, с.106]:

.

Здесь  - динамический коэффициент вязкости газовой смеси, , условно равный динамическому коэффициенту вязкости воздуха, .

.

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы находим по рекомендациям [3, с.106]:

,

.

Согласно формуле (5.7):

.

Подставив численные значения в формулу (5.6), получим:

.

Для того чтобы получить  в нужной нам размерности , необходимо разделить полученное число на объем 1 газа при н.у. (22,4 ):

.

5.8 Определение коэффициента массотдачи для жидкой фазы

Коэффициент массоотдачи жидкой фазы определяется по формуле [3, с.107]:

,. (5.8)

где  - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;

 - коэффициент диффузии ацетона в воде, ;

 - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, .

По рекомендациям [3, с.107] приведенная толщина стекающей пленки жидкости равняется:

,(5.9)

где  - динамический коэффициент вязкости, , ;

 - плотность воды (н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;

 - ускорение свободного падения, , .

Подставив численные значения в формулу (5.9), получим:

.

Диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы может быть найден по рекомендациям [3, с.107]:

,(5.10)

здесь  - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;  - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости находится по рекомендациям [3, с.106-107]:

.(5.11)

Здесь  - площадь поперечного сечения абсорбера, , . Учитывая ранее найденный диаметр абсорбера , найдем площадь:

.

Тогда подставив численные значения в формулу (5.11), получим:

.

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости находим по рекомендациям [3, с.107]:

,

.

Согласно формуле (5.10):

.

Подставив численные значения в формулу (5.8), получим:

.

.

5.9 Определение коэффициента массопередачи

Подставив численные значения в формулу (5.5), получим:

.

5.10 Определение поверхности массопередачи

Подставив численные значения в формулу (5.4), получим:

.

6. Конструктивный расчёт

абсорбер массопередача диффузия ацетон

6.1 Определение геометрических параметров абсорбера с помощью уравнения массопередачи

Ранее в пункте 5.2 был найден диаметр абсорбера:

.

В пункте 5.8 была найдена площадь поперечного сечения абсорбера:

.

По рекомендациям [3, с.107] найдем высоту насадки:

, ,

.

6.2 Определение геометрических параметров абсорбера через высоту единиц переноса

Для проверки предыдущих вычислений, воспользуемся формулой для определения высоты насадочного абсорбера через высоту единиц переноса [1, с.282-283]:

,,(7.1)

где  - высота единиц переноса, . По рекомендациям [1, с.282]:

.(7.2)

Здесь  - постоянный по высоте колона массовый расход воздуха в газовой смеси, , ;  - средний коэффициент массопередачи, ; - удельная поверхность насадки, ;  - коэффициент смачиваемости насадки, .

 - общее число единиц переноса. По рекомендациям [1, с.282]:

.

Для случая, когда линия равновесия - прямая,  можно найти по формуле [1, с.282]:

.(7.3)

Подставив формулы (7.2) и (7.3) в (7.1), получим:

,.(7.4)

Подставив численные значения в (7.4), найдем высоту слоя насадки через высоту единиц переноса:

.

Следовательно, основные геометрические параметры насадочного абсорбера были найдены правильно.

Заключение

В ходе проделанной работы был выполнен материальный и конструктивный расчет, а так же произведен расчет процесса массопередачи.

Основные характеристики насадочного абсорбера

По результатам найденных параметров построен эскиз аппарата (приложение).

Литература

1.    Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981.

2.       Дытнекский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.

.        Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Д.Ю. Дытекского. - М.: Химия, 1983.

Приложение

Насадочный абсорбер