Расчёт насадочного абсорбера для улавливания ацетона из воздуха

 

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:

 

F = =                                   (1)

 

 

где Кх, Ку — коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2-с).

 

2.1 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

 

Массу переходящих из воздуха в поглотитель аммиака М находят из уравнения материального баланса:

 

М = G (Ун-Ук ) = L(Хк-Xн)                         (2)

 

где L, G — расходы соответственно чистого поглотителя и газа, кг/с;

Хн, Хк  начальная и конечная концентрации аммика в воде, кгА/кгВ;

Ун, Ук — начальная и конечная концентрации бензольных углеводородов в газе, кг А/кгГ.

Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранной для расчета размерности:

У =(М(Ац)*У)/Мг   (3)

 

н = 58*0,06/29 = 0,12 кг Ац/кг Г

к = 58*0,0015/29 = 0,003 кг Ац/кг Г

Конечная концентрация аммиака в воде Хк обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому Хк выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Примем расход поглотителя L в 1,5 раза больше минимального Lmin. Минимальный расход поглотителя найдем по графику зависимости между содержанием ацетона в воздухе и воде при температуре 25°С. Для этого строятся рабочая и равновесная линии процесса.

Равновесную линию строим по следующим данным:

У* = 1,68·Х

 

Х, кгАц/кгВ	У*, кгАц/кгГ
0	0
0,05	0,084

 

Зная Ук, проводим воображаемую линию до пересечения с равновесной линией. Точка пересечения и будет характеризовать минимальный расход поглотителя.

Получили концентрацию ацетона в воде, равновесную с концентрацией его в газе Ун = 0,087 кгАц/кгВ.

В этом случае конечную концентрацию Хк определяют из уравнения материального баланса:

 

М = Lmin( *Ун – н) = 1,5Lmin( к - н) (4)

 

Отсюда

к = ( *Ун +0,5 н)/1,5 = (0,087 – 0,5*0)/1,5 = 0,058

Lmin находим по графику (рис. 3) как тангенс угла наклона равновесной линии к оси Ох:

Lmin = (Ун-Ук) /( *Ун – н) (5)

Lmin =(0,12 – 0,03)/0,087 = 1,034

Удельный расход поглотителя равен:

lуд = 1,5Lmin = 1,5·1,034 = 1,55 кг/кг

Пересчитаем расход газа в выбранных единицах (кг/с):

G = ρоу·V = 1,293·2 = 2,57(кг/с),

ρоу –плотность воздуха при нормальных условиях.

Т.к. lуд = L/G, то из этого выражения находят расход поглотителя:

L = 1,55·2,57 = 4,00 (кг/с)

 

2.2 Расчёт движущей силы.

 

Движущая сила в единицах концентрации газовой фазы определяется по формуле:

 

Δ ср =

 

где Δ  и Δ  - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кгАц/кгГ (см. рис. 3).

В данном случае Δ  =  - *Хк и Δ  =  - *Хн , где *Хн и *Хк – концентрации ацетона в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на вхрде в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 3).

Δ  = 0,12 – 0,08 = 0,04 кгАц/Г

Δ  =0,003 – 0 = 0,003 кгАц/кгГ

Δ ср =  = 0,01429 кгАц/кгГ.

 

2.3 Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

 

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению:

 

lg  =А - В  (7)

 

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

µх,µв – вязкость соответственно поглотителя и воды.

А = -0,073, В = 1,75.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

ρу = ρоу· = 1,293·  = 1,205(кг/м3)

Решая уравнение(7), получаем ωпр = 4,16 м/с. Примем ω = 0,2 ωпр;

ωпр = 0,832 м/с. Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

 

d =  =  (8)

 

d =  = 1,67 м.

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d≈1,8 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонке будет равна:

ω = 0,832·  = 0,72 (м/с)

2.4 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

 

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

 

U = L/ρx·S (9)

 

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м2 .

Подставив, получают:

U = 4/(998·0,735·3,82) = 0,00158(м3/м2·с) = 15,8·10-4(м3/м2·с)

Доля активной поверхности насадки ψа может быть найдена по формуле:

 

ψа =  (10)

 

где р и q –коэффициенты, зависящие от типа насадки; р = 0,0078, q = 0,0146

ψа = 0,57

 

2.5 Расчёт коэффициентов массоотдачи

 

Для регулярных насадок, к которым относятся кольца Рашига, коэффициент массоотдачи в газовой фазе βу находят из уравнения:

 

Nu′у = 0,167  (11)

 

где Nu′у = βу /Dy - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда βу = 0,167  (12)

 

где Dy – коэффициент диффузии ацетона в газовой фазе, м/с2;

Rey = ω ρy/εµу – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

 = µу/ ρyDy – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

µу – вязкость газа,Па·с;

l – высота элемента насадки, м.

Рассчитаем коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воздухе Dy.

При отсутствии экспериментальных данных коэффициент молекулярной диффузии газа а в газе В (или газа В в газе А) может быть вычислен по формуле:

 

Dy =  (13)

 

Где Dy – коэффициент диффузии ацетона в газовой фазе, м/с2;Т – температура, К; р –давление, кгс/см2; МА и МВ – молярные массы газов А и В;vA,vB – мольные объёмы газов А и В, для ацетона vA = 74 см3/моль, для воздуха vB = 29,9 см3/моль.

Dy =  = 5,62·10-4(м2/с)

Rey = 0,72·0,027·1,205/0,735·17,3·10-6 = 1842

17,3·10-6/5,62·10-4·1,205= 0,03

По формуле (12) вычисляем коэффициент массоотдачи в газовой фазе βу = 0,167 =0,212 (м/с)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе βх находим из обобщённого уравнения, пригодного в том числе, и для регулярных насадок:

 

Nu′х = 0,0021  (13)

 

где Nu′х = βх·δпр/Dх – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

 

Отсюда βх = 0,0021(Dх/δпр)  (14)

 

где Dх – коэффициент диффузии ацетона в воде, м2/с;

δпр= (µх2/ ρх2g)1/3 - приведённая толщина стекающей плёнки жидкости, м;

Reх = 4Uρх/аµх – модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнке жидкости;

 =µх/ρхDх – диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

В разбавленных растворах Dх может быть вычислен достаточно точно по уравнению:

 

Dх = 7,4·10-12  (15)

 

где М – молярная масса воды, кг/кмоль; Т – температура воды, К; µх- вязкость воды, мПа·с; мольный объём ацетона, см3/моль;

β – параметр, учитывающий ассоциацию молекул.

Подставив, получим:

Dх = 7,4·10-12  = 1,12·10-9(м2/с)

δпр= (1·10-3)2/(998)29,8)1/3 = 4,7·10-5 (м)

Reх = 4·0,00158·998/110·10-3 = 5,73

 =1·10-3/998·1,12·10-9 = 890

Вычисляем коэффициент массоотдачи в жидкой фазе по формуле (14):

βх =(0,0021· 1,12·10-9)/ (4,7·10-5)·5,730,75·8900,5 = 5,52·10-6(м/с)

 

2.6 Расчёт коэффициента массопередачи

 

Коэффициент массопередачи Ку находим из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

 

Ку=  (16)

 

где m – коэффициент распределения,находится из уравнения равновесной линии (см. рис. 3); кг М/кг Г.

Выразим βх и βу в выбранной для расчёта размерности:

βу = 0,212ρу = 0,212·1,205 =0,255(кг/м2·с)

βх =5,52·10-6 ρх =5,52·10-6·998 = 5,5·10-3 (кг/м2·с)

Таким образом, Ку =  =0,0032 (кг/м2·с)

 

2.7 Определение поверхности массопередачи высоты абсорбера

 

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

 

F =  =  (17)

 

где Кх и Ку – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам; кг/(м2·с), М – производительность абсорбера по поглощаемому компоненту, которая находится из уравнения (2):

М = G(Ун-Ук); М = 2,55·(0,12 – 0,003) = 0,301(кг/с)

F= 0,301/0,0032·0,01429= 6582(м2).

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

 

Н=  (18)

 

Подставив, получим: Н = 6582/0,785·110·1,820,57 =41 (м)

Принимая высоту яруса насадки 3 м, а расстояние между ярусами 0,3 м, определим высоту насадочной части абсорбера:

Нн = Н+ 0,3(Н/3 – 1) = 41+0,3(41/3- 1) = 44,8 (м)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Примем это расстояние равным 1 – 1,5d.

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны. Примем это расстояние равным 2,4 м. Тогда общая высота одного абсорбера:

На = Нн+1,05 d+2,4= 44,8+1,05*1,8+2,4 = 49,1 м.

 

2.8 Расчёт гидравлического сопротивления абсорбера

 

Гидравлическое сопротивление ΔР находят по формуле:

 

ΔР = ΔРс·10bU (19)

где ΔРс – гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки, Па;U- плотность орошения, м3/(м2·с); b- коэффициент(b = 169).

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют ΔРс по уравнению:

 

ΔРс = λ· ρу (20)

 

Где λ - коэффициент сопротивления регулярных насадок; в свободном сечении насадки; /ε; м/с.

Коэффициент сопротивления регулярных насадок находят по уравнению:

 

λ = λтр+ξ(dэ/l) (21)

 

где λтр – коэффициент опротивления трению (λтр = 0,053);ξ – коэффициент местного сопротивления:

 

ξ = 4,2/ε2 – 8,1/ε+3,9 (22)

 

ξ = 4,2/(0,735)2 – 8,1/0,735+3,9 = 7,78 – 11,02+3,9 = 0,66

λ = 0,053+0,66(0,027/0,05) = 0,41

ΔРс = 0,41·(41/0,027)·(0,72/0,735)2·1,205 = 720(Па)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ΔР равно:

ΔР = 720·10169·0,00158 = 1327 (Па)

 

 

3 Технические параметры

 

Технические параметры насадочного абсорбера для улавливания ацетона из воздуха представлены в таблице:

 

Параметр	Единицы измерения	Значение
Газ	-	Воздух
Целевой компонент	-	Ацетон
Поглотитель	-	Вода
Концентрация целевого компонента: в газовой фазе: -начальная: -конечная: в жидкой фазе: -начальная: -конечная:	КгАц/КгГ     КгАц/КгВ	0,12 0,003   0 0,058
Расход газа	Кг/с	2,59
Расход поглотителя	Кг/с	4,00
Средняя движущая сила	КгАц/КгГ	0,01429
Диаметр абсорбера	м	1,8
Рабочая скорость газа	м/с	0,72
Плотность орошения	м3/(м2·с)	0,00158
Доля активной поверхности насадки	-	0,57
Коэффициенты массоотдачи: в газовой фазе: в жидкой фазе:	Кг/(м2·с)	0,255 0,0055
Коэффициент массопередачи	Кг/(м2·с)	0,0032
Поверхность массопередачи	М2	6582
Высота насадки абсорбера	м	41
Высота насадочной части абсорбера	м	44,8
Высота одного абсорбера	м	49,1
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки	Па	1327

 

Заключение

 

В данной курсовой работе представлен расчёт насадочного абсорбера с насадками в виде регулярных колец Рашига (50х50х5) для улавливания ацетона из воздуха водой при температуре 200С.