Расчет абсобционной установки

Исходные  данные:

1) количество  газовой смеси, поступающей в  абсорбер, V= 12 м³/с;

2) температура  газовой смеси, поступающей на  установку t = 110 ºC,

3) начальная  концентрация ацетона в газовой смеси y_н= 8 % об.;  

4) степень  извлечения ε = 94 %;        

5) начальная  массовая концентрация  ацетона в воде

=0,0 % масс.;

6) степень  насыщения η = 77%;

7) начальная  температура воды, поступающей в  абсорбер t₁ =16 ºС;

8) давление  в абсорбере р = 1,1 атм;

9) начальная  температура охлаждающей воды в теплообменнике t_В1 = 19 ºС

10) концентрация вещества в поглотителе у^* = 1,6 х. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Расчёт материального  баланса

       Начальные относительные массовые составы  газовой и жидкой фаз определяются по формулам:

              , 

              , 

       где М_А, М_В – молекулярные массы ацетона и воздуха, кг/кмоль.

      Молекулярная  масса ацетона (СН₃)СО , молекулярная масса инертной части (воздуха) .

       

 кг/кг воды;

       

 кг/кг воздуха.

       Концентрация  ацетона  в газовой фазе на выходе из абсорбера определяется по формуле:

              , 

       где - степень извлечения.

       

 кг/кг воздуха.

       Для определения равновесной концентрации ацетона выполним расчёт в следующей последовательности. Задаваясь рядом значений Х – конечных концентраций ацетона в воде, вытекающей из абсорбера, рассчитывается равновесная концентрация ацетона в газовой смеси по формуле  У^* = 1,6 Х.

       Конечную  рабочую концентрацию ацетона в жидкости на выходе из абсорбера определяют по формуле:

              , 

       где - равновесная концентрация поглощаемого компонента;

         - степень поглощения, =77%

       

       Результаты  расчёта сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты расчета

 

     Линия равновесия представлена на рисунке 1.

     При    , тогда

       кг/кг воды.

Рабочая линия: т.А - ,  кг/кг воды,

т. В - , кг/кг.

     Определим объем газовой смеси, поступающей в абсорбер после холодильника. Температура газовой смеси  на входе в абсорбер принимается на 5º С выше температуры воды в абсорбере t = 16 + 5 = 21º С.

      ,     

где t_Н – начальная температура газовой смеси,  t_Н = 110º С;

       Р₀ = 1 атм – давление газа при нормальных условиях,

       Р = 1,1 атм – давление газа в абсорбере.

     

     Количество  ацетона, поступающего в абсорбер, равно

     

,

     где ρ₁ – плотность паров ацетона при условиях в колонне, определяется по формуле

,

Количество  воздуха, поступающего в колонну, равно

,

           где ρ₂ – плотность воздуха при условиях в колонне, определяется по формуле

,

Плотность газовой смеси, поступающей на абсорбцию, определим по формуле

;

Количество  газовой смеси, поступающей в  абсорбер, равно

Количество  поглощенного ацетона

 кг/с.

Расход  воды в абсорбер:

      

. 

       2 Расчет  насадочного   абсорбера 

       2.1 Определение скорости газа и  диаметра абсорбера

       Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 35х35х4 мм, неупорядоченные. 

        Характеристика насадки: удельная поверхность а = 140 м²/м³; свободный объём V_с = 0,78 м³/м³; эквивалентный диаметр d_э = 0,022 м.

       

        Предельная скорость газа в насадочных абсорберах определяется по уравнению:

              , 

                   А – коэффициент для насадки  из колец, А=0,022.

       

    

;

       

       Рабочая скорость газа в колонне:

              , 

       

м/с.

       Диаметр колонны:

              ,  

м.

       Выбираем  стандартный диаметр обечайки колонны  D = 2,6 м.

       Плотность орошения колонны:

             , 

 м³/(м²·с).

       Оптимальная плотность орошения:

       

,

       где b – коэффициент, при абсорбции паров органических жидкостей (паров ацетона) водой b = 2,58·10^-5 [2].

       

 м³/(м²·с).

       

       Так как  >1,

       Определим действительную скорость газа  в  абсорбере

        ;  

       

.

       2.2 Определение высоты насадочной колонны

     Определим движущую силу процесса по рисунку 1:

на входе в абсорбер

на выходе из абсорбера 

Среднюю движущую силу вычислим по формуле

;      

       

     Определим свойства газовой смеси.

Рассчитаем вязкость газовой фазы

              , 

       где М_г - мольная масса газовой фазы,

       

;

       

 кг/кмоль.

       Значения  динамической вязкости компонентов  μ, Па·с определим по таблице [4] при температуре 21 ºС  μ_сп = 0,0074·10^-3 Па·с;

       μ_возд = 0,0183·10^-3  Па·с [1, рис VI].

       

       

.

       

       Коэффициент диффузии ацетона  в воздухе при 25 ºС  определяется по уравнению:

        ,        

      где D_Г0 – коэффициент диффузии ацетона в воздухе при  
Р = 0,1 МПа и температуре 0 ºС, Т = 273 К, D_Г0 = 0,082 ·10^-4 м²/с [6];

            T – температура газовой смеси в колонне, Т = 273 + 21 =294 К;

              м²/с.

       Критерий  Рейнольдса для газовой фазы равен

              ,  

       

.

       Критерий  Прандтля:

              ,  

       

.

       Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для  неупорядоченных насадок определяется по формуле [2]   ,  

       где с и m – коэффициенты, для неупорядоченных насадок[2] m = 0,655; С = 0,407

       

 м/с.

       Выразим в выбранной для расчёта размерности:

              ,  

       

 кг/(м²·с).

       Для определения коэффициента массоотдачи  в жидкой фазе рассчитываем следующие величины:

       

       – приведённая толщина стекающей  пленки жидкости:

       ,  

где вязкость воды при температуре жидкости t_ж = 21°C

μ_ж = 1,0·10^-3 Па·с.

м.

       –модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнке жидкости:

              ,  

       

.

       –диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

              ,  

       где - коэффициент диффузии ацетона в воде при 21 ºС,

        м/с [6].

       

.

       Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находим  по уравнению:

              ,  

       

м/с.

       Выразим в выбранной для расчёта размерности:

              ,  

       

 кг/м²·с.

       Находим коэффициент массопередачи для  газовой фазы по уравнению:

              ,  

       

значение коэффициента m определяется по формуле:

              ,  

       

.

       

 кг/(м²·с).

       Площадь поверхности массопередачи в абсорбере равна: