Расчет насадочного абсорбера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет химико-технологический

Кафедра «Процессы и  аппараты химических производств»

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

 

 

 

 

 

                                 Выполнил:

                                                      студент группы ХТ-344

                                                               _________    Вахменин А. В.

                                 Проверил:

                                                                доцент кафедры ПАХП, к.т.н.

                                                               _________    Шибитова Н.В.    

                                                              Курсовая работа защищена

                                                               с оценкой  ______________

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2012 г.

 

Задание:

1. Рассчитать абсорбер для улавливания Сl₂ из воздушной смеси водой при следующих условиях:
1. Производительность по газу при нормальных условиях V₀=165 м³/ч.
2. Концентрация Сl₂ в воздухе при нормальных условиях:

- на входе в абсорбер  y_н = 0,078 кг/м³;

- на выходе из абсорбера  y_к = 0,0015 кг/м³.

3. Содержание Cl₂ в воде, подаваемой в абсорбер x_н = 0,0001 % (масс.).
4. Абсорбция изотермическая, средняя температура потоков в абсорбере   t = 22 ⁰С.
5. Абсорбер насадочный (насадка кольца Рашига 50´50 мм).
6. Давление в колонне 0,9 МПа.

2. Определить  диаметры штуцеров (для входа  исходной газовой смеси, для  выхода газовой смеси из колонны,  для входа абсорбента, для выхода  насыщенного раствора абсорбента).

3. Разработать технологическую  схему абсорбции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Задание…………………………………………………………………….

Введение…………………………………………………………………...

1. Расчет насадочного абсорбера………………………………………..

1. Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя……………..

1.2 Движущая сила массопередачи……………………………………..

            1.3 Коэффициент массопередачи……………………………………….

            1.4 Скорость газа и диаметр абсорбера………………………………...

1.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки…………...

1.6 Расчет коэффициентов массоотдачи……………………………….

1.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера…………………

1.8 Гидравлическое сопротивление абсорбера……………………..….

1.9 Расчет штуцеров…………………………………………………….

2 Технологическая схема абсорбции……………………………………

Заключение………………………………………………………………

Список использованной литературы…………………………………...

Приложение А…………………………………………………………...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами. Абсорбция – процесс  поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно словно разделить на следующие группы: поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыливающие.

Области применения абсорбционных  процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.      

Различают физическую абсорбцию  и хемосорбцию. При физической абсорбции  растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами. Если при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую.  [1, с. 434]

Целью работы является расчет абсорбционной установки и разработка технологической схемы процесса абсорбции.

 

 

 

 

 

 

1. Расчет  насадочного абсорбера [2, с. 192 -202]

1.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу Cl₂, переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени определяем из уравнения материального баланса (1):

                               M = G × (Y_н – Y_к) = L × (Х_к – Х_н),                               (1)

где L – расход чистого поглотителя, ;

            G – расход инертной части воздушной смеси, ;

            Х_н, Х_к – начальная и конечная концентрация Cl₂ в поглотительной воде, ;

Y_н, Y_к – начальная и конечная концентрация Cl₂ в воздушной смеси, .

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной  для расчета размерности по формулам (2) и (4) соответственно:

 

где ρ_0y – средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях, кг/м³.

Средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях определяем по уравнению (3):

где ρ_0y – средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях, кг/м³;

 

 

 

 

Конечную концентрацию Сl₂ в поглотительной воздушной смеси X_к X_к выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Для воздушной смеси расход поглотительной воды L принимают в 1,5 раза больше минимального L_min. В этом случае конечную концентрацию X_к определяем из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (6):

M = L_min × (*  - X_н) = 1,5 × L_min × (X_к – X_н),                    (6)

где * – концентрация Cl₂ в жидкости, равновесная с газом начального состава, кг Сl₂/кг Н₂О.

Уравнение равновесной линии, выраженное через относительные массовые концентрации, выглядит в виде уравнения (7)

где m – коэффициент распределения, определяется по формуле (8);

М_воды , М_возд – молярные массы воды и воздуха, кг/кмоль.

где E – коэффициент Генри.

E = 0,4228 × мм рт. ст. [3, с. 539]

P_общ = 0,9 Мпа.

 

 

На основе этого получаем уравнение  равновесной линии (9), которое отобразим  на рисунке 1.

Расход инертной части газа определяем по уравнению (9):

G = V₀ × (1 – y_об) × (ρ_0y – y_н),                                  (10)

где y_об – объемная доля Сl₂ в газе.

Объемную долю Cl₂ в газе определяем по уравнению (10):

×

где - мольная масса .

= 70,9.

 

 

G = 0,0458 × (1 – 0,0246) × (1,44 – 0,078 ) = 0,0612 кг/с .

Производительность абсорбера  по поглощаемому компоненту определяем по уравнению (11):

M = G × (Y_н – Y_к) .                                         (12)

М = 0,0612 × (0,0569 – 0,001) = 0,0034 кг/с.

По рисунку 1 определяем=0,00146 кг Сl₂ /кг воды. Тогда из формулы (6) получим выражение (13)

Расход поглотителя (воды) определяем по уравнению (14):

 

Удельный расход поглотителя определяем по уравнению (15):

 

Тогда уравнение рабочей линии  запишем в виде формулы (16)

Изобразим эту линию  на рисунке 1.

2. Движущая сила массопередачи

Движущую силу в единицах концентраций газовой фазы определяем по уравнению (17):

где DY_б и DY_м – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг Cl₂/кг возд.смеси.

    DY_б и DY_м определяем по уравнениям (18) и (19) соответственно:

DY_б = Y_н – _* .                                      (18)

DY_м = Y_к – * ,                                      (19)

где _* и _{* - концентрации} Сl₂ в воздушной смеси, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него, кг Cl₂/кг возд.смеси.

DY_б = 0,057 – 0,0376 = 0,0194 кг Cl₂/кг возд.смеси;

DY_м = 0,001 – 0 = 0,001 кг Cl₂/кг возд.смеси.

 

3.  Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи K_y определяем по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений (20):

где b_x и b_y – коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазам, кг/м∙с;

             m – коэффициент распределения, кг Н₂О/кг возд.смеси .

Для расчета коэффициентов  массоотдачи необходимо выбрать тип насадки рассчитать скорости потоков в абсорбере.

Характеристики насадки  керамические кольца Рашига 50 ´ 50 мм:

- удельная поверхность a = 90 м²/м³ ;

- свободный объем e = 0,785 м²/м³;

- эквивалентный диаметр d_э=0,035 м;

  A = - 0,073;

  B = 1,75.

Плотность газовой смеси на входе  в аппарат при нормальных условиях определяем по уравнению (21):

Плотность газовой смеси на входе  в аппарат при рабочих условиях определяем по уравнению (22):

 

4.  Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой  наступает захлебывание насадочных абсорберов, определяем по уравнению (23):

 

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

            µ_x , µ_в – вязкость соответственно поглотителя (воды) при температуре в абсорбере и воды при  ⁰С, Па × с;

             А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;

            L и G – расходы фаз, кг/с;

плотность воды при 22 ⁰ С, кг/м³.

= 996,95 кг/м³; [3, c. 512]

µ_x = 0,894 × Па × с; [3, c. 514]

µ_в = 1,005 × Па × с. [3, c. 514]

 

 

 

 

Решая это уравнение, получаем w_пр = 0,083 м/с.

При улавливании Cl₂ основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость w принимают равной 0,3 – 0,5 от предельной.

Примем w = 0,4 × w_пр = 0,4 × 0,083 = 0,033 м/с.

Диаметр абсорбера находим по уравнению (24):

где V- объемный расход газа при условиях в абсорбере, м/с.

 

 

Выбираем стандартный  диаметр обечайки абсорбера d_ст = 0,5 м.[3, с.197]

Действительную рабочую скорость газа в колонне определяем по уравнению (25):

 

5. Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) определяем по уравнению (26):

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м².

Площадь поперечного сечения абсорбера определяем по уравнению (27):

 

Минимальную эффективную  плотность орошения U_min определяем по уравнению (28):

                                           U_min = a × q_эф ,                                               (28)     

где q_эф – эффективная линейная плотность орошения, м²/с.