Расчёт насадочного абсорбера для улавливания ацетона из воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчёт насадочного абсорбера для улавливания ацетона из воздуха

Исходные данные:

Расход газа 1,5 м3\с

Начальное содержание ацетона в воздухе 0,1 кмоль А/кмоль Б

Конечное содержание ацетона в воздухе 0,002 кмоль А/кмоль Б

Поглотитель - вода

Температура 200С

Насадка - нерегулярные кольца Рашига

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:

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

1.1 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

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

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

, начальная и конечная концентрации ацетона в воздухе, кгА/кгВ;

, -- начальная и конечная концентрации содержания ацетона в воде, кг А/кгГ.

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

кг Ац/кг Г

кг Ац/кг Г

Конечная концентрация аммиака в воде обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Примем расход поглотителя Lв 1,5 раза больше минимального Lmin. Минимальный расход поглотителя найдем по графику зависимости между содержанием ацетона в воздухе и воде при температуре 20°С. Для этого строятся рабочая и равновесная линии процесса.

Равновесную линию строим по следующим данным:

У* = 1,68·Х

Х, кгАЦ/кгВ	Y*, кгАЦ/кгГ
0	0
0,05	0,84

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 = 0,12 кгАц/кгВ.

В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса:

(4)

Отсюда

Lmin находим по графику как тангенс угла наклона равновесной линии к оси Ох:

(5)

Удельный расход поглотителя равен:

lуд = 1,5Lmin = 1,5·1,63 = 2,45 кг/кг

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

,

-плотность воздуха при нормальных условиях.

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

L = 2,45·1,94 = 4,75 (кг/с)



1.2 Расчёт движущей силы

концентрация массопередача поглотитель

Движущая сила в единицах концентрации газовой фазы определяется по формуле:

где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кгАц/кгГ.

В данном случае

Д = - *Хк и Д = - *Хн

где *Хн и *Хк - концентрации ацетона в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на выходе в абсорбер и на выходе из него.

Д = 0,2 - 0,134 = 0,066 кгАц/Г

Д =0,004 - 0 = 0,004 кгАц/кгГ

кгАц/кгГ.

1.3 Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению:

(7)

где щпр - 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:

(кг/м3)

Решая уравнение(7), получаем щпр = 2,08 м/с. Примем щ = 0,4 щпр;

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

(8)

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d?1,6 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонке будет равна:

)

1.4 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

где S - площадь поперечного сечения абсорбера, м2.

Подставив, получают:

U = 4.75/(1000·0,785·1.62) = 0,00236(м3/м2·с) = 2,36·10-3(м3/м2·с)

Доля активной поверхности насадки ша может быть найдена по формуле:

где р и q -коэффициенты, зависящие от типа насадки; р = 0,0367, q = 0,0086

1.5 Расчёт коэффициентов массоотдачи

Для нерегулярных насадок, коэффициент массоотдачи в газовой фазе ву находят из уравнения:

где Nu?у = ву/Dy - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда

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

Rey = щdэсy/еµу - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

- 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:

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.

(м2/c)

Rey = 0,8·0,015·1,205/(0,74·17,3·10-6) = 1129.5

По формуле (12) вычисляем коэффициент массоотдачи в газовой фазе

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

где Nu?х = вх·дпр/Dх - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы. Отсюда вх = 0,0021(Dх/дпр)

(14)

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

дпр= (µх2/ сх2g)1/3 - приведённая толщина стекающей плёнки жидкости, м;

Reх = 4Uсх/аµх - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнке жидкости;

=µх/схDх - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

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

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

в - параметр, учитывающий ассоциацию молекул.

Подставив, получим:

дпр=((1·10-3)2/10002/9,8)1/3 = 5,3·10-5 (м)

Reх = 4·0,00236·1000/(200·10-3) = 47,2

=1·10-3/1000·1,12·10-9 = 891

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

вх =(0,0021· 1,12·10-9)/ (5,3·10-5)·47,2 0,75·891 0,5 = 2,55·10-2(м/с)



1.6 Расчёт коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи Ку находим из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

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

Выразим вх и ву в выбранной для расчёта размерности:

ву = 0,514су = 0,514·1,205 =0,619(кг/м2·с)

вх =2,55·10-5 сх =2,55·10-5·1000 = 2,55·10-2 (кг/м2·с)

Таким образом,

1.7 Определение поверхности массопередачи высоты абсорбера

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

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:

М = G(Ун-Ук); М = 1,94·(0,2 - 0,004) = 0,38 (кг/с)

F= 0,38/0,0148·0,022= 1167(м2).

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

Подставив, получим: Н = 1167/0,785·200·1,62 ·0,48 =6 (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) = 6+0,3(6/3- 1) = 6,3 (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+1d+2,4= 6,3+1,6+2,4 = 10,3 м.

1.8 Расчёт гидравлического сопротивления абсорбера

Гидравлическое сопротивление ДР находят по формуле:

где ДРс - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки, Па; U- плотность орошения, м3/(м2·с); b- коэффициент (b = 184).

Гидравлическое сопротивление сухой насадки ДРс определяют по уравнению:

где U- плотность орошения, м3/(м2·с); b- коэффициент (b = 184),- скорость газа в свободном сечении насадки .

Коэффициент сопротивления ДРс определяют по уравнению:

л = 16/1129.50.2 = 3.9

ДРс = 3.9*6*1.082*1.205/0.015/2 = 1096(Па)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ДР равно:

ДР = 1096·10 184·0,00236 = 2979 (Па)



2. 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	0,2 0,004 0 0,08
Расход газа	Кг/с	1.94
Расход поглотителя	Кг/с	4,75
Средняя движущая сила	КгАц/КгГ	0,022
Диаметр абсорбера	м	1,6
Рабочая скорость газа	м/с	0,8
Плотность орошения	м3/(м2·с)	0,00236
Доля активной поверхности насадки	-	0,48
Коэффициенты массоотдачи: в газовой фазе: в жидкой фазе:	Кг/(м2·с)	0,514 0,0255
Коэффициент массопередачи	Кг/(м2·с)	0,0148
Поверхность массопередачи	М2	1167
Высота насадки абсорбера	м	6
Высота насадочной части абсорбера	м	6.3
Высота одного абсорбера	м	10.3
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки	Па	2979



Заключение

В данной курсовой работе представлен расчёт насадочного абсорбера с насадками в виде нерегулярных колец Рашига (25х25х3) для улавливания ацетона из воздуха водой при температуре 200С.

Размещено на Allbest.ru

...