Расчет абсорбера. 2

4 РОЗРАХУНОК ОСНОВНОГО ОБЛАДНАННЯ


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


 

Спроектувати абсорбційну установку безперервної дії для поглинання водою компонента з його суміші з повітрям. Тип колони вибрати самостійно. Колона працює під атмосферним тиском. Початкова суміш, містить 8% об., ступінь абсорбції компоненту 98%, температура абсорбції 20℃. Витрати початкової суміші 2,5⁄с. газова суміш і абсорбент охолоджується до температури абсорбції водою в холодильнику. Температура газової суміші перед холодильником 75℃, температура абсорбенту після регенерації 60℃. Початкова температура охолоджуючої води прийняти 10℃, ступінь                                               насищення  - 0,75.

Виконати  розрахунок абсорбційної колони і теплообмінника – холодильника абсорбенту.

Дано:

Поглинаємий компонент - , інертний газ – повітря.

V=2, 5⁄с=9000 ⁄год.

y=8% об.

C=98%

t=20℃

=75℃

=60℃

=10℃

Тип колони – посадкова.

P=0,1МПа


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


4.1 Матеріальний баланс

 

Визначаю масову долю рідкої фази за формулою:

 

                                       =;                                                (4.1)   

     

де  – відносна мас доля, кг/кг суміші.

 

 = = 0,002 

 

= = 0,005

 

= = 0,01

 

= = 0,02

 

= = 0,03

= = 0,041

 

= = 0,052

 

= = 0,063

 

= = 0,075

 

  = =0,086 

Визначаю  мольну долю рідкої фази за формулою:

 

                                   х =  ;                                        (4.2)  

 

де Х  – мольна доля рідкої фази, кмоль/кмоль суміші;

М – мольні маси компонентів, кг/кмоль.

        

= =0,002

= =0,0052

= = 0,010

= = 0,021

= = 0,031

= = 0,041

= = 0,053

= = 0,060

= = 0,069

= =0,078

 

Визначаю температуру t, за формулою :


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


(4.3) 

          

= 20+0 = 20℃

= 20+(494,0330,003) = 20+1,48 = 21,48℃≈21℃

= 20+(494,0330,008) = 20+3,95 = 23,95℃≈24℃

= 20+(494,0330,018) = 20+8,89 = 28,89 ℃≈29℃

= 20+(494,0330,028) = 20+13,83 = 33,83℃≈34℃

= 20+(494,0330,038) = 20+18,77 = 38,77℃≈39℃

= 20+(494,0330,048) = 20+23,71 = 43,71℃≈44℃

= 20+(494,0330,058) = 20+28,65 = 48,65℃≈49℃

= 20+(494,0330,068) = 20+33,59 = 53,59℃≈54℃

= 20+(494,0330,078) = 20+38,53 = 58,53℃≈59℃

Константа Генрі Ψ:   [11,826с.]

= 0,832 Па,  = 1,36 Па, = 2,15 Па,= 3,36 Па,= 5,06 Па

Проводжу інтерполяцію:

 9 =  0,919 Па;

 6 =  1,06 Па;

 =  1,34 Па;

 6= 1,70 Па;

 = 2,13 Па;

 = 3,32 Па;

 = 3,32 Па;

  6=4,21 Па.


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


Перевожу  в міліметри ртутного стовпчика:

  1. 0,832 760 = 632,32 мм. рт. ст.
  2. 0,919760 = 698,44  мм. рт. ст.
  3. 1,06 760 = 805,6  мм. рт. ст.
  4. 1,34 760 =1033,6  мм. рт. ст.
  5. 1,70 760 =1292  мм. рт. ст.
  6. 2,13 760 =1634  мм. рт. ст.
  7. 2,75 760 =2090  мм. рт. ст.
  8. 3,32 760 =2533,6  мм. рт. ст.
  9. 4,21 760 =3199,6 мм. рт. ст.
  10. 5,06 760 =3845,6 мм. рт. ст.

Знаходжу  закону Генрі:

 

                                                = Ψх                                                        (4.4)

 

  1. 632,32 0,002 =1,26 мм.рт.ст.
  2. 698,44 0,0052 = 3,63 мм.рт.ст.
  3. 805,6 0,010 = 8,05 мм.рт.ст.
  4. 1033,6 0,021 = 21,70 мм.рт.ст.
  5. 1292 0,031= 40,05 мм.рт.ст.
  6. 1634 0,041 = 66,99 мм.рт.ст.
  7. 2090 0,053 = 110,77 мм.рт.ст.
  8. 2533,6 0,060 = 152,01 мм.рт.ст.
  9. 3199,6   0,069 = 220, 77 мм.рт.ст.
  10. 3845,6 0,078 = 299,95 мм.рт.ст.

 

Знаходжу  мольну масу компонента в газовій фазі за формулою:

 

                                                       =                                         (4.5)

 

= = 0,0156

= = 0,00451

= = 0,0100

= = 0,0270

= = 0,0499

= = 0,0836

= = 0,138

= = 0,191

= = 0,278

= = 0,381


Результати розрахунку приведені в таблиці  -  4.1Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


 

 

 

 

 

 

0,08

0,086

0,078

60

3845,6

299,95

0,381

0,07

0,075

0,069

54

3199,6

220,77

0,278

0,06

0,063

0,060

50

2533,6

152,01

0,191

0,05

0,052

0,053

44

2090

110,77

0,138

0,04

0,041

0,041

40

1634

66,99

0,0836

0,03

0,03

0,031

34

1292

40,05

0,0499

0,02

0,02

0,021

30

1033,6

21,70

0,0270

0,01

0,01

0,010

24

805,6

8,05

0,0100

0,005

0,005

0,0052

21,5

698,44

3,63

0,00451

0,002

0,002

0,002

20

632,32

1,26

0,00156

 

 

х

T, ℃

Ψ, Е

мм.рт.ст.

= Ψ•х

  




Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ



Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


   Кількість аміаку, що переходить із газової суміші в поглинач – воду, визначають з рівняння матеріального балансу.

Визначаю  початковий відносний масовий склад  газової і рідкої фази:

 

= = 0,002 кг⁄кг води

= = 0,023 кг⁄кг повітря

 

Концентрація  аміаку в газовій суміші на виході з абсорбера:

 

                                   = (1-С) ;                                                      (4.6)

 

 = 0,077 (1-0,98) = 0,00150 кг⁄кг повітря

 

Далі  перераховую відносні масові концентрації в мольній долі Х за рівнянням   (4.7)  і заношу в таблицю 4.1.

 

=   =                                          (4.7)

 

=   =   ,

 

де MNH3 і Mпов. – мольні маси і повітря, кг⁄кмоль, [1,231с.]

При парціальному тиску  в постійному газі  Р=0,1 мПа, рівноважна концентрація в рідині, яка витікає з абсорберу, складає =0,056 кг⁄кг. При ступені насищення води аміаком  η=0,75. Кінцева концентрація аміаку в рідині знаходиться за формулою:

 

 = η                                                    (4.8)

 

 =0,0560,75= 0,042 кг⁄кг води.

 

де η – ступінь насичення води аміаком.


Приймаємо, що газова суміш, поступаючи на установку із колони синтезу, перед  подачею в колону охолоджується  в холодильнику до Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


температури 20℃. В такому випадку, об’єм газової суміші, який поступає в абсорбер, дорівнює:

 

Vг =VT/(tг+Т)                                                    (4.9)

 

де tг – температура газу, ℃

 

Vг=2, 5293⁄ (75+273) =2, 10 ⁄с

 

Кількість аміаку, яка подається в колону:

 

= Vг y ;                                         (4.10)

 

де  – густина аміаку при 20℃, кг ⁄[2,513с.]

 

= 2,10 0,080,717= 0,120 кг⁄с,    

 

Кількість повітря,яке подається  в колону:

 

G= VгСзал.,                                             (4.11)

 

де – густина повітря при 20℃, кг ⁄

 

G=2, 100, 921, 2= 2, 31 кг⁄с,

 

Густина газу, що поступає на абсорбцію:

 

 = (4.12)

 

= 1,15 кг ⁄

 

Кількість поглинутого аміаку:

 

=                                            (4.13)

 

де  - ступінь абсорбції компоненту;

 – концентрація  поглинає мого компонента.

 

 0,1200,98= 0,117 кг⁄с

 

Витрати води в абсорбер:

 

L =                                          (4.14)


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


L = 2, 92 кг⁄с 

 

4.2 Визначення  швидкості газу і діаметр абсорберу.

 

Приймаю в якості насадки керамічні кільця Рашига розміром 50х50х5мм.

Характеристики  насадки:

Поверхність - 110,

більший об’єм – 0,755,

еквівалентний діаметр – 0,027м. [3,c.196]

 

lg = A – 1, 750, 25 0,125;                       (4.15)

 

де - 1 ПаС в’язкість води  при t=20℃, [2,514с.],

А – 0,022 – коефіцієнт для насадки, [3,196с.],

 гранична критична швидкість  газу, м/с,

 – вільний об’єм, м3/м3,

g – прискорення вільного падіння, м/с.

 

lg = 0,022 – 1,75 0,25 0,125

 

lg0,0324   = 1, 4894

=6, 77 м⁄с

 

Робоча  швидкість газу в колоні:

 

=wзy                                                 (4.16)

 

= 6, 77 0, 8 = 5, 41 м⁄с


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


Діаметр колони визначаю за формулою:

 

= ;                                              (4.17)

 

де V0 -  обємні витрати газу, м3/с.

 

   = 0,7 м

 

Вибираю стандартний  діаметр обечайки колони  D =1м, [3,235с.]

Густина зрошення  колони:

 

U= ;                                            (4.18)

 

U= = = 13, 39 ⁄ (год)

 

Оптимальна  густина зрошення:

 

= 110                                           (4.19)

 

= 0,158110 = 17,38 ⁄ ( год.)

 

= = 0,77

 

Отже, поверхність насадки змочена не повністю. Насадка не підходить.

Приймаємо насадку 80х80х8 мм.

Характеристика:

Поверхня - 80 ⁄

Вільний об’єм – 0,72 ⁄

Еквівалентний діаметр – 0, 036м

Маса 1 – 670кг

 

При даному діаметрі густина зрошення U= 13, 39 ⁄ ( год.)

 

= 0,15880 = 12,64 ⁄ (год.)

 

= =1,06 ›1,

 

насадка підходить. Зрошується повністю, і тому Ψ=1, [4,236с.]


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


 

4.3 Визначення висоти насадкової колони.

 

Висота  насадкової колони визначається за рівнянням :

 

Нк= М/(fSK∆cр Ψ)                                        (4.20)

 

Приймаємо відстань шару насадки до кришки абсорбера = 1,2м. відстань від насадки до днища абсорбера  =2,7м., [3,236с.]

Виходячи  з основного рівняння масовіддачі, визначаю висоту шару насадки:

Рушійна сила знизу абсорбера на вході газу:

 

= - ;                                           (4.21)

= 0,056 - 0,042 = 0,014 кг⁄кг повітря

 

Зверху абсорбера на виході газу:

 

= - ;                                            (4.22)

 

=  0,00150 – 0,0008 = 0,0007 кг⁄кг повітря

 

Так як, відношення ⁄= 0,014⁄0,0007 = 20›2, середню рушійну силу визначаю за формулою (4.23.):

= ;                                          (4.23.)

 

= = = = 0,0444 кг⁄кг повітря.

 

Коефіцієнт  масовіддачі визначаю за формулою, [1,213с.]

Для визначення коефіцієнтів масовіддачі необхідно  розрахувати ряд величин:

Мольна маса газової фази:

 

=y MNH3 +СMпов                                              (4.24.)

= 0, 0817 + 0, 9229 = 1, 36 + 26, 68 = 28, 04 кг⁄кмоль,

 

де MNH3 і Mпов  – мольна маса аміаку і повітря

 В’язкість газової фази:

 

= + ;

= = 22,983 = 0,0229 ПаС

 

Звідси 0,104 і 0,018   – динамічний коефіцієнт в’язкості згідно і повітря при 20℃, [3,498с.]

 

 Коефіцієнт  дифузії  в повітрі при 20℃ визначаю за рівнянням:

 

= 0,198   3⁄2 = 0,120 ⁄с,

де  = 0,198 м⁄с – коефіцієнт дифузії дифузії в повітрі при 0℃ і 0,1мПа , [1,216с.]

 Критерій Рейнольдса:

=                                                       (4.25.)

= = = 5027


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


Отже, режим руху газу – турбулентний.

 Критерій Прандтля:

 

,                                                  (4.26)

 

= = 0,165,

 

Коефіцієнт  масовіддачі в газовій фазі для  регулярних насадок визначаю за формулою С=0,167, m=0,74.

 

                           (4.27)

 

= 0,167 -0,74 50270,74 0,1650,33 = =0,1670,0008570,79548,230,55 = 0,034 м⁄с,

 

Виражаю у вибраній для розрахунку розмірності:

 

= 0,034 = 0,0341,15= 0,039 кг⁄с),

 

Визначаємо число одиниць переносу:

Висота одиниці переносу для  газової фази:

 

= 50270,250,1650,67 = 0,0738,420,299 = 0,018 м,

 

де а - 8,13- коефіцієнт, що залежить від виду насадки,

Ψ = 1- коефіцієнт змочуваності насадки.

 

Висота одиниці переносу для  рідкої фази:

 

= 0,1190,472030,255460,5 = 0,494м

 

Витрати поглинача:

 

l = ,                                                (4.28)

 

l = = 1,264 кг⁄кг

 

 

Середній нахил лінії рівноваги M i N:

 

К = ,                                              (4.29)

 

К = = = 1,03

 

 

Висота одиниці переносу:


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


h = 0,514+ 0,494 = 0,916м

 

Висота насадки:

 

H = 40,96 = 3,66м

 

З запасом 25% приймаю:

 

H =1,253,66 = 4,58м

 

Висота колони = 4,58+1,2+2,7≈8,5м

 

4.4 Розрахунок гідравлічного опору  насадки

 

Критерій  Re для газу складає 5027. Так як ›40, коефіцієнт опору насадки визначається за формулою:

 

                                          (4.30)

 

  = 0,314

Опір сухої  насадки:

 

=

 

= 0,314 = 90,275 Па

 

При густині  зрошення U= = 0,0041 ⁄() гідравлічний опір зрошувальної насадки :

 

= 90,275 = 441,44 Па


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

КП13.ХТ04.59.00.000.ПЗ


Тиск, який розбиває газодуховка:

 

= 441,44 1,05 = 463,51 Па

 

де 1,05 – коефіцієнт, який враховує витрати тиску, при  вході газового потоку в колону і  в насадку, і в газопроводах.

ТСН – 3 ТСН  – 2 [1,239с.]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Расчет абсорбера. 2