Расчет абсорбции

2. Технологический расчет

 

 Исходные данные  к проекту: абсорбтив – этанол, абсорбент – вода, инертный газ – воздух, V0 = 4,9м³/с – расход газовой смеси при нормальных условиях, m = 1,08 – коэффициент распределения, yн = 1% (моль.), yк = 0,03% (моль.), Т = 20°С, Р = 1атм, насадка – седла Инталокс 50мм, b=1,25.

 

2.1. Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Переводим мольные концентрации в  относительные массовые [2,с.272]:

где:

МА = 46,7кг/кмоль – мольная масса этанола [2,с.524];

МВ = 29кг/кмоль – мольная масса воздух [2,с.496];

 

 

Расход инертной части газа при  нормальных условиях:

 

Расход инертного газа при рабочих  условиях:

V = V0

 

Массовый расход инертного  газа:

G = V · ρy = 5,206 · 1,205 = 6,273кг/с, где

 

ρy – плотность воздуха по уравнению [2,с.10]:

ρy = ρ0 здесь

ρу = 1,293кг/м³ - плотность воздуха при 0°С [2,с.496];

 

Уравнение материального баланса:

М = G

 

Отсюда расход поглощаемого этанола:

М =6,273 · (0,01605 – 0,00048) = 0,09767кг/с

 

Используя данные равновесия [1,с.193]:

М = Lмин

Отсюда минимальный расход поглотителя:

Lмин =  так как = 0, здесь

- концентрация этанола в воде, равновесная с газом начального  состава, определяем из уравнения  равновесной прямой:

, здесь

Мс = 18кг/кмоль – мольная масса воды

=>  , где

 

Действительный расход:

L = 1,25 · Lмин = 1,25 · 4,076 = 5,095кг/с

 

Соотношение расходов фаз или удельный расход поглотителя:

 

Строим равновесную  прямую на рис.1

 

 

 

2.2. Движущая сила массопередачи

 

Для случая линейной равновесной зависимости  между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках  обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

 , где

 

Строим рабочую прямую на рис.1.

 

2.3. Скорость газа и диаметр абсорбера

 

Предельную скорость газ, выше которой  наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:

 

, здесь

 

g = 9,81м/с² - ускорение свободного падения;

ρх = 998кг/м³ - плотность воды при 20°С [2,с.495];

µх = µв, так как поглотитель вода;

А = - 0,58;

В = 1,04 [1,с.197];

 

Для неупорядоченной насадки – кольца Рашига керамических размером 50мм:

а = 118м²/м³ - удельная поверхность насадки;

ε = 0,79м³/м³ - свободный объем [1,с.105],

d_э=0,027м – эквивалентный диаметр насадки, тогда

 

 

 

Действительная скорость:

W = 0,8 · Wпр = 0,8 · 1,828 = 1,462м/с

 

Диаметр абсорбера:

, принимаем d = 2200мм, при этом действительная скорость газа:

W = , что составляет 75,8% от предельной скорости.

 

2.4. Плотность орошения и активная поверхность насадки

 

Плотность орошения:

, где

 

- площадь сечения абсорбера.

 

Минимальная эффективная  плотность орошения:

Uмин = а · qэф = 118 · 0,022 · = 0,0026 , здесь

qэф = 0,022 · , линейная эффективная плотность орошения [1,с.106];

Так как Uмин > U, то коэффициент смачиваемости насадки Ψ ≠ 1.

 

По [6,с.319] Ψ определяем по графику в зависимости от величины

  , то есть по рис. 93 [6,с.319] Ψ  = 0,5, здесь

В = 0,093 – коэффициент [6,с.343].

Доля активной поверхности насадки Ψа может быть найдена:

Ψа =

 

где р,q – коэффициенты определили по [7, с.343].

 

2.5. Расчет коэффициентов массоотдачи

 

Коэффициент массоотдачи в газовой  фазе:

, здесь

dэ = 0,027м – эквивалентный диаметр насадки [1,с.196];

 

Dу – коэффициент диффузии этанола в газе:

, здесь

 

р = 0,1МПа – давление;

Т = 293К – температура;

νА = 59,2 – мольный объем этанола [2,с.277];

νВ = 29,9 – мольный объем воздуха, тогда

 

Критериальное уравнение:

 

 

 

Критерий Рейнольдса:

, здесь

 

μy – вязкость газа [2,с.12]:

 Пас, здесь

μ0 = 17,3· Па·с – вязкость воздуха при 0ºС

С = 124 – константа Сатерленда по [2,с.496];

 

Критерий Прандтля:

 

 

Коэффициент массоотдачи:

 

Коэффициент массоотдачи  в жидкой фазе:

, здесь

- приведенная толщина стекающей  пленки жидкости, здесь μх – вязкость воды при 20°С [2,с.500];

 

Dх – коэффициент диффузии этанола в воде:

Критериальное уравнение:

, здесь

 

Критерий Рейнольдса:

 

Критерий Прандтля:

, тогда

 

 

Коэффициент массотдачи:

 

Переводим коэффициенты массоотдачи в требуемую размерность:

 

 

2.6. Поверхность массопередачи и высота абсорбера

 

Поверхность массопередачи в абсорбере:

 

Высота насадки, необходимая  для создания этой поверхности 

массопередачи:

, принимаем с запасом 11,2м

 

Высота абсорбера:

, здесь

 

n = 2 – число слоев;

hсл = Нн / n = 11,2/2 = 5,6м – высота одного слоя;

h = 2м – расстояние между слоями;

zB = 1м – высота сепарационная часть [1,с.235];

zн = 2м – высота кубовой части.

 

На = 2 · 5,6 + (2 – 1) · 2 + 1 + 2 = 16,2м.