Рассчитываем точки равновесной линии для абсорбера (t1 = 25 °C, p1 = 7 МПа).

Точка 1:

,

Точка 2:

,

.

Точка 3:

,

.

Рис. 1. Равновесная линия в условиях абсорбции

Материальный баланс процесса абсорбции

Газовая фаза

Молярный расход газовой фазы на входе в абсорбер:

,

где - молярный объём при нормальных условиях.

Количество абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе в абсорбер:

,

.

Количество абсорбата (водорода) проходящего через абсобер:

,

.

Межфазный поток абсорбтива - количество абсорбтива (углекислого газа), переходящее из газовой фазы в жидкую:

,

.

Массовый расход газовой фазы на входе в абсорбер:

.

Расход газовой фазы на выходе из абсорбера:

,

.

Относительная мольная доля абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе и выходе абсорбера:

,

.

Жидкая фаза

Состав жидкой фазы на входе в абсорбер соответствует составу жидкой фазы на выходе из десорбера, который находят из равновесной растворимости абсорбтива в поглотителе в условиях десорбции (t2 = -36 °C, p2 = 0,0981 МПа):

.

Для нахождения минимального расхода абсорбента (поглотителя) необходим равновесный состав жидкой фазы на выходе из абсорбера, который находим по равновесной линии (см. рис. 3): .

Минимальный расход поглотителя (метанола):

.

Расход поглотителя (метанола):

,

.

Состав жидкой фазы на выходе из абсорбера:

.

Расход жидкой фазы на входе в абсорбер:

,

.

Расход жидкой фазы на выходе из абсорбера:

,

.

Результаты расчёта заносим на схему потоков в абсорбере (рис. 2).

Построение рабочей линии

Рабочая линия процесса абсорбции в относительных долях представляет собой прямую линию, уравнение которой может быть получено из уравнения материального баланса процесса абсорбции:

,

заменяем на переменный аргумент , на функцию от аргумента :

,

таким образом, уравнение рабочей линии имеет вид: , где коэффициент (тангенс угла) наклона рабочей линии , а отрезок, отсекаемый рабочей линией на вертикальной оси .

Определим численные значения коэффициентов рабочей линии:

(данная величина называется удельным расходом поглотителя l и может быть найдена из материального баланса

);

.

Для построения рабочей линии на графике воспользуемся двумя известными точками:

точка для верха колонны , ;

точка для низа колонны , .

Рис. 3. Рабочая и равновесная линии процесса абсорбции

Расчёт движущей силы процесса абсорбции

Средняя логарифмическая разность концентраций

В случае если равновесная линия близка к прямой, движущая сила процесса абсорбции может быть найдена как среднее логарифмическое значение разностей рабочей и равновесной концентрации для нижнего и верхнего сечения абсорбера.

По линии равновесия (рис. 3) находим значения равновесного содержания абсорбтива для нижнего и верхнего сечения абсорбера:

низ ,

верх .

Движущая сила в нижнем сечении абсорбера:

.

Движущая сила в верхнем сечении абсорбера:

.

Средняя логарифмическая движущая сила процесса абсорбции:

.

Средняя интегральная разность концентраций

Точка 1: Y = 0.01250

Точка 2: Y = 0.04167

Точка 3: Y = 0.04, Y* = 0.02745

Точка 4: Y = 0.03, Y* = 0.02100

Точка 5: Y = 0.02, Y* = 0.01455

Расчёт диаметра абсорбера

Характеристики насадки [6, с. 196, табл. 5.1]:

насадка неупорядоченная из керамических колец Рашига 35Ч35Ч4 мм,

удельная поверхность ,

свободный объём (порозность) ,

эквивалентный диаметр .

Диаметр абсорбера должен обеспечивать стабильную работу абсорбера в плёночном режиме, для этого скорость газовой фазе в абсорбере должна быть меньше предельной скорости (скорости захлёбывания). Если пренебречь гидравлическим сопротивлением насадки, изменением объёмного расхода жидкой фазы и изменением температуры за счёт теплового эффекта смешения, то наибольший объёмный расход газовой фазы будет наблюдаться в нижнем сечении абсорбера. Соответственно, предельную скорость следует находить именно для этого сечения.

Скорость захлёбывания (предельная скорость) определяется решением уравнения:

.

Для неупорядоченной насадки (кольца Рашига внавал) , [6, с. 197].

Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность и вязкость жидкой фазы принимаем равными плотности и вязкости абсорбента:

, .

Формула для нахождения скорости захлёбывания насадки была получена для воды при температуре 20єС, для распространения формулы на другие жидкости в неё был введён корректирующий множитель , где - вязкость воды при 20єС.

Молярная масса и плотность газовой фазы в нижнем сечении:

,

.

Расчёт предельной скорости:

;

;

.

По условию отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлёбывания насадки n = 70 %, следовательно, скорость газа в абсорбере:

.

Объёмный расход газовой фазы на входе при рабочих условиях:

.

Ориентировочная площадь сечения абсорбера:

.

Ориентировочный диаметр абсорбера:

.

Выберем ближайший больший стандартный диаметр колонны [6, c. 197]:

.

Расчёт коэффициента массоотдачи в газовой фазе

Абсолютная мольная доля абсорбтива в газовой фазе в верхнем сечении:

.

Молярная масса и плотность газовой фазы в верхнем сечении:

,

.

Средняя плотность газовой фазы:

.

Вязкость абсорбтива при нормальных условиях и константа Саттерленда:

, [3, с. 12].

Вязкость абсорбата при нормальных условиях и константа Саттерленда:

, [5].

Вязкость абсорбтива при условиях абсорбции:

.

Вязкость абсорбата при условиях абсорбции:

.

Вязкость газовой фазы в нижнем сечении:

.

Вязкость газовой фазы в верхнем сечении:

.

Средняя вязкость газовой фазы:

.

Площадь сечения колонны:

.

Скорость газовой фазы в нижнем сечении колонны:

.

Молярный объём в условиях абсорбции:

.

Объёмный расход газовой фазы на выходе при рабочих условиях:

.

Скорость газовой фазы в нижнем сечении колонны:

.

Средняя скорость газовой фазы:

.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы:

.

Коэффициент диффузии в газовой фазе [4, с. 288, ф-ла 6.20]::

.

Диффузный критерий Прандтля для газовой фазы:

.

Диффузный критерий Нуссельта для газовой фазы при неупорядоченной насадке:

.

Объёмный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

.

Мольный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

.

Расчёт коэффициента массоотдачи в жидкой фазе

Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность орошения (являющуюся фиктивной скоростью жидкой фазы) рассчитываем по чистому абсорбенту:

абсорбция концентрация колонна саттерленд

.

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки жидкости:

.

Коэффициент диффузии в жидкой фазе при 20°С [4, с. 289, ф-ла 6.22]:

.

Температурный коэффициент:

.

Коэффициент диффузии в жидкой фазе [4, с. 289, ф-ла 6.25]:

.

Диффузный критерий Прандтля для жидкой фазы:

.

Диффузный критерий Нуссельта для жидкой фазы:

.

Приведённая толщина стекающей по насадке плёнки жидкости:

.

Объёмный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

.

Молярный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

.

Расчёт коэффициента массопередачи

Если равновесная линия отклоняется от прямой, константа фазового равновесия m не постоянна, и зависит от концентрации. Требуется определить среднее значение константы фазового равновесия в интервале от Xн до Xк.

Коэффициент массопередачи по газовой фазе:

.

Расчёт высоты колонны

Необходимая поверхность контакта фаз:

.

Высота насадки:

.

Высота слоя насадки в одной секции составляет 3 м [6, с. 436].

Число секций насадки (с округлением в большую сторону):

.

Высота сепарационного пространства над насадкой [6, с. 235]: .

Расстояние между днищем колонны и насадкой [6, с. 235]: .

Высота перераспределительной тарелки [6, с. 220]: .

Высота колонны:

.

Заключение

Выполнен расчёт насадочного абсорбера для очистки водорода от содержащегося в нём углекислого газа с помощью метанола. Определён расход абсорбента, который при заданных условиях проведения процесса составит . Рассчитаны габаритные размеры абсорбера: диаметр 1.6 м, высота 6 м.

Список литературы