Расчет насадочного абсорбера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический институт - филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Кафедра МАХП

КурсоваЯ рАбота:

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

Северск - 2012

Введение

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс - выделение поглощенного газа из поглотителя называется десорбцией.

В промышленности адсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

По способу образования поверхности соприкосновения фаз, абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыляющие.

К типу поверхностных абсорберов относятся насадочные абсорберы, представляющие собой колонны, загруженные насадкой - твердыми телами различной формы. Наличие насадки позволяет значительно увеличить поверхность контакта газа и жидкости. К наиболее распространенным насадкам относятся насадки, в виде тонкостенных колец (колец Рашига) высотой, равной диаметру.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному материальному и конструктивному расчету абсорбера.

2. Исходные данные для расчета

Схема насадочного абсорбера представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема насадочного абсорбера

Исходные данные приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Исходные данные

1 Газовая смесь	ацетон-вода
2 Поглотитель	вода
3 Производительность по газу,	1,6
4 Концентрация газа , % объем	10
5 Степень поглощения %	92
6 Коэффициент избытка поглотителя	1,25
7 Уравнение линии равновесия	,

3. Материальный баланс и расход абсорбента

Материальный баланс сводится к определению конечной концентрации ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера и конечной концентрации ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера.

Определяем производительность по газовой смеси при температуре

t = 20оС:

= ,

м3/с.

Определяем объемный и массовый расходы ацетона и воздуха по уравнениям:

м3/с;

м3/с;

;

.

Уравнение материального баланса по потокам имеет вид:

,

где - массовый расход газовой смеси, входящей в аппарат;

- массовый расход поглотителя, входящего в аппарат;

- массовый расход обедненной газовой смеси, выходящей из аппарата;

- массовый расход обогащенного поглотителя, выходящего из аппарата.

Поскольку начальные и конечные массовые расходы равны, то уравнение материального баланса по распределяемому компоненту запишется [2, с.47]:

(3.1)

где - массовый расход воздуха в газовой смеси, ,

- начальная концентрация ацетона в воздухе, снизу, при входе в абсорбер, , по рекомендации [1, с.271-272]:

.(3.2)

Здесь - начальная концентрация газовой смеси, , по исходным данным 0,1. Тогда подставив численные значения в формулу (3.2) получим:

;

- конечная концентрация ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера, , по рекомендациям [1, с.280]:

,(3.3)

Здесь - степень поглощения, по исходным данным 0,92. Подставив численные значения в формулу (3.3) получим:

;

- массовый расход воды, ,

- конечная концентрация ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера, :

.(3.4)

Здесь - равновесная концентрация ацетона в воде, , находится из уравнения линии равновесия:

,

;

- коэффициент избытка поглотителя, исходя из начальных условий .

Подставив численные значения в формулу (3.4), получим:

.

- начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой вверх аппарата, , по рекомендациям [1, с.292] .

Строим на диаграмме (рисунок 3.1) равновесную (по уравнению ) и рабочую линию.

Массовый расход воды найдем исходя из уравнения (3.1):

,

.

Тогда по формуле (3.1) найдем количество поглощаемого ацетона:

.

Рисунок 3.1 - диаграмма процесса абсорбции

4. Определение движущих сил процесса

Движущую силу процесса абсорбции внизу аппарата находим по формуле [1, с.280]:

.(4.1)

Здесь - начальная равновесная концентрация ацетона в воздухе, , находим по уравнению линии равновесия при :

.

Тогда, подставив численные значения в формулу (4.1), получим:

.

Движущую силу сверху аппарата найдем по формуле [1, с.280]:

.(4.2)

Здесь - конечная равновесная концентрация ацетона в воздухе, , находим по уравнению линии равновесия . Тогда по формуле (4.2):

.

Средняя движущая сила процесса абсорбции определяется по рекомендациям [1, с.280]:

, (4.3)

Тогда по формуле (4.3):

.

5. Определение поверхности массопередачи в абсорбере

5.1 Выбор насадки

По рекомендациям [3, с.105] выберем насадку: керамические кольца Рашига, размером 15152. Удельная поверхность насадки , свободный объем , насыпная плотность , 22000 штук в 1, заполнение колоны - в навал. Коэффициент смачиваемости насадки равный 1.

5.2 Определение скорости инверсии фаз и рабочей скорости газовой смеси и диаметра абсорбера

Скорость инверсии фаз находим по рекомендациям [1, с.281]:

,(5.1)

где - фиктивная скорость газа, ;

- удельная поверхность насадки, ;

- ускорение свободного падения, ;;

- свободный объем насадки, ;

- плотность газовой смеси (при н.у.), по рекомендациям [1, с.293] условно принимаем равной плотности воздуха (при н.у.) ;

- плотность воды (при н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;

- динамический коэффициент вязкости жидкости, , по рекомендациям [1, с.499] ;

- массовый расход жидкости, , перевод от в осуществляется путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом при , ;

- массовый расход воздуха, перевод от в осуществляется путем умножения расхода на молекулярную массу. Таким образом, при , ;

- коэффициент насадки, зависит от типа насадки, по рекомендациям [1, с.281] для колец .

Из равенства (5.1) выразим :

,

.

Рабочую скорость газа принимаем по рекомендациям [1, с.281] на 25% меньше фиктивной скорости:

,

.

Диаметр абсорбера находим по рекомендациям [3, с.106]:

, .

Здесь - объемный расход газа, , по начальным условиям .

.

По рекомендациям [3, с.106] выбираем стандартный диаметр обечайки, применяемой в химической промышленности:

.

5.3 Определение коэффициента диффузии ацетона в воздухе

Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воздухе определяем по рекомендациям [1, с.277]:

,(5.2)

где - коэффициент диффузии, ;

- температура, , ;

- давление (абсолютное), , ;

- мольная масса ацетона, , ;

- мольная масса воздуха, , ;

- мольный объем ацетона, , по рекомендациям [1,с.277] ;

- мольный объем воздуха, , по рекомендациям [1,с.277] ;

Подставив численные значения в формулу (5.2), получим:

.

5.4 Определение коэффициента диффузии ацетона в воде

Коэффициент молекулярной диффузии ацетона в воде определяем по рекомендациям [1, с.278-279]:

,(5.3)

где - коэффициент диффузии, ;

- динамический коэффициент вязкости жидкости, ;

- мольная масса ацетона, , ;

- мольная масса воды, , ;

- мольный объем ацетона, , по рекомендациям [1,с.277] ;

- мольный объем воды, , по рекомендациям [1,с.277] ;

- коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя. По рекомендациям [1, с.278] , .

Подставив численные значения в формулу (5.3), получим:

.

5.5 Поверхность массопередачи

Поверхность массопередачи в абсорбере определяется по формуле [1,с.280]:

,(5.4)

где - поверхность массопередачи в абсорбере, ;

- расход поглощаемого компонента;

- коэффициент массопередачи, ;

- средняя движущая сила, .

5.6 Формула для расчета коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе , выраженные через мольные доли компонента в газовой фазе находим по формуле [1, с.275-276]:

,. (5.5)

где - коэффициент массотдачи для газовой фазы, ;

- коэффициент массотдачи для жидкой фазы, ;

- тангенс угла наклона линии равновесия, .

5.7 Определение коэффициента массоотдачи для газовой фазы

Коэффициент массоотдачи газовой фазы определяется по формуле [3, с.106]

,. (5.6)

где - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

- коэффициент диффузии ацетона в воздухе, ;

- эквивалентный диаметр насадки,

.

Для колон с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи можно находить из уравнения [3, с.106]:

,(5.7)

здесь - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы находится по рекомендациям [3, с.106]:

.

Здесь - динамический коэффициент вязкости газовой смеси, , условно равный динамическому коэффициенту вязкости воздуха, .

.

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы находим по рекомендациям [3, с.106]:

,

.

Согласно формуле (5.7):

.

Подставив численные значения в формулу (5.6), получим:

.

Для того чтобы получить в нужной нам размерности , необходимо разделить полученное число на объем 1 газа при н.у. (22,4 ):

.

5.8 Определение коэффициента массотдачи для жидкой фазы

Коэффициент массоотдачи жидкой фазы определяется по формуле [3, с.107]:

,. (5.8)

где - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;

- коэффициент диффузии ацетона в воде, ;

- приведенная толщина стекающей пленки жидкости, .

По рекомендациям [3, с.107] приведенная толщина стекающей пленки жидкости равняется:

,(5.9)

где - динамический коэффициент вязкости, , ;

- плотность воды (н.у.), по рекомендациям [1, с.495] ;

- ускорение свободного падения, , .

Подставив численные значения в формулу (5.9), получим:

.

Диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы может быть найден по рекомендациям [3, с.107]:

,(5.10)

здесь - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости; - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости находится по рекомендациям [3, с.106-107]:

.(5.11)

Здесь - площадь поперечного сечения абсорбера, , . Учитывая ранее найденный диаметр абсорбера , найдем площадь:

.

Тогда подставив численные значения в формулу (5.11), получим:

.

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости находим по рекомендациям [3, с.107]:

,

.

Согласно формуле (5.10):

.

Подставив численные значения в формулу (5.8), получим:

.

Для того чтобы получить в нужной нам размерности , необходимо умножить полученное число на количество жидкой фазы в единице объема, т.е. на :

.

5.9 Определение коэффициента массопередачи

Подставив численные значения в формулу (5.5), получим:

.

5.10 Определение поверхности массопередачи

Подставив численные значения в формулу (5.4), получим:

.

6. Конструктивный расчёт

абсорбер массопередача диффузия ацетон

6.1 Определение геометрических параметров абсорбера с помощью уравнения массопередачи

Ранее в пункте 5.2 был найден диаметр абсорбера:

.

В пункте 5.8 была найдена площадь поперечного сечения абсорбера:

.

По рекомендациям [3, с.107] найдем высоту насадки:

, ,

.

6.2 Определение геометрических параметров абсорбера через высоту единиц переноса

Для проверки предыдущих вычислений, воспользуемся формулой для определения высоты насадочного абсорбера через высоту единиц переноса [1, с.282-283]:

,,(7.1)

где - высота единиц переноса, . По рекомендациям [1, с.282]:

.(7.2)

Здесь - постоянный по высоте колона массовый расход воздуха в газовой смеси, , ; - средний коэффициент массопередачи, ; - удельная поверхность насадки, ; - коэффициент смачиваемости насадки, .

- общее число единиц переноса. По рекомендациям [1, с.282]:

.

Для случая, когда линия равновесия - прямая, можно найти по формуле [1, с.282]:

.(7.3)

Подставив формулы (7.2) и (7.3) в (7.1), получим:

,.(7.4)

Подставив численные значения в (7.4), найдем высоту слоя насадки через высоту единиц переноса:

.

Следовательно, основные геометрические параметры насадочного абсорбера были найдены правильно.

Заключение

В ходе проделанной работы был выполнен материальный и конструктивный расчет, а так же произведен расчет процесса массопередачи.

Основные характеристики насадочного абсорбера

Высота слоя насадок,	5500
Диаметр абсорбера,	1600
Размер насадки,	15152
Свободный объем насадки,	0,70
Удельная поверхность насадки,	330

По результатам найденных параметров построен эскиз аппарата (приложение).

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981.

2. Дытнекский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Д.Ю. Дытекского. - М.: Химия, 1983.

Приложение

Насадочный абсорбер

Размещено на Allbest.ru