Расчет насадочного абсорбера
Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс — выделение поглощенного газа из поглотителя называется десорбцией. Дытнекский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. По способу образования поверхности соприкосновения фаз, абсорбционные… Читать ещё >
Расчет насадочного абсорбера (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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
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 | ||
5 Степень поглощения % | ||
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:
(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:
(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 .
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:
.(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:
.(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:
(4.3)
Тогда по формуле (4.3):
.
5. Определение поверхности массопередачи в абсорбере
5.1 Выбор насадки
По рекомендациям выберем насадку: керамические кольца Рашига, размером 15 152. Удельная поверхность насадки, свободный объем, насыпная плотность, 22 000 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:
(5.1)
где — фиктивная скорость газа, ;
— удельная поверхность насадки, ;
— ускорение свободного падения, ;;
— свободный объем насадки, ;
— плотность газовой смеси (при н.у.), по рекомендациям условно принимаем равной плотности воздуха (при н.у.) ;
— плотность воды (при н.у.), по рекомендациям ;
— динамический коэффициент вязкости жидкости,, по рекомендациям ;
— 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 для колец .
Из равенства (5.1) выразим :
.
Рабочую скорость газа принимаем по рекомендациям на 25% меньше фиктивной скорости:
.
Диаметр абсорбера находим по рекомендациям:
.
Здесь — объемный расход газа,, по начальным условиям .
.
По рекомендациям 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:
(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, .
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
. (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:
(5.7)
здесь — критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
Критерий Рейнольдса для газовой фазы находится по рекомендациям:
.
Здесь — динамический коэффициент вязкости газовой смеси,, условно равный динамическому коэффициенту вязкости воздуха, .
.
Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы находим по рекомендациям:
.
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:
. (5.8)
где — диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;
— коэффициент диффузии ацетона в воде, ;
— приведенная толщина стекающей пленки жидкости, .
По рекомендациям приведенная толщина стекающей пленки жидкости равняется:
(5.9)
где — динамический коэффициент вязкости,, ;
— плотность воды (н.у.), по рекомендациям ;
— ускорение свободного падения,, .
Подставив численные значения в формулу (5.9), получим:
.
Диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы может быть найден по рекомендациям:
(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:
.
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 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:
.(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:
.
Для случая, когда линия равновесия — прямая, можно найти по формуле:
.(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, | ||
Диаметр абсорбера, | ||
Размер насадки, | ||
Свободный объем насадки, | 0,70 | |
Удельная поверхность насадки, | ||
По результатам найденных параметров построен эскиз аппарата (приложение).
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