Расчет насадочного абсорбера - Курсовая работа

Материальный баланс сводится к определению конечной концентрации ацетона в воздухе, выходящего из абсорбера и конечной концентрации ацетона в воде, вытекающего снизу из абсорбера. Уравнение материального баланса по потокам имеет вид: , где - массовый расход газовой смеси, входящей в аппарат; 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: ; Подставив численные значения в формулу (3.3) получим: ;В ходе проделанной работы был выполнен материальный и конструктивный расчет, а так же произведен расчет процесса массопередачи.Высота слоя насадок, 5500 По результатам найденных параметров построен эскиз аппарата (приложение).

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 15 15 2 . 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 расчет 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.

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

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.