Материальный баланс процесса абсорбции. Расчёт движущей силы процесса абсорбции. Средняя логарифмическая разность концентраций. Расчёт диаметра абсорбера. Вязкость абсорбтива при нормальных условиях и константа Саттерленда. Расчёт высоты колонны.
Аннотация к работе
Обычно используется температура-70 градусов по Цельсию, при этом из газа одновременно извлекаются все сернистые соединения, углекислый газ и влага. Процесс рекомендуется применять при необходимости очистки газа от большого количества разнообразных примесей, и особенно при низкотемпературных процессах переработки газа, например при извлечении монооксида углерода. Растворимость ? газов в поглотителях выражается в приведенных к нормальным условиям кубометрах газа, отнесенным к кубометрам жидкого поглотителя , либо в приведенных к нормальным условиям кубических сантиметрах газа, отнесенным к граммам жидкого поглотителя . Относительная мольная доля абсорбтива в газовой фазе находим, как отношение парциальный давлений: , где приравниваем к давлению в абсорбере , а приравниваем к табличному значению давления чистого абсорбтива над его насыщенным раствором в поглотителе. Для нахождения минимального расхода абсорбента (поглотителя) необходим равновесный состав жидкой фазы на выходе из абсорбера, который находим по равновесной линии (см. рис.Выполнен расчет насадочного абсорбера для очистки водорода от содержащегося в нем углекислого газа с помощью метанола.
План
Содержание
Обозначения
Введение
Исходные данные
Физические свойства
Абсорбтив
Абсорбент
Плотность
Вязкость
Абсорбат
Построение равновесной линии
Материальный баланс процесса абсорбции
Газовая фаза
Жидкая фаза
Построение рабочей линии
Расчет движущей силы процесса абсорбции
Средняя логарифмическая разность концентраций
Средняя интегральная разность концентраций
Расчет диаметра абсорбера
Расчет коэффициента массоотдачи в газовой фазе
Расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Расчет коэффициента массопередачи
Расчет высоты колонны
Заключение
Список литературы
Введение
«Ректизол»-процесс - первый из процессов физической абсорбции, примененных для очистки газа, разработан в ФРГ и реализован в 1955 г.
В качестве абсорбента в этом процессе используется охлажденный метанол. С понижением температуры абсорбционная емкость метанола резко возрастает. Обычно используется температура -70 градусов по Цельсию, при этом из газа одновременно извлекаются все сернистые соединения, углекислый газ и влага. Метанол химически нейтрален, обладает высокой интенсивностью массообмена, имеет низкую температуру замерзания, обеспечивает тонкую очистку газа.
Абсорбция проходит при повышенном давлении (2- 7,5МПА), температуре -35:-70 градусов Цельсия в тарельчатых колоннах. Высота абсорбера 20-25 метров. Соотношение жидкость-газ при нормальных условиях составляет 0,00055-0,00033 м3/м3. Десорбция осуществляется ступенчатым снижением давления. На последней ступени может применяться тепловая регенерация.
Процесс рекомендуется применять при необходимости очистки газа от большого количества разнообразных примесей, и особенно при низкотемпературных процессах переработки газа, например при извлечении монооксида углерода.
Основным преимуществом процесса очистки газа от углекислого газа метанолом является резкое увеличение растворимости двуокиси углерода при понижении температуры. При этом уменьшается циркуляция раствора и возрастает селективность растворителя. Немаловажным преимуществом метода является также практически полное отсутствие коррозии.
Исходные данные
Абсорбтив (извлекаемое вещество A) - углекислый газ.
Абсорбент (поглотитель L) - метанол.
Абсорбат (инерт G) - водород.
Условия в абсорбере: давление p1 = 5 МПА, температура t1 = -60°C.
Условия в десорбере: давление p2 = 0,0981 МПА, температура t2 = -36°C.
Расходы и составы: содержание абсорбтива в исходной газовой смеси ун = 4 % об. = 0,04 , объемный расход исходной газвой смеси (приведенный к нормальным условиям) , степень поглощения ? = 0,7, коэффициент избытка поглотителя r = 1,6.
Характеристики насадки: тип контактных элементов - керамические кольца Рашига, размеры контактных элементов N = 35?35?4 мм, коэффициент смачиваемости насадки ? = 0,7, отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлебывания насадки n = 70 %.
Физические свойства
Абсорбтив
Молекулярная масса углекислого газа [3, с. 13].
Мольный объем CO2 (для расчета коэффициента диффузии) [4, с. 288].
Вязкость CO2 при н. у. [3, с. 13].
Константа Саттерленда CO2 [3, с. 13].
Абсорбент
Молярная масса метанола [1, с. 339].
Мольный объем метанола (для расчета коэффициента диффузии) [4, с. 288].
Плотность
Плотность метанола при t1 = -60°С: [1, с. 339].
Плотность метанола при t2 = -36С: [2, с. 66].
Вязкость
Вязкость метанола при t1 = -60°С: [1, с. 339].
Абсорбат
Молекулярная масса водорода [5].
Мольный объем водорода (для расчета коэффициента диффузии) [5].
Вязкость водорода при н. у. [5].
Константа Саттерленда водорода [5].
Построение равновесной линии
Растворимость ? газов в поглотителях выражается в приведенных к нормальным условиям кубометрах газа, отнесенным к кубометрам жидкого поглотителя , либо в приведенных к нормальным условиям кубических сантиметрах газа, отнесенным к граммам жидкого поглотителя . Данные по растворимости представлены в справочной литературе [1] в виде табличной зависимости растворимости от давления (см. приложение).
Для построения равновесной линии необходимо перевести растворимость, выраженную в или в , в относительные мольные доли X растворенного газа (абсорбтива) в поглотителе (абсорбенте) .
Пересчет растворимости в относительные мольные доли, если растворимость выражена в : .
Пересчет растворимости в относительные мольные доли, если растворимость выражена в : , в соотношении растворимость выражена в , чтобы подставлять растворимость при ее табличном значении, выраженном в , необходимо ее разделить на . Таким образом, итоговая формула пересчета растворимости, выраженной в : .
Относительная мольная доля абсорбтива в газовой фазе находим, как отношение парциальный давлений: , где приравниваем к давлению в абсорбере , а приравниваем к табличному значению давления чистого абсорбтива над его насыщенным раствором в поглотителе.
Табл. 2. Расчет точек равновесной линии по данным о растворимости углекислого газа в метаноле для условий в абсорбере (t1 = 25 °C, p1 = 7 МПА)
Давление углексилого газа над раствором Растворимость углекислого газа в метаноле Относительные мольные доли
, МПА?, в жидкой фазев газовой фазе
X, Y, 0,0981 68,0 0,09727 0,02001
0,1961 159,0 0,2274 0,0408
0,2942 321,4 0,4596 0,0652
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 объем 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 расчета заносим на схему потоков в абсорбере (рис. 2).
Рис. 2. Схема потоков в абсорбере
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
Расчет 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: .
Рис. 4. Среднее логарифмическое значение разности концентраций
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
Рис. 5. Графическое определение числа единиц переноса
Расчет диаметра абсорбера
Характеристики насадки [6, с. 196, табл. 5.1]: насадка неупорядоченная из керамических колец Рашига 35?35?4 мм, удельная поверхность , свободный объем (порозность) , эквивалентный диаметр .
Диаметр абсорбера должен обеспечивать стабильную работу абсорбера в пленочном режиме, для этого скорость газовой фазе в абсорбере должна быть меньше предельной скорости (скорости захлебывания). Если пренебречь гидравлическим сопротивлением насадки, изменением объемного расхода жидкой фазы и изменением температуры за счет теплового эффекта смешения, то наибольший объемный расход газовой фазы будет наблюдаться в нижнем сечении абсорбера. Соответственно, предельную скорость следует находить именно для этого сечения.
Скорость захлебывания (предельная скорость) определяется решением уравнения: .
Для неупорядоченной насадки (кольца Рашига внавал) , [6, с. 197].
Поскольку влияние концентрации растворенного в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность и вязкость жидкой фазы принимаем равными плотности и вязкости абсорбента:
, .
Формула для нахождения скорости захлебывания насадки была получена для воды при температуре 20?С, для распространения формулы на другие жидкости в нее был введен корректирующий множитель , где - вязкость воды при 20?С.
Молярная масса и плотность газовой фазы в нижнем сечении: , .
Расчет предельной скорости: ;
;
.
По условию отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлебывания насадки n = 70 %, следовательно, скорость газа в абсорбере: .
Объемный расход газовой фазы на входе при рабочих условиях: .
Ориентировочная площадь сечения абсорбера: .
Ориентировочный диаметр абсорбера: .
Выберем ближайший больший стандартный диаметр колонны [6, c. 197]: .
Расчет 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 объем в условиях абсорбции: .
Объемный 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: .
Объемный коэффициент массоотдачи для газовой фазы: .
Мольный коэффициент массоотдачи для газовой фазы: .
Расчет коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Поскольку влияние концентрации растворенного 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 пленки 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: .
Приведенная толщина стекающей по насадке пленки жидкости: .
Объемный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы: .
Молярный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы: .
Расчет 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 Хн до Хк.
Коэффициент массопередачи по газовой фазе: .
Рис. 6. Определение константы фазового равновесия
Расчет 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: .
Вывод
Выполнен расчет насадочного абсорбера для очистки водорода от содержащегося в нем углекислого газа с помощью метанола. Определен расход абсорбента, который при заданных условиях проведения процесса составит . Рассчитаны габаритные размеры абсорбера: диаметр 1.6 м, высота 6 м.
Список литературы
Мурин В. И., Кисленко Н. Н. Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник: В 2-х ч. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2002. - 517 с.
Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. Л. Химия. 1977.
Бобылев В. Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие. РХТУ им. Д. И. Менделеева. М., 2003.
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л. Химия. 1987.
ГОСТ 30319.1-96
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю. И. Дытнерского, М. Химия. 1991.