Абсорбция

                                                      ,                                                           (4.2)

              ,                (4.3)

 

где Y – относительная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

у – абсолютная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

X^* – относительная равновесная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

x* – абсолютная равновесная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

Величины равновесных концентраций в жидкости достаточно рассчитать для  диапазона значений концентраций в  газовой фазе от нуля до величины, которая  в 1,2-1,5 раз превышает начальную  концентрацию абсорбтива.

 

Таблица 4.1 – Расчет равновесной линии

y,	x*,	Y,	X*,
0	0	0	0
5,0·10-3	7,290·10-5	5,025·10-3	7,291·10-5
1,0·10-2	1,458·10-4	1,010∙10-2	1,458·10-4
2,0·10-2	2,916·10-4	2,041∙10-2	2,917·10-4
3,0·10-2	4,374·10-4	3,093∙10-2	4,376·10-4
4,0·10-2	5,832·10-4	4,167∙10-2	5,835·10-4
5,0·10-2	7,290·10-4	5,263∙10-3	7,295·10-4

 

По определенным значениям концентраций строится линия равновесия, представленная на рисунке 4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OF – линия равновесия; АВ – рабочая линия

Рисунок 4.1 – X-Y-диаграмма процесса абсорбции СО₂ водой

при Р = 2,1 МПа, t = 20°С

       4.2 Расчет материального баланса

  4.2.1 Определение молярного расхода компонентов газовой смеси.

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T₀ = 273 K,

P₀ = 1,013×10⁵ Па) в объемный расход при условиях абсорбции (Т = 293 К,

Р = 2,1×10⁶ Па)

 

  ,                                           (4.4)

 

где V_см0 – расход при нормальных условиях и из условия задания V_см0 = 5700 .

 

.

 

Для удобства дальнейших расчетов переведем  объемный расход газовой смеси в молярный

 

  ,            (4.5)

 

где G_см – молярный расход газовой смеси, ;

       V_см – объемный расход газовой смеси, ;

 

       

.

 

Молярный расход инертного G газа определяется по формуле (5.6)

учебника [2]

 

               ,            (4.6)

 

где у_н – исходная концентрация двуокиси углерода в газовой смеси, ;

G – молярный расход инертного газа, .

Из условия задания у_н = 0,05 ,

 

.

 

Концентрацию СО₂ на выходе из абсорбера yк,

,                                            (4.7)

 

.

 

Величины y_к, y_н пересчитаем в относительные по формуле (4.2)

,   

.

Для определения молярного расхода  диоксида углерода M, кмоль/с, который поглощается, служит формула (5.2) учебника [2]

 

  ,     (4.8)

.

4.2.2 Определение расхода поглотителя диоксида углерода из газовой смеси

Минимальный молярный расход чистого поглотителя L_мин, кмоль/с определяется по формуле (5.4) учебника [2]

 

                   ,        (4.9)

 

где М – молярный расход угольного ангидрида_, ;

     – равновесная относительная концентрация диоксида углерода в воде на выходе из аппарата, ;

     Х_н – исходная относительная концентрация углекислого газа в воде, .

Равновесную относительную концентрацию двуокиси углерода в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия рисунок 4.1. Для противоточных абсорберов =f(Y_н). По графику максимально возможная концентрация углекислого газа в воде при условиях абсорбции составляет

 =7,275∙10^-4 .

 

 

 

 

Так как в реальном процессе абсорбции используется не минимальный расход поглотителя, а несколько больший (для ускорения процесса), то необходимо пересчитать минимальный расход поглотителя на рабочий расход L с учетом коэффициента избытка поглотителя по формула (4.387) учебника [4]

 

,          (4.10)

 

где a – коэффициент избытка поглотителя и на практике его обычно принимают в пределах от 1,15 до 1,50; принимаем равным 1,2. С увеличением расхода поглотителя (т. е. с увеличением коэффициента избытка поглотителя) снижаются допустимые скорости газа в аппарате, по которым находят его диаметр. Поэтому следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и расходом поглотителя, при котором размеры аппарата будут оптимальными.

 

 

4.2.3 Определение рабочей концентрации диоксида углерода в поглотителе на выходе из абсорбера. Расчет движущей силы массопередачи

Для определения рабочей концентрации используем формулу (4.388) учебника [3]

 

               ,     (4.11)

 

.

 

По полученным значениям концентраций строим график рабочей линии абсорбции СО₂ рисунок 4.1.

Так как рабочая и равновесная линии массообменного процесса являются прямыми, то средняя движущая сила может быть рассчитана по формуле (4.362) учебника [4]

 

_{.                                                  (4.12)}

 

_{Приведенное уравнение  применимо также  для расчета средней движущей силы выраженной в относительных концентрациях. Тогда средняя движущая сила рассчитывается}

 

_{.                                                    (4.13)}

_{Движущую силу на входе газовой фазы в аппарат по газовой фазе находим по аналогии с формулой (4.341) учебника [4]}

 

                                                                                                   (4.14)

 

Движущую силу на выходе газовой фазы из аппарата по газовой фазе рассчитываем по аналогии с формулой (4.343) учебника [4]

 

                                                                                                      (4.15)

 

Из графика рабочей линии абсорбции СО₂ рисунок 4.1 определим

Рассчитаем по формулам (4.14) и (4.15) движущие силы на входе и выходе в аппарат соответственно

 

 

 

Рассчитаем среднюю  движущую силу по формуле (4.13)

 

.

4.3 Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

         Для расчета диаметра абсорбера D, м, служит следующее уравнение (5.10) учебника [2]

 

 

,      (4.16)

 

где  V_см – объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции, ;

  w – рабочая скорость газовой смеси по аппарату, ;

        V₀ – объемный расход газовой смеси при нормальных условиях, ;

        t – температура абсорбции, t = 20 °С;

        T₀, P₀ – температура и давление, соответствующие нормальным условиям;

      Р – давление абсорбции.

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов можно рассчитать по формуле (5.9) учебника [2]

 

                                       ,     (4.17)

 

где w_пр – предельная фиктивная скорость газа, м/с;

     m_x – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере (t = 20°С), Па×с;

      m_у – вязкость воды при температуре 20 °С, Па×с;

r_x, r_у – плотности соответственно жидкой и газообразной фаз, кг/м³;

а – удельная поверхность насадки, м²/м³;

e – свободный объем насадки, м³/м³;

L, G – расходы фаз, кг/с;

     А, В – коэффициенты, зависящие от вида насадки.

Контактным устройством  в абсорбере являются керамические кольца Палля 35´35´4 со следующими параметрами из таблицы 5.1 учебника [2]

ɛ = 0,76 м³/м³;

a = 165 м²/м³;

d_э = 0,018 м;

А = –0,49;

В = 1,04.

Для определения плотности газовоздушной  смеси при температуре, отличной от нормальной, служит следующее уравнение (4.13) учебника [4]

 

            ,       (4.18)

 

где r_смо – плотность газовоздушной смеси при 273 К, кг/м³;

     Р – рабочее давление в аппарате, Па;

      T₀, P₀ – температура и давление, соответствующие нормальным условиям, К и Па;

      Т – температура процесса, К.

Плотность газовоздушной смеси при 273 К рассчитаем по формуле

 

                                  r_см0 = + ρ_0y(возд) · ν_(возд),                              (4.19)

 

где  – плотность диоксида углерода  при нормальных условиях, кг/м³;

        ρ_0y(возд)  – плотность воздуха  при нормальных условиях, кг/м³;

        – объемная  доля двуокиси углерода в газовой смеси, = 0,05;

        ν(возд) – объемная  доля воздуха в газовой смеси, ν(возд) = 0,95.                     

Плотности  газов при нормальных условиях можно рассчитать по формуле (4.10) учебника [4]

 

                                                                     ρ_o = ,                                                       (4.20)

 

где M – молярная масса газа, кг/кмоль.

 

 

Рассчитаем плотность  газовоздушной смеси по формуле (4.21)

 

 

Плотность газовоздушной смеси при условиях абсорбции рассчитаем по формуле (4.18)

 

.

 

Аналогично уравнению (4.19) рассчитаем молекулярную массу газовой смеси

 

 

Плотность жидкой смеси при температуре 293 К (содержанием диоксида углерода в воде пренебрегаем) равна r_x = 998 таблица 5 учебника [4].

m_x = m_у = 1,0×10^-3 Па×с при температуре 20°C по таблице 9 учебника [4].

Переведем молярный расход газовой  и жидкой смеси в массовый по формуле

 

                      ,                                           (4.21)

 

где G – массовый расход, кг/с;

      G_мол – молярный расход, кмоль/с;

     М – молярная масса, кг/кмоль.

Для газовой смеси

 

.

 

Для жидкой смеси

 

.

 

Из формулы (4.17) определяем предельную скорость

 

;

.

 

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Примем рабочую скорость процесса ω, м/с, равной 0,5 от предельной.

 

                                                                ,                                              (4.22)

 

По рассчитанной рабочей скорости газа определяется диаметр абсорбера  по формуле (4.16)

 

 

Рассчитанный диаметр колонного  аппарата приводится к стандартизованным размерам. Принимаем стандартный диаметр колонны абсорбера 1,6 м [2, стр. 197].

Так как выбранный диаметр колонного аппарата отличается от рассчитанного, то необходимо рассчитать рабочую скорость газовой смеси по аппарату ω_раб, м/с, по формуле [2, стр.197]