Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

Для упрощения расчетов материального  баланса необходимо сделать пересчет абсолютных концентраций в относительные. Связь между относительной концентрацией и абсолютной выражается следующей формулой /1, стр. 385/:

,  (3.3)

,  (3.4)

где  у - абсолютная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

Y - относительная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

  x - абсолютная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

 

  X - относительная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

х=

 

Таблица 3.1.

Расчет равновесной линии.

x*,	y,	X*,	Y,
0	0	0	0
3,53·10-4	0,02	3,531·10-4	0,0204
7,06·10-4	0,04	7,065·10-4	0,0417
1,059·10-3	0,06	1,06·10-3	0,0638
1,412·10-3	0,08	1,414·10-3	0,087
1,765·10-3	0,1	1,768·10-3	0,1111

 

По определенным значениям концентраций строится линия равновесия (рис. 3.1).

 

Линия равновесия

Рисунок 3.1

Рис. 3.1.

2. Расчет материального баланса

1. Определение молярного расхода компонентов газовой смеси.

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T₀=273K, P₀=1,013×10⁵ Па) в объемный расход при условиях абсорбции (Т=291К, Р=2,4×10⁶ Па).

,  (3.5)

где V_см0 – расход при нормальных условиях, .

.

Для удобства дальнейших расчетов переведем объемный расход газовой смеси в молярный.

,  (3.6)

где V_см0 - объемный расход газовой смеси, ;

G_см - молярный расход газовой смеси, .

Молярный расход инертного газа определяется по уравнению /4/:

,  (3.7)

где у_н - исходная концентрация СО₂ в газовой смеси, ;

G - молярный расход инертного газа, .

Из условия задания у_н=0,07

.

Концентрацию СО₂ на выходе из абсорбера y_к, :

,  (3.8)

где j – степень извлечения, j=0,78 (из задания).

.

Величины y_к, y_н пересчитаем в относительные по формуле (3.3) Y_к=0,01564 , Y_н=0,07527 .

Для определения молярного  расхода СО₂ M, который поглощается, служит следующее уравнение /4/:

.  (3.9)

.

2. Определение расхода поглотителя СО₂ из газовой смеси.

Для определения минимального молярного  расхода чистого поглотителя  L_мин служит следующее уравнение:

,  (3.10)

где X*_к- равновесная относительная концентрация СО₂ в воде на выходе из аппарата, ; Х_н - исходная относительная концентрация СО₂ в воде, .

Равновесную относительную концентрацию СО₂ в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия рис. 3.1. Для противоточных абсорберов X*_к=f(Y_н). По графику максимально возможная концентрация СО₂ в воде при условиях абсорбции составляет X*_к=0,00122 .

Т.к. 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 /4, стр. 390/

, (3.11)

где a - коэффициент избытка поглотителя, принимаем равным 1,5. 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 /1, стр. 438/.

3. Определение рабочей концентрации СО₂ в поглотителе на выходе из абсорбера.

Для определения рабочей концентрации служит уравнение:

  (3.12)

4. Построение рабочей линии абсорбции СО₂ и определение числа единиц переноса.

По полученным значениям концентраций строится график (рис. 3.2) и определяется число единиц переноса, необходимых для осуществления процесса абсорбции.

 

Определение числа единиц переноса.

ок 3.2

Рис. 3.2.

 

По графику методом вписывания ступенек определяется число единиц переноса. Оно равно 2,3.

3. Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

Для расчета диаметра абсорбера  служит следующее уравнение:

,  (3.13)

где  V_см - объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции,

  w_раб -рабочая скорость газовой смеси по аппарату,

Предельную скорость газа, соответствующую режиму эмульгирования (считая на полное сечение колонны), можно определить по уравнению /4, стр.386/:

, (3.14)

где m_x – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере, мПа×с;

r_x, r_у – плотности соответственно жидкой и газообразной фаз, ;

s – удельная поверхность, ;

e – свободный объем, ;

L, G – расходы фаз,

При выборе размеров насадки следует  учитывать, что чем больше размеры  ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность аппарата) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата. При выборе насадки необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под повышенным давлением потеря его существенного значения не имеет и в данном случае предпочтительнее беспорядочно загруженные насадки, в частности, кольца внавал. Поэтому выбираем керамические кольца Рашига 35´35´4 /3, стр.448/.

Для определения плотности газа при температуре, отличной от нормальной, служит следующее уравнение:

,  (3.15)

где r₀ - плотность газа при 273К, для воздуха равна 1,29 /4/; Т - температура процесса, °C.

Плотность углекислого газа при  нормальных условиях равна 1,98 /4/, а при условиях абсорбции

Плотность газовоздушной смеси  считаем по средней концентрации CO₂ в аппарате

  (3.16)

Аналогично рассчитаем молекулярную массу газовой смеси

Плотность жидкой смеси при температуре 291 К (содержанием диоксида углерода в воде пренебрегаем) равна r_x= 998,4 /4/.

m_x=1,062×10^-3 Па×с при температуре 18°C /4/.

Переведем молярный расход газовой  и жидкой смеси в массовый

,  (3.17)

где G – массовый расход, G_мол – молярный расход, М – молярная масса.

Для газовой смеси

Для жидкой смеси

Из формулы (2.14) определяем предельную скорость

w_пр= 0,03943

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Примем рабочую скорость процесса равной 0,8 от предельной.

По рассчитанной рабочей скорости газа определяется диаметр абсорбера  по формуле (3.14).

Рассчитанный диаметр колонного  аппарата приводится к стандартизованным размерам. Ближайший стандартный диаметр колонного цельносваренного аппарата с насыпной насадкой составляет 1,6 м /5/.

Т.к. выбранный диаметр колонного  аппарата отличается от рассчитанного, то необходимо рассчитать рабочую скорость газовой смеси по аппарату:

  (3.18)

Для насадочных аппаратов плотность  орошения должна быть

U£0,06 .  (3.19)

Плотность орошения

,  (3.20)

где V_x–объемный расход жидкости через аппарат, .

Переведем массовый расход жидкости в объемный

,  (3.21)

.

.

Условие (3.19) выполняется.

4. Определение высоты абсорбера

Высоту насадки H, м, в аппарате обычно определяют через высоту единицы переноса и количество единиц переноса:

,  (3.22)

где h_0y– высота единицы переноса по газовой фазе, м; n_oy– количество единиц переноса

Высоту единицы переноса можно  определить через коэффициент массопередачи  по газовой фазе K_y, /4, стр. 392/:

,  (3.23)

где S – поперечное сечение абсорбера, м²; s – относительная поверхность насадки, ; y – коэффициент смачиваемости насадки.

,  (3.24)

где b_y и b_x – коэффициент массоотдачи по газовой и жидкой фазах соответственно, ; m – коэффициент распределения вещества по фазам.

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи b_y можно рассчитать из уравнения /3, стр. 199/

,  (3.25)

где диффузионный критерий Нуссельта  для газовой фазы /3, стр. 199/

,  (3.26)

где D_y – средний коэффициент диффузии углекислого газа в газовой фазе, ; d_э – эквивалентный диаметр насадки, м; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля.

Критерий Рейнольдса для газовой  фазы в насадке (d_э=0,022 м) /3, стр. 199/

.  (3.27)

Диффузионный критерий Прандтля для  газовой фазы, при этом коэффициент  диффузии углекислого газа в воздухе  при температуре абсорбции  18 °С, и давлении 2,4×10⁶ Па равен D_y= 5,9×10^-7 /4/

  (3.28)

Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение (3.25)

Находим коэффициент массоотдачи b_y из уравнения (3.27)

.

Выразим коэффициент массоотдачи b_y в выбранной для расчета размерности

.  (3.29)

Коэффициент массоотдачи b_x в жидкой фазе находят из обобщенного уравнения /3, стр. 200/

,  (3.30)

где диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы /3, стр. 200/

,  (3.31)

где d_пр – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м.

Приведенная толщина стекающей  пленки жидкости может быть найдена  из уравнения

  (3.32)

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости

,  (3.33)

где U – плотность орошения, .

Диффузионный критерий Прандтля для  жидкости, при этом коэффициент диффузии двуокиси углерода в воде при температуре абсорбции 18 °С, и давлении 2,4×10⁶ Па равен D_x=1,728×10^-9 /4/

  (2.34)

Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение (3.28)

Находим коэффициент массоотдачи b_x из уравнения (3.31)