Расчёт абсорбционной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технологичная схема процесса абсорбции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЁТ АБСОРБЕРА

 

              Исходные данные для проектирования  установки.

Газ - СО₂.

Производительность по газу при  нормальных условиях – V₀ = 10000 м³/ч.

Состав газовой смеси: СО₂ – 20% (об), воздух – 80% (об).

Поглотитель – водный раствор моноэтаноламина (в.р. МЭА).

Температура поглотителя t_п = 15 ⁰С.

Содержание СО₂ в поглотителе – х_н= 0.

Степень извлечения целевого компонента – φ = 90%.

Давление в аппарате – Р = 0,1 МПа.

Коэффициент избытка поглотителя  – 1,8.

Температура абсорбции t_а = 20 ⁰С.

Температура исходной газовой смеси  – Т = 150 ⁰С.

Тип абсорбера – насадочный.

 

Геометрические размеры колонного  массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз /3/.

Поверхность массопередачи будет найдена следующим образом:

 

                                    ,                                                                 (3.1)

 

где К_у – коэффициент массопередачи в газовой фазе, кг/(м²с);

 М  - масса поглощаемого вещества.

 

3.1. Масса поглощаемого вещества  и расход поглотителя

 

Массу газа СО₂ , переходящих в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени находим из уравнения:

 

                                   ,                                      (3.2)

 

где G,L – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

       - начальная и конечная концентрации газа СО₂ в поглотителе,

кг СО₂/кг в.р. МЭА;

        - начальная и конечная концентрации газа СО₂ в газе, кг СО₂/кг газа.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для  расчёта размерности:

 

 

 

   кмоль СО₂/кмоль газа 

     кмоль СО₂/кмоль газа

 

Конечную концентрацию газа СО₂ в поглотителе найдём из равновесной линии по зависимости .

                              ,                                                                           (3.3)

где К = 20,4 мм.рт.ст. = 2719,32 Па /4/.

Подставим и получим следующую  зависимость:

 

 

 

        Строим равновесную  и рабочую линии абсорбции  (рис.3.1).

 

                  

                       1 – равновесная линия, 2 – рабочая линия

                                                   Рис.3.1

Находим кмоль СО₂/кмоль в.р. МЭА.

Конечная концентрация газа СО₂ в поглотителе обуславливает его расход (который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера), а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и регенерацией.  

Тогда найдём кмоль СО₂/кмоль в.р. МЭА.

Расход инертной части:

 

                     ,                                                          (3.4)

где = 1,29 кг/м³ /4/ ;

       = 0,2 м³ СО₂/м³газа – объёмная доля СО₂ в газе.

Подставим и получим

 

                    

 

Производительность абсорбера  по поглощаемому компоненту:

 

                                        ,                                                          (3.5)

 

Подставим и получим:

 

                        

 

Расход поглотителя:

                                ,                                                                     (3.6)

Подставим и получим:

 

                           

 

Тогда соотношение расходов фаз, или  удельный расход поглотителя, составит:          

                           

 

3.2. Движущая сила массопередачи

 

Движущая сила в соответствии с  уравнением (3.1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

 

                    ,                                                             (3.7)

где - большая и меньшая движущая силы на входе и выходе потоков в абсорбере, кмоль СО₂/кмоль газа (рис.3.2)

 

Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках  в абсорбере

 

 

                                                 Рис.3.2

 

Тогда    ,

 

где , - концентрация СО₂ в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе и выходе из абсорбера (рис.3.1, 3.2).

Подставим и получим:

 

 кмоль СО₂/кмоль газа,

 кмоль СО₂/кмоль газа,

 кмоль СО₂/кмоль газа

 

3.3. Коэффициент массопередачи

 

Коэффициент массопередачи К_у находим по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

 

                        ,                                                                  (3.8)

 

где β_у, β_х - коэффициенты массопередачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/м²с;

       m – коэффициент распределения, кг в.р. МЭА /кг газа.

Для расчёта коэффициентов массопередачи выберем тип насадки и рассчитаем скорости потоков в абсорбере.

Для нашего проекта выберем насадку  – керамические кольца Рашига (рис.3.3) (100х100х10).

                            Керамические кольца Рашига

 

 

                                                       Рис.3.3

 

Характеристики выбранной насадки.

- а = 60 м²/м³ – удельная поверхность насадки;

- ε = 0,72 – м³/м³ – свободный объём;

- d_э = 0,048м – эквивалентный диаметр;

- ρ = 670 кг/м³ – насыпная плотность;

- число – 1050 шт.

 

3.4. Скорость газа и диаметр  абсорбера

 

Предельную скорость газа, выше которой  наступает захлёбывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по формуле:

 

  ,                                  (3.9)

 

где ω_пр – предельная фиктивная скорость газа. м/с;

      μ_х = 2,0^.10^-3 Па^.с – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере /4/;

      μ_у = 1^.10^-3 Па^.с – вязкость воды при 20 ⁰С в абсорбере /4/;

      ρ_х = 1015 кг/м³ - плотность поглотителя;

      А,В – коэффициенты, зависящие от типа насадки, А = - 0,073, В = 1,75 /5/.

Пересчитаем плотность газа на условия  в абсорбере:

     

                    ,                                                                (3.10)

Подставим и получим:

 

 

Предельную скорость ω_пр находим, принимая при этом, что отношение фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

 

Решая это уравнение, получим, ω_пр = 1,9 м/с. Рабочую скорость принимаем равной ω = ω_пр^. 0,5 = 1,9^. 0,5 = 0,95 м/с.

Диаметр абсорбера находим из уравнения  расхода:

 

                                                                    (3.11)

 

Подставим и получим:

 

            

 

Принимаем диаметр абсорбера d = 2,0 м.

 

3.5. Плотность орошения и активная  поверхность насадки

 

 Плотность орошения рассчитываем по формуле:

 

                         ,                                                                      (3.12)

 

где S – плотность поперечного сечения абсорбера, м².

 

                          

 

Подставим и получим:

 

                

 

Минимальная эффективная плотность  орошения /5/:

 

                    ,                                                                       (3.13)

 

где q_эф = 0,022^.10^-3 м²/с

Подставим и получим:

 

                    

 

Активная поверхность насадки /5/:

 

                     ,                                                       (3.14)  

 

где p и q – коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Подставив численные значения получим:

 

         

 

3.6. Расчёт коэффициентов массоотдачи

 

Для регулярных насадок коэффициент  массоотдачи в газовой фазе β_у находим из уравнения /1;5/:

     ,                                         (3.15)

 

где D_у – средний коэффициент диффузии СО₂ в газе, м²/с;

      Re_у – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

      Рr^/_у – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

      μ_y = 0,015^.10^-3 Па^.с – вязкость газа /4/;

      l = 0,1м – высота насадки.

Найдём необходимые величины.

Коэффициент диффузии СО₂ в газе можно рассчитать по уравнению:

 

           ,                                           (3.16)

 

Подставив численные значения получим:

 

 

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке:

 

 

Критерий Прандтля для газовой  фазы в насадке:

 

 

Найдём коэффициент массоотдачи:

 

 

Выразим β_у в выбранной для расчёта размерности:

 

         β_у = 0,017^. (ρ_у – у_ср) = 0,017^.(1,19-0,019) = 0,02 кг/м^2.с

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β_х находим из уравнения:

 

                     ,                                        (3.17)

 

где D_х – средний коэффициент диффузии СО₂ в поглотителе, м²/с;

      δ_пр – приведённая толщина стекающей плёнки жидкости, м;

      Re_х – модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки жидкости;

       Рr^/_х – диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

Коэффициент диффузии найдём:

 

,                                                        (3.18)

 

где М – мольная масса поглотителя, кг/кмоль;

       β – параметр, учитывающий ассоциацию молекул;

       Т – температура  поглотителя.

Подставив численные значения получим:

 

    

 

Приведённая толщина стекающей  плёнки жидкости:

 

 

Модифицированный критерий Рейнольдса:

 

 

Диффузионный критерий Прандтля для  жидкости:

 

 

Подставив численные значения, получим: