Расчёт тарельчатого абсорбера

     3 Расчёт тарельчатого абсорбера 

     3.1 Определение условий равновесия процесса 

     Определим равновесные концентрации ацетона в воде. В случае  абсорбции хорошо поглощаемых газов (паров) расчет равновесных концентраций ведут по закону Рауля [2] c.16: 

,  (3.1) 

где Õ - давление в абсорбере, Па;

     P_н- давление насыщенных паров ацетона при температуре абсорбции (t=26 °C), Па;

     x^* - равновесная концентрация ацетона в воде, ;

     у - концентрация ацетона в воздухе, .

     Давление  насыщенных паров ацетона при  температуре абсорбции        (t = 26°С) по [3] рисунок XIV равно 244 мм. рт. ст. Пересчитаем в Па: 

 Па 

, (3.2) 

      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.

      Для упрощения расчетов материального  баланса необходимо сделать пересчет абсолютных концентраций в относительные. Связь между относительной концентрацией и абсолютной выражается следующей формулой по [3] c.283: 

,  (3.3)

,  (3.4)

 

где у - абсолютная концентрация ацетона в газовой фазе, ;

     Y - относительная концентрация ацетона в газовой фазе, ;

     x - абсолютная концентрация ацетона в жидкой фазе, ;

     X - относительная концентрация ацетона в жидкой фазе, ; 

Таблица 3.1 - Расчет равновесной линии

 

     По  определенным значениям концентраций строится линия равновесия Х* = m∙Y (рисунок 3.1). 

     

     Рисунок 3.1 – Линия равновесия. Определение минимального расхода поглотителя 

     Коэффициент распределения m найдем как тангенс угла наклона линии равновесия к оси Х. Поскольку линия равновесия в данном случае не прямая, то коэффициент распределения будем рассчитывать как среднее арифметическое, разбив линию равновесия на ступени и рассчитав тангенс угла наклона на каждой из них. Проделав эти операции, получили, что коэффициент распределения m равен 0,1006 кмоль воды/кмоль воздуха.

3.2 Расчет материального баланса

     3.2.1 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=299К, Р=0,25×10⁶ 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 при нормальных условиях, ;

G_см - молярный расход газовой смеси, . 

. 

     Молярный  расход инертного газа определяется по уравнению [2] c.17: 

,  (3.7) 

где у_н - исходная концентрация ацетона в газовой смеси, ;

     G - молярный расход инертного газа, .

     Из  условия задания у_н=0,04 . 

.

      Концентрацию  ацетона на выходе из абсорбера y_к, находим по формуле [2] c.17: 

,  (3.8) 

где j – степень извлечения, j=0,92 (из задания). 

      

. 

     Величины  y_к, y_н пересчитаем в относительные по формуле (3.3): 

     

,

     

. 

     Для определения молярного расхода  ацетона M, который поглощается, служит следующее уравнение [2]: 

, (3.9) 

.

     2.2.2 Определение расхода поглотителя ацетона из газовой смеси

     Для определения минимального молярного  расхода чистого поглотителя  L_мин служит следующее уравнение [2]: 

, (3.10) 

где X*_к- равновесная относительная концентрация ацетона в воде на выходе из аппарата, ;

     Х_н - исходная относительная концентрация ацетона в воде, .

      Равновесную относительную концентрацию ацетона в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия (рисунок 3.1). Для противоточных абсорберов X*_к=f(Y_н). По графику максимально возможная концентрация ацетона в воде при условиях абсорбции составляет X*_кmax=0,408 . 

 

     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] 

, (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 [5]. 

.

     2.2.3 Определение рабочей концентрации ацетона в поглотителе на выходе из абсорбера

     Для определения рабочей концентрации служит уравнение [2]: 

,  (3.12) 

     2.2.4 Построение рабочей линии абсорбции ацетона и определение числа единиц переноса

     По  полученным значениям концентраций строится график (рисунок 3.2)

     

     Рисунок 3.2 - X – Y диаграмма при давлении р = 0.25 МПа

     3.3 Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

 

     Для начала необходимо выбрать тип тарелки. Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. Выберем колпачковый тип тарелки, а именно тарелки колпачковые однопоточные стальные разборные типа ТСК-Р, так как они могут работать при большой нагрузке по жидкости, у них большая область устойчивой работы, большая эффективность, они обладают лёгкостью пуска и установки.

     Для колпачковых тарелок предельно  допустимую скорость рекомендуется  рассчитывать по формуле: 

           (3.13) 

где ρ_x и ρ_y –плотности жидкой и газообразной фазы соответственно,   ρ_x = 998 кг/м³ [3];

     d_k-диаметр колпачка ,м;

     h_k-расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки , м.

     Плотность газообразной фазы найдем по формуле  [3]: 

      ,     (3.14)

где М_см – молярная масса парогазовой смеси, кг/кмоль;

     Т₀, р₀ – соответственно температура и давление при нормальных условиях (Т₀ = 273К, р₀ = 1,013∙10⁵ Па);

     t – температура абсорбции равная 26 °С по заданию;

     р – давление в абсорбере равное 0,25 МПа.

     Молярная  масса парогазовой смеси рассчитывается по формуле [3]: 

      ,     (3.15) 

где М_ац – молярная масса ацетона равная 58 кг/кмоль;

     М_вз – молярная масса воздуха равная 29 кг/кмоль;

     у_н- исходная концентрация ацетона в газовой смеси,

     _{Получаем,} 

     _{Мсм  = 58∙0,04 + 29∙(1-0,04) = 30,16 кг/кмоль,} 

     

 кг/м³. 

     Диаметр колпачка d_k и расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки h_k выберем согласно [6] таблица 24.2: d_k = 0,1 м, h_k = 0.3м.

     Тогда предельно допустимая скорость будет  равна: 

 

     Рабочая скорость будет равна [1] 

     

, м/с 

     Диаметр абсорбера находим из уравнения  расхода [1]: 

      ,  (3.16) 

где V – объёмный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с. Отсюда 

 
 

     Выбираем  стандартный диаметр обечайки абсорбера  d_ст=2,4 м. При этом действительная рабочая скорость газа в абсорбере [1] 

     

, м/с. 

     3.4 Высота светлого слоя жидкости 

     Высоту  светлого слоя жидкости на тарелке  h₀ находим из соотношения[1]: 

      ,  (3.17) 

где h_пер – высота переливной перегородки, согласно [6] h_пер = 0,05 м;

     q – линейная плотность орошения, м³/(м∙с).

     Рассчитаем  линейную плотность орошения q [1]: 

     q = Q/L_c,      (3.18) 

где Q – объёмный расход жидкости м³/с;

     L_с – периметр слива, L_с = 1,775 м [6].

     Объемный  расход жидкости равен: 

,      (3.19) 

где L – молярный расход чистого поглотителя, кмоль/с;

     ρ_х – плотность чистого поглотителя при температуре абсорбции, кг/м³;