М_в – молярная масса воды равная 18 кг/кмоль. 

     

, м³/с 

     

,м³/(м∙с) 

     Подставив получим: 

 

     3.5 Расчёт коэффициентов массоотдачи 

     Коэффициент массопередачи определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений[1] : 

      ,     (3.20) 

где β_х и β_у – коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и газовой фаз, кг/(м²·с);

     m – коэффициент распределения,

     m = 0,1006 кмоль воды/кмоль воздуха.

     Для жидкой фазы коэффициент массоотдачи [1]:  

, (3.21) 

где D_x – коэффициент молекулярной диффузии распределяемого компонента в жидкости, м²/с;

     ε – газосодержание барботажного слоя,м³/м³;

     U – плотность орошения;

     μ_х – вязкость воды, равная 1 мПа∙с по [3] рисунок V;

     μ_у - вязкость воздуха, равная 0,018 мПа∙с по [3] рисунок VI;

     h₀ – высота светлого слоя жидкости, м.

     Плотность орошения равна [1]: 

 

где L – молярный расход поглотителя, кмоль/с;

     М_В – молярная масса воды, кг/кмоль;

     ρ_x – плотность воды, при температуре абсорбции, кг/м³.

     Согласно  [1] рассчитаем D_х 

_,    (3.22) 

где D_x20 – коэффициент диффузии в жидкости при t = 20°C, м²/с;

     b – температурный коэффициент;

     t – температура абсорбции.

     Коэффициент диффузии в жидкости при 20°С можно вычислить по приближенной формуле [1]: 

       ,   (3.23) 

где А, В – коэффициенты ассоциации, учитывающие отклонения от нормы в поведении растворенного вещества и растворителя. Согласно [4] c.660 А= 1, для воды В = 4,7;

     υ_ац и υ_в – мольные объемы ацетона и воды соответственно при нормальной температуре кипения, (υ_в = 18,9 см³/моль, υ_ац=74 см³/моль, [3]);

     μ_X – вязкость жидкости при 20 °С, равная 1 мПа∙с. 

     

. 

     Температурный коэффициент b определяем по формуле [1]: 

      ,    (3.24) 

где μ_x и ρ_x принимаем при температуре 20 °С [3] 

. 

     При температуре абсорбции 26 °С коэффициент диффузии D_X будет равен: 

. 

     Газосодержание барботажного слоя определяем из соотношения [1] 

,      (3.25) 

где Fr – критерий Фруда.

     Критерий  Фруда рассчитывается по формуле [1]: 

      ,      (3.26) 

где w_Т – скорость газа в рабочем сечении тарелки, м/с;

     h₀ – высота газожидкостного слоя, м;

     g = 9.81 м²/с.

     Скорость  газа в рабочем сечении тарелки найдем по [1] 

      ,       (3.27) 

где V – объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции, м³/с;

     F – рабочее сечение тарелки, м². В соответствии с [6] таблица 5.2 для колпачковых тарелок типа ТСК-Р с диаметром колонны 2,4 м F = 3,48 м². 

     

 м/с 

     

. 

     Тогда газосодержание барботажного слоя: 

. 

     Подставим все полученные значения в формулу (3.21) 

 

     Для газовой фазы коэффициент массоотдачи [1]: 

, (3.28) 

где F_с – свободное сечение тарелки, равное 12,3% или 0,123                              по [1] Приложение 5.2;

     D_y – коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/с;

     w_т – скорость газа в рабочем сечении тарелки, м/с.

     Коэффициент диффузии ацетона в воздухе при атмосферном давлении и температуре t = 0°С по [8] D_0У = 1,09∙10^-5 м²/с. Пересчитаем это значение на условия абсорбции по формуле [3]:

,    (3.29) 

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

     Т – температура абсорбции, К;

     р – абсолютное давление в абсорбере, Па.

     Подставив , получим: 

м²/с. 

Подставив данные в формулу (3.), получаем 

 

     Переведём коэффициенты массоотдачи в нужную размерность 

,     (3.30) 

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

     ρ_у – плотность газовой смеси, кг/м³. 

     

. 

,     (3.31) 

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

     ρ_x – плотность жидкости, кг/м³.

     Молярная  масса жидкой смеси равна: 

,    (3.32) 

где х_к – абсолютная мольная доля ацетона в воде, кмоль ацетона/кмоль смеси.

     Произведем  перерасчет из относительных в абсолютные мольные доли[1]: 

,       (3.33) 

 кмоль ацетона/кмоль ж. смеси. 

. 

     Тогда коэффициент массотдачи: 

. 

     Рассчитаем  теперь коэффициент массопередачи  по формуле (3.20) 

. 

     3.6 Поверхность массопередачи и высота абсорбера 

     Поверхность массопередачи в абсорбере рассчитывается по уравнению: 

,     (3.34) 

где М - молярный расход ацетона, кмоль/с;

     К_У – коэффициент массопередачи, кмоль/м²∙с;

     ΔY_ср – движущая сила процесса, кмоль/кмоль.

     Движущая  сила может быть выражена в единицах концентрации как жидкой, так и  газовой фаз. Принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы: 

          (3.35) 

где ΔY_б и ΔY_м – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кмоль ацетона/кмоль воздуха. 

     

 

          (3.36)

где Y_Хн и Y_Хк – концентрация ацетона в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него: 

     

 

     

 

     

     Отсюда

 

 

     Тогда требуемое число тарелок [1] 

 ,     (3.37) 

где F_раб - рабочее сечение тарелки, которое равно [6] 3,48 м². 

 

     Принимаем n = 10 тарелок. 

     3.7 Выбор расстояния между тарелками и определение высоты абсорбера 

     Расстояние  между тарелками принимают равным или несколько большим суммы высот барботажного слоя (пены) h_п и сепарационного пространства h_c [1]: 

      ,      (3.38) 

     Высоту  пены рассчитаем по формуле

      ,     (3.39) 

     Подставив получим

     

 

     Высоту  сепарационного пространства рассчитываем исходя из допустимого брызгоуноса с тарелки, принимаемого равным 0.1 кг жидкости на 1 кг газа используя формулу [1]: 

,  (3.40) 

где Е – масса  жидкости уносимой с 1 м² рабочей площади сечения колонны, кг/м²·с;

     σ – поверхностное натяжение, σ = 72.8 мН/м [3].

     Согласно  графику для определения уноса  на колпачковых тарелках [1] рисунок 5.5: 

     

 

     Из (3.) выразим h_с :

 

Найдём расстояние между тарелками по формуле (3.41) 

,      (3.41) 

 

     Принимаем h = 0.3 м [6] таблица 24.2.

     Рассчитаем  высоту тарельчатой части по формуле (3.42): 

,     (3.42) 

     Подставив значения, получим 

. 

     Расстояние  между нижней тарелкой и днищем абсорбера примем по [7] равным 5 м, а расстояние между верхней тарелкой и крышкой абсорбера 1.6, тогда общая высота абсорбера : 

 

     3.8 Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера 

     Гидравлическое  сопротивление тарелок абсорбера  определяют по формуле [2]: 

     (3.43)