Леканова Т.Л., Казакова Е.Г. Расчет абсорбционных установок

Подождите немного. Документ загружается.

1 – вентилятор (газодувка); 2 – тарельчатый абсорбер; 3 – брызгоотбойник; 4, 6 –

оросители; 5 – холодильник; 7 – десорбер; 8 – куб десорбера; 9, 13 – емкости для аб-

сорбента; 10, 12 – насосы; 11 – теплообменник-рекуператор.

Рисунок 5 – Схема абсорбционной установки

6.1 Определение количества поглощаемого газа и расхода

абсорбента

Количество поглощаемого газа и расхода абсорбента рассчитываем

аналогично предыдущему примеру (см. п. 4.1). Строим Y–X диаграмму

(рисунок 6).

Для этого рассчитываем начальную и конечную концентрации SO

газовой и жидкой фазах, выраженные в относительных мольных долях.

Начальную концентрацию SO

в газовой фазе рассчитываем по формуле:

)1(

воздухакмоль

SOкмоль

yМ

возд

−

(6.1)

.10289

94,064

06,029

воздухакмоль

SOкмоль

−

⋅=

⋅

Рисунок 6 – Построение линии рабочих концентраций Y = АХ + В

Конечную концентрацию SO

в газовой фазе – по формуле

)1(

воздухакмоль

SOкмоль

yМ

возд

−

= (6.2)

.102,18

996,064

04,029

воздухакмоль

SOкмоль

−

⋅=

⋅

Начальная концентрация SO

в жидкой фазе X

водыкмоль

SOкмоль

(по ус-

ловию задачи).

Конечная концентрация SO

в жидкой фазе рассчитывается по формуле

воды

хМ

;

водыкмоль

SOкмоль

(6.3)

108,5

00205,018

−

⋅=

⋅

водыкмоль

SOкмоль

По найденным начальным и конечным концентрациям SO

в жидкой и

газовой фазах строим на диаграмме Y–X линию рабочих концентраций

Y = АХ + В (см. рисунок 6).

По уравнению равновесия

)1(1

ϕ−+

строим равновесную ли-

нию на Y–X диаграмме.

Константу фазового равновесия определяем по формуле:

=ϕ

(6.4)

где К – коэффициент Генри для водных растворов (см. п. 4.2): для водного

раствора SO

при t = 35 °С коэффициент Генри

K = 42950 мм рт. ст. = 5730 кПа; П – давление абсорбции, П = 141,5 кПа

(по условию, см. начало раздела 4).

.46,40

5,141

5725

==ϕ

Тогда уравнение равновесной линии

46,391

46,40

)46,401(1

46,40

⋅−

⋅

−+

(6.5)

Задаем значения X в пределах от 0 до 5,8 ⋅ 10

–4

(т. е. от Х

до Х

) и рас-

считываем соответствующие Y* по формуле (6.5) и сводим в таблицу 4.

Таблица 4 – Расчетные данные для построения равновесной линии

2,0⋅10

–4

4,0⋅10

–4

5,8⋅10

–4

81,5⋅10

–4

164,4⋅10

–4

240,1⋅10

–4

По результатам расчета строим линию равновесия (рисунок 6).

6.2 Определение диаметра абсорбера

Предварительно принимаем расстояние между тарелками

мт

= 200 мм (см. п. 5.2). Допустимую скорость газового потока определя-

ем по формуле (5.1)

где ρ

– плотность жидкости, кг/м

; ρ

– плотность газового потока, кг/м

;

С – коэффициент, зависящий от типа тарелок и расстояния между тарел-

ками определяется по [8, с. 323, рисунок 7-2]. Для колпачковых тарелок

коэффициент С при = 200 мм составит 0,023.

мт

Тогда скорость газового потока

./57,0

63,1

1000

023,0 смw =⋅=

Диаметр колонны по формуле (3.5)

.7,1

57,063,1785,0

11,2

⋅⋅

ρπ

По справочникам [4; 5] подбираем стандартную колонну диаметром

1600 мм. Тогда действительная скорость потока газа по выражению

(4.19) составит

./51,057,0

8,1

7,1

смw

=⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

6.3 Гидравлический расчет

Согласно приложению 5.2 [6, с. 213], выбираем колпачковую тарелку

типа ТСК-III. Техническая характеристика тарелки приведена в таблице 5.

Периметр слива определяется по формуле:

lВП

сл

, м, (6.6)

где l – длина дуги сливного борта, м.

Длина дуги сливного борта определяется по формуле:

360

мDl

(6.7)

где угол α определяется по формуле:

.3816,0

8,1

1,1

sin

°=α∠⇒===α

(6.8)

Таблица 5 – Техническая характеристика тарелок типа ТСК-III

Наименование параметра

Условное

обозначение

Единицы

измерения

Величина

Площадь поперечного сечения колонны

2,54

Площадь паровых патрубков

0,29

Площадь сегментной переливной трубы

0,09

Отношение площади паровых патрубков

к площади поперечного сечения колонны

% 11,4

Диаметр колпачка

мм

100

Число колпачков

n шт.

Высота колпачка

% 90

Число прорезей на колпачке

шт.

Высота прорези

мм

Ширина прорези

b мм

Площадь одной прорези

пр

0,00012

Наружный диаметр парового патрубка

(толщина его стенки 3

мм)

пп

мм

Длина сливного борта

В м

1,1

Тогда длина дуги сливного борта

.19,18,114,3

360

382

мl =⋅⋅

⋅

Периметр слива

.29,219,11,1 мП

сл

Сопротивление барботажной тарелки рассчитывают по формуле (5.2):

гжсухт

PPPP

∆

где – сопротивление сухой тарелки;

сух

P∆

∆

– сопротивление, вызывае-

мое силами поверхностного натяжения;

гж

∆

– сопротивление газожидко-

стного слоя на тарелке.

Сопротивление сухой тарелки определяется по уравнению (5.3):

yпр

сух

ξ=∆

где – коэффициент сопротивления принимается из таблицы 3; – ско-ξ

пр

рость газа в прорезях колпачка или в отверстиях тарелки, м/с; – плот-

ность газа, кг/м

Скорость газа в прорезях колпачка определяется по формуле

пx

пр

ρξ

= (6.9)

где a – коэффициент для колпачковых тарелок, принимаем a = 1 [1, с. 24];

./6

63,15

03,0100081,9

1 смw

пр

⋅

⋅⋅

⋅=

Сопротивление сухой тарелки

147

63,16

⋅

⋅=∆

сух

Па.

Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке определяется по

формуле (5.6):

3,1

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∆++ρ=∆ h

lkgP

жгж

где k = 0,5 – отношение плотности пены к плотности жидкости; l = 0,02 –

расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, м (принимается

20 мм [1, с. 24]); h – высота уровня жидкости над сливным порогом, м. ∆

Высота уровня жидкости над сливным порогом определяется по фор-

муле (5.8):

85,1

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=∆

kП

сл

где – объемный расход жидкости, м

/с.

Объемный расход жидкости определяется по формуле:

;

(6.10)

.0585,0

1000

5,58

Высота уровня жидкости над сливным порогом составит:

.09,0

5,029,285,1

0585,0

мh =

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅

=∆

Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке:

.79709,0

03,0

02,010005,081,93,1 ПаP

гж

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++⋅⋅⋅⋅=∆

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, оп-

ределяется по формуле (5.4):

=∆

где – поверхностное натяжение жидкости, Н/м, определяем согласно

таблице ХХХIХ [8, с. 537] мН

/1073

−

⋅=σ ; d

– эквивалентный диа-

метр отверстия, м.

Для колпачковых тарелок определяется по формуле (5.5):

()

где b – ширина прорези, м; h

– высота прорези, м (см. таблицу 5).

()

.00706,0

03,0004,02

03,0004,04

мd

+⋅

⋅

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения:

.41

00706,0

10734

ПаP =

⋅⋅

=∆

−

Полное гидравлическое сопротивление тарелки

.98579741147 ПаP

=++=∆

Проверим, соблюдается ли принятое расстояние между тарелками

h = 0,2 м. Необходимое для нормальной работы тарелок условие (5.9):

мт

> 1,8

.181,0

81,91000

985

8,1 м

⋅

⋅=

∆

⋅

Так как 0,181 < 0,2, то вышеуказанное условие выполняется.

6.4 Определение необходимого количества рабочих тарелок

Для определения действительного числа тарелок N

тд

в колонне гра-

фическим методом (на основе общих положений массопередачи) необхо-

димо сначала рассчитать коэффициент массопередачи K

[9, с. 701] по

формуле (3.13):

где – коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный, к 1 м

ра-

бочей площади тарелки,

;

воздухакмоль

SOкмоль

см

SOкмоль

⋅⋅

– коэффициент массоот-

дачи в жидкой фазе, отнесенный к 1 м

рабочей площади тарелки,

;

воздухакмоль

SOкмоль

см

SOкмоль

⋅⋅

φ – константа фазового равновесия.

Коэффициент массоотдачи для колпачковых тарелок в газовой фазе

определяется по формуле

,1047,4

32,1

xyy

Pw ∆⋅=β

−

(6.11)

где – сопротивление жидкости на тарелке, Па.

P∆

Сопротивление жидкости на тарелке определяется по уравнению:

∆

∆ PPP

стx

(6.12)

Сопротивление жидкости на тарелке

.83841797 ПаP

=+=∆

Коэффициент массоотдачи для колпачковых тарелок в газовой фазе

154,083851,01047,4

32,14

=⋅⋅⋅=β

−

воздухакмоль

SOкмоль

см

SOкмоль

⋅⋅

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для колпачковых тарелок

определяется по формуле

;107,33

79,0

xyx

Pw ∆⋅=β

−

(6.13)

659,183851,0107,33

79,04

=⋅⋅⋅=β

−

воздухакмоль

SOкмоль

см

SOкмоль

⋅⋅

Тогда коэффициент массопередачи составит:

.0324,0

659,1

5,40

154,0

воздухакмоль

SOкмоль

см

SOкмоль

⋅⋅

Определяем число единиц переноса одной тарелки по формуле:

возд

ут

m =

(6.14)

где – мольный расход воздуха, определяется по формуле

возд

(6.15)

073,0

11,2

' ==

возд

воздухакмоль

.046,1

073,0

36,20324,0

⋅

ут

Далее находим значение величины по выражению

ут

СВ

СА

ут

−

(6.16)

где

СА

– величина i-го вертикального отрезка между равновесной линией

и рабочей и

СВ

– величина i-го вертикального отрезка между равновес-

ной линией и кинетической линией рабочих концентраций диаграммы Y–X.

Замеряем величины отрезков

СА и рассчитываем величину отрезков

СВ Через полученные точки В

проводим кинетическую кривую (рисунок 6).

.847,2

046,1

===

−

СВ

СА

ут

Тогда

.351,0

847,2

СА

СВ ⋅==

Например:

;02,720351,0351,0

1111

ммСАСВ =⋅=⋅=

ммСАСВ 32,618351,0351,0

2222

=⋅=⋅= и т. д.;

.46,27351,0351,0

7777

ммСАСВ =⋅=⋅=

Проводим через полученные точки B

– B

кинетическую кривую. Из

точки В

в пределах от Y

= 290 ⋅ 10

–4

до Y

= 18,2 ⋅ 10

–4

между линией ра-

бочих концентраций и кинетической кривой строим ломаную линию и

считаем действительное число тарелок N

тд

: N

тд

= 14.

Определим высоту колонны по уравнению (3.29):

нвк

ZZНH

где и – соответственно высота верхней и нижней частей колон-

ны, м. Принимаем, согласно таблице 1, = 1,0 м и = 2,0 м.

Высота тарельчатой части колонны определяется по уравнению (5.11):

(

)

тдмт

NhH

Подставим (5.12) в (3.29) и получим:

(

)

нвтдмтк

ZZNhH

Тогда высота колонны составит:

(

)

.60,20,11142,0 мH

⋅

Гидравлическое сопротивление тарельчатой части колонны по фор-

муле (5.12):

ттд

PNP

∆

.1379098514 ПаP

⋅

∆

6.5 Расчет вспомогательного оборудования

Расчет газодувки и насосной установки приведен ниже (см. п. 7.6).