Расчёт абсорбционной установки
Подождите немного. Документ загружается.
Основным достоинством данного аппарата является простота устройства и низкое
гидравлическое сопротивление /1/. В насадочных колоннах тип насадки выбирается
в зависимости от её механической прочности, сопротивления коррозии, стоимости,
объёма и эффективности. Среди насадочных материалов для абсорбции газов с
экономической точки зрения предпочтительны керамические кольца размером
12х12 и 25х25 мм, седлообразная насадка 25х25 мм, спиральная и кольца с
перегородками размером 75х75 мм, блочная и хордовая насадка из дерева /2/. Тип
насадки будет выбран при расчёте абсорбера.
Процесс абсорбции проводится при невысокой температуре. Поэтому перед
тем, как попасть в абсорбер, газ и поглотитель охлаждают в холодильниках, в
которые подаётся охлаждающая вода.
В ходе проекта помимо основного оборудования (насадочного абсорбера)
выбрано вспомогательное оборудование: насос и вентилятор. Насос используется
для подачи поглотителя на абсорбцию, а вентиляторы для подачи газа.
Так как на абсорбцию подаётся большое количество неочищенного газа (по
заданию), с целью повышения эффективности работы системы, газовый поток до
попадания в абсорбер разбит на два. Процесс абсорбции проводится следующим
образом. С помощью вентиляторов газ сначала подаётся в холодильники Х
1
и Х
2
для предварительного охлаждения, а затем далее в абсорбер. Газ на абсорбцию
подаётся в нижнюю часть колонны, где равномерно распределяется перед
поступлением на контактный элемент (насадку). Абсорбент из промежуточной
ёмкости Е
2
насосом подаётся в верхнюю часть колонны и равномерно
распределяется по поперечному сечению. Газ после абсорбции выходит из
колонны. Абсорбент стекает через гидразатвор в промежуточную ёмкость Е
1
,
откуда из колонны насосом направляется на регенерацию.
Технологичная схема процесса абсорбции
í à ð å ã å í å ð à ö è þ
ï î ã ë î ò è ò å ë ü
î ÷ è ù å í í û é ã à ç
â î ä à
õ
õ
õ
Å
Å
Изм
.
Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
1
БГТУ 03.00.ПЗ
Разраб.
Пров.
Утв.
Подробный расчёт абсорбера
ит. в
11
3. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЁТ АБСОРБЕРА
Исходные данные для проектирования установки.
Газ - СО
2
.
Производительность по газу при нормальных условиях – V
0
= 10000 м
3
/ч.
Состав газовой смеси: СО
2
– 20% (об), воздух – 80% (об).
Поглотитель – водный раствор моноэтаноламина (в.р. МЭА).
Температура поглотителя t
п
= 15
0
С.
Содержание СО
2
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
0
С.
Температура исходной газовой смеси – Т = 150
0
С.
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:
F=
М
K
у
⋅Δ
¯
У
ср
,
(3.1)
где К
у
– коэффициент массопередачи в газовой фазе, кг/(м
2
с);
М - масса поглощаемого вещества.
3.1. Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя
Массу газа СО
2
, переходящих в процессе абсорбции из газовой смеси в
поглотитель за единицу времени находим из уравнения:
М=G⋅(
¯
Y
н
−
¯
Y
к
)=L⋅(
¯
X
к
−
¯
Х
н
)
,
(3.2)
где G,L – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа,
кг/с;
¯
X
н
,
¯
Х
к
- начальная и конечная концентрации газа СО
2
в поглотителе,
кг СО
2
/кг в.р. МЭА;
¯
Y
н
,
¯
Y
к
- начальная и конечная концентрации газа СО
2
в газе, кг СО
2
/кг
газа.
Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчёта
размерности:
¯
Х
н
= 0 {
¯
Y
н
=
y
н
⋅М
СО
2
V
м
=
0, 2⋅44
22, 4
= 0 , 39 ¿
кмоль СО
2
/кмоль газа
{
¯
Y
к
=
¯
Y
н
⋅(1−ϕ)=0,39⋅(1−0 , 9)=0 ,039¿
кмоль СО
2
/кмоль газа
Конечную концентрацию газа СО
2
в поглотителе
¯
Х
к
найдём из
равновесной линии по зависимости
¯
Y
н
=f (
¯
Х )
.
¯
y
¿
=
K
P
⋅
¯
х
,
(3.3)
где К = 20,4 мм.рт.ст. = 2719,32 Па /4/.
Подставим и получим следующую зависимость:
¯
y
¿
=
0,027
0,1
⋅
¯
х=0,27⋅
¯
х
Строим равновесную и рабочую линии абсорбции (рис.3.1).
1 – равновесная линия, 2 – рабочая линия
Рис.3.1
Находим
Х
¯
у
н
¿
=0, 0145
кмоль СО
2
/кмоль в.р. МЭА.
Конечная концентрация газа СО
2
в поглотителе
¯
Х
к
обуславливает его
расход (который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера), а также часть
энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и регенерацией.
Тогда найдём
¯
Х
к
=
Х
у
н
¿
+0 , 5⋅
¯
Х
н
1,5
=
0, 145
1,5
=0, 097
кмоль СО
2
/кмоль в.р.
МЭА.
Расход инертной части:
G=V
0
⋅(1-Y
об
)⋅( ρ
0у
−
¯
Y
н
)
,
(3.4)
где
ρ
0у
= 1,29 кг/м
3
/4/ ;
Y
об
= 0,2 м
3
СО
2
/м
3
газа – объёмная доля СО
2
в газе.
Подставим и получим
G=
10000
3600
⋅(1-0,2)⋅(1, 29-0,39)=2 ,0кг /с
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:
М=G⋅(
¯
Y
н
−
¯
Y
к
)
,
(3.5)
Подставим и получим:
М=2,0⋅(0,39-0,039)= 0 , 7кг/с
Расход поглотителя:
L=
M
(
¯
X
к
−
¯
X
н
)
,
(3.6)
Подставим и получим:
L=
0,7
0,097
=7 , 2кг/с
Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя,
составит:
l=
L
G
=
7, 2
2, 0
=3, 6 кг/c
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:
Δ
¯
Y
ср
=
( Δ
¯
Y
б
− Δ
¯
Y
м
)
ln
Δ
¯
Y
б
Δ
¯
Y
м
,
(3.7)
где
Δ
¯
Y
б
, Δ
¯
Y
м
,
- большая и меньшая движущая силы на входе и выходе потоков
в абсорбере, кмоль СО
2
/кмоль газа (рис.3.2)
Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в
абсорбере
Рис.3.2
Тогда
Δ
¯
Y
б
=
¯
Y
Н
−
¯
Y
Х
К
¿
Δ
¯
Y
м
=
¯
Y
к
−
¯
Y
Х
н
¿
,
где
¯
Y
Х
К
¿
,
¯
Y
Х
н
¿
- концентрация СО
2
в газе, равновесные с концентрациями в
жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе и выходе из абсорбера
(рис.3.1, 3.2).
Подставим и получим:
Δ
¯
Y
б
=0,39−0,25=0,14
кмоль СО
2
/кмоль газа,
Δ
¯
Y
м
=0,039
кмоль СО
2
/кмоль газа,
Δ
¯
Y
ср
=
(0,14-0,039)
ln
0,14
0,039
=0 , 079
кмоль СО
2
/кмоль газа
3.3. Коэффициент массопередачи
Коэффициент массопередачи К
у
находим по уравнению аддитивности
фазовых диффузионных сопротивлений:
К
у
=
1
1
β
у
+
m
β
х
,
(3.8)
где β
у
, β
х
- коэффициенты массопередачи соответственно в жидкой и газовой
фазах, кг/м
2
с;
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 м
2
/м
3
– удельная поверхность насадки;
- ε = 0,72 – м
3
/м
3
– свободный объём;
- d
э
= 0,048м – эквивалентный диаметр;
- ρ = 670 кг/м
3
– 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:
lg
[
ω
пр
2
⋅а
g⋅ε
3
⋅
ρ
у
ρ
х
⋅
(
μ
х
μ
у
)
0 , 16
]
= А−В⋅
(
L
G
)
1 /4
⋅
(
ρ
у
ρ
х
)
1/8
,
(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
0
С в абсорбере /4/;
ρ
х
= 1015 кг/м
3
- плотность поглотителя;
А,В – коэффициенты, зависящие от типа насадки, А = - 0,073, В = 1,75 /5/.
Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:
ρ
у
= ρ
0 у
⋅
Т
0
Т
⋅
Р
Р
0
,
(3.10)
Подставим и получим:
ρ
у
=1, 29⋅
273
293
⋅
0 ,1⋅10
6
1, 013⋅10
5
=1,19 кг / м
3
Предельную скорость ω
пр
находим, принимая при этом, что отношение фаз
в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов
инертных фаз:
lg
[
ω
пр
2
⋅60
9, 81⋅0 , 72
3
⋅
1,19
1015
⋅
(
2, 0⋅10
−3
10
−3
)
0 ,16
]
=−0, 073−1, 75⋅
(
7, 2
2,0
)
1/4
⋅
(
1, 19
1015
)
1 /8
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:
d =
√
4⋅V
π⋅ω
=
√
4⋅V
0
⋅
T
T
0
⋅
P
0
P
π⋅ω
(3.11)
Подставим и получим:
d =
√
4⋅2 , 78⋅
293
273
⋅
1, 013⋅10
5
1⋅10
5
3, 14⋅0, 95
=2, 01 м
Принимаем диаметр абсорбера d = 2,0 м.
3.5. Плотность орошения и активная поверхность насадки
Плотность орошения рассчитываем по формуле:
U=
L
ρ
х
⋅S
,
(3.12)
где S – плотность поперечного сечения абсорбера, м
2
.
S=
π⋅d
2
4
=
3,14⋅2, 0
2
4
=3 , 14 м
2
Подставим и получим:
U=
7, 2
1015⋅3 , 14
=22, 6⋅10
−4
м
3
/м
2
⋅с
Минимальная эффективная плотность орошения /5/: