Перегонка и ректификация

Задачи

Примеры

Пример 3.2.1. В скруббер диаметром D подается V (при нормальных условиях) воздуха, содержащего у_н % (об.) аммиака, который поглощается водой под атмосферным давлением. Степень извлечения аммиака С. Расход воды на Z % больше теоретически минимального. Определить: 1) расход воды; 2) общее число единиц переноса n_оу; 3) высоту слоя насадки из керамических колец 50х50х5 мм.

Коэффициент массопередачи К_у .

Коэффициент смоченности насадки φ.

Данные о равновесных концентрациях жидкости и газа приведены в таблице 16.

Таблица 16

Х,	У*,
0,005	0,0045
0,010	0,0102
0,0125	0,0138
0,015	0,0183
0,020	0,0273
0,023	0,0327

РЕШЕНИЕ

1) Минимальный расход воды определим по формуле

,

(3.5)

где – количество поглощенного аммиака, кг/ч;

G – массовый расход инертного газа (воздуха), кг/ч;

– относительные массовые концентрации поглощаемого компонента (аммиака) в газе внизу и на верху скруббера, кг/кг инертного газа.

G = V ^. ρ,

где ρ – плотность воздуха при заданных условиях (определяем по формуле 1.1).

Схема материальных потоков приведена на рис. 9.

Для пересчета мольной концентрации аммиака у_н в относительную мольную концентрацию У_н, воспользуемся формулой из таблицы 15:

.

По заданному значению у_н определяем У_н. Воспользовавшись формулой (3.4) при известном значении степени извлечения, определяем

У_в = У_н (1 – С).

Зная относительные мольные концентрации аммиака У_н и У_в, определим относительные массовые концентрации аммиака по формуле (таблица 15)

,

где М_А – мольная масса аммиака, кг/кмоль;

М_В – мольная масса инертного газа (воздуха), кг/кмоль.

После определения , определяем количество поглощенного водой аммиака по формуле

, кг/ч.

Рис. 9 – Схема материальных потоков.	Рис. 10 – К примеру 3.2.1.

Для определения концентраций аммиака в воде строим по данным таблицы 16 диаграмму У – Х (рис. 10) с рабочей линией АВ в координатах У_В, Х_В (т. А) и У_Н, Х_Н (т. В).

По условию задачи Х_В = 0.

Используя диаграмму У–Х, по величине У_н определяем значение равновесной концентрации аммиака Х_н*.

Пересчет относительной мольной концентрации аммиака в воде в относительную массовую концентрацию выполняем по формуле

,

где М_А – мольная масса аммиака, кг/кмоль;

М_воды – мольная масса воды, кг/кмоль.

Далее определяем по формуле (3.5) величину L_min.

Действительный расход воды увеличиваем на Z %.

2) Общее число единиц переноса n_оу определяем из формулы (3.2)

,

где ΔУ_ср – средняя движущая сила процесса, выраженная в концентрациях газовой фазы.

Если линия равновесия прямая, то ΔУ_ср можно определять по формуле (3.3)

,

где ΔУ_н = У_н – У_н*; ΔУ_в = У_в – У_в*.

Равновесные концентрации аммиака У_н* и У_в* можно определить из диаграммы У-Х с изображением зависимости рабочих и равновесных концентраций (рис. 10).

Для построения рабочей линии определяем значение Х_н из материального баланса

, кг/ч.

Так как = 0, то

.

Пересчитав относительную массовую концентрацию аммиака в относительную мольную концентрацию аммиака в воде Х_н по формуле

,

строим рабочую линию на диаграмме У-Х с координатами У_в = У_н(1 – С), Х_в=0 и У_н, Х_н и далее графическим путем определяем У_н* и У_в*, принимая, что линия равновесия является прямой линией.

Подставив полученные значения в приведенные выше формулы, определяем ΔУ_н и ΔУ_в, затем ΔУ_ср, после чего находим n_оу.

3) Высоту слоя насадки определяем по формуле:

,

(3.6)

где Н_н – высота слоя насадки, м;

S = π ^. D²/4 – площадь поперечного сечения скруббера, м²;

D – диаметр скруббера, м;

σ – удельная поверхность сухой насадки, м²/м³;

φ – коэффициент смоченности насадки, безразмерный;

К_у – средний коэффициент массопередачи, кмоль/(м^{2 .} с );

- высота единицы переноса, м.

Нн = hоу ^. nоу.

(3.7)

Удельная поверхность сухой насадки σ определяется по справочным данным в зависимости от вида и размеров насадки. Например, для керамических колец размером 50х50х5 мм σ = 87,5 м²/м³.

Пример 3.2.2. Воздух с примесью аммиака пропускается через орошаемый водой скруббер, заполненный насадкой из колец с удельной поверхностью σ. Свободный объем насадки V_св. Температура абсорбции t °С, абсолютное давление Р кгс/см². Среднее содержание аммиака в газовой смеси у % (об.). Массовая скорость газа, отнесенная к полному сечению скруббера G кг/(м^{2 .} с). Определить коэффициент массоотдачи для газа, считая, что скруббер работает при пленочном режиме.

РЕШЕНИЕ

Для расчета коэффициентов массоотдачи в пленочном абсорбере с неупорядоченной насадкой при пленочном режиме используют критериальную формулу:

для газовой фазы

,

(3.8)

здесь ; ; ;

где β_г – коэффициент массоотдачи для газа, м/с;

D_г – коэффициент диффузии поглощаемого компонента в газе, м²/с;

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

μ_г – динамический коэффициент вязкости газа, Па ^. с;

w – фиктивная скорость газа, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр насадки, м.

Формула (3.8) справедлива при Re_г от 10 до 10000.

Определяем фиктивную скорость газа путем пересчета массовой скорости G по формуле:

, м/с.

Плотность газа определяем по формуле

, кг/м³,

где М – мольная масса газа-носителя, кг/кмоль;

Т_о = 273 К; Т = Т_о + t; Р_о – давление при нормальных условиях.

Далее определяем величину критерия Рейнольдса Re_г.

Если значение Re_г вписывается в пределы 10 10000, определяем величину критерия Прандтля:

.

Коэффициент диффузии D_г принимаем такой же, как в воздухе.

,

(3.9)

D_o = 17 ^. 10^-6 м²/с;

.

Далее, диффузионный критерий Нуссельта:

.

Эквивалентный диаметр:

.

(3.10)

Коэффициент массоотдачи:

, м/с.

3.2.1. Построить кривую равновесия для процесса абсорбции двуокиси серы водой в координатах У-Х, пользуясь экспериментальными данными, полученными при t = 20 °С и общем давлении 760 мм рт.ст.:

Парциальное давление SO2, Pso2, мм рт.ст.	0,5	1,2	3,2	8,5	14,1
Концентрация SO2, г/100 г воды	0,02	0,05	0,1	0,2	0,3	0,5	0,7	1,0	1,5

3.2.2. Определить минимальный расход абсорбента при абсорбции аммиака водой в насадочной колонне. Расход инертного газа G = 120 кмоль/ч; концентрация аммиака в газе: начальная у_н = 0,0309 кмоль/кмоль; конечная у_к = 0,0016 кмоль/кмоль; конечная равновесная концентрация аммиака в жидкости х_н* = 0,0318 кмоль/кмоль; начальная концентрация аммиака в жидкости х_к = 0,0002 кмоль/кмоль.

3.2.3. Определить необходимый расход воды для поглощения двуокиси серы из газовой смеси, содержащей 5% SO₂. Расход газа при нормальных условиях V_об = 350 м³/ч. Абсорбция происходит при 20 °С и атмосферном давлении. В колонне поглощается 90% SO₂, содержащегося в газе; конечная концентрация SO₂ в воде составляет 90% от равновесной.

3.2.4. Определить коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при абсорбции газообразного хлористого водорода водой в трубчатом абсорбере, если расход орошаемой воды L = 5440 кг/ч; число трубок n = 60; внутренний диаметр трубок d_вн = 50 мм; длина трубок l = 4 м; средняя температура t=20 °С. Коэффициент диффузии HCl в воде при 20 °С равен D=9,5 ^. 10^-6 м²/ч.

Дата добавления: 2017-02-01