Насадочная абсорбционная колонна для поглощения аммиака из его смеси с воздухом

   Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gн - М=2,32 – 0,267 = 2,053 кг/с.

        Относительная концентрация  аммиака на входе и выходе:

= Gркн / Gин = 0,278/2,04= 0,136 кг р.к./кг ин.в.                                             (8)

= Gркк / Gин = 0,011/2,04= 0,0054 кг р.к./кг ин.в.

        Расход инертной фазы:

С помощью уравнения Генри строим диаграмму и наносим на   нее рабочую линии процесса абсорбции:

8

                                 ,                                                   (9)

где Мвод = 18 г/моль – молярная масса воды,

                    = 1800 мм.рт.ст. [2c. 826].

0,136 = 171800 /{29760[17/18 + (1 – 1800/760)]}.

Решая это уравнение, получим = 0,0815 кг/кг.

Задаемся значениями в интервале от 0 до 0,09 с шагом 0,01.

Температура жидкости (tk), соответствующая конечной концентрации распределяемого компонента в ней, определится из уравнения теплового баланса:

tk= q/c(-н)+tн=1071/4,19(0,01-0)+10=12,6оС                                               (10)

с=4,19 кДж/(кгК) - массовая теплоёмкость воды.

Средняя температура жидкости для данного интервала изменения концентрации:

tср=(tн+tк)/2=(10+12,6)/2=11,3оС                                                                         

  Таблица данных для построения равновесной линии при неизотермической

                                                        абсорбции.                             

                                                                                                                Таблица 1.

9

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .

Через точку А ( = 0; = 0,0054) и точку В1 ( =0,136; = 0,067) проводим прямую, которая является рабочей линией при мини­мальном расходе воды mmin:

mmin = tgmin =   = (0,136-0,0054)/0,067 = 1,949 кг/кг.   (11)

Действительный расход воды m = 1,2mmin = 1,21,949 = 2,339 кг воды/кг возд.

тогда уравнение рабочей линии будет:

       ,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,056.

Через точки А и В (; ) проводим действительную рабочую ли­нию процесса абсорбции.

10

Расход воды на входе:

Lин = mGин = 2,3392,04= 4,77 кг/с.                                                                        (12)

Lн=Lин.=4,77 кг/с

Расход воды на выходе:

LK = Lн + М = 4,77 + 0,267 = 5,04 кг/с,                                                                 (13)

Средний расход воды:

Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(4,77 + 5,04) =4,91 кг/с                                                   (14)

Средний расход газовой фазы:

Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(2,32 + 2,053) = 2,19 кг/с                                               (15)

                                    Определение диаметра абсорбера.

        Средняя плотность газовой фазы.

Средняя плотность газовой фазы:

г=0,5(он+ок)То/Т                                                                                           (16)

где  ок - плотность газовой фазы на выходе из аппарата.

Конечная концентрация распределяемого компонента в газе:                        (17)

yк=MB/(МB+MА)=290,0054(290,0054+17)=0,0091 кмоль р.к./кмоль фазы

ок=МАук/22,4+МB(1-ук)/22,4=170,0091/22,4+29(1-0,0091)/22,4=1,29 кг/м3 (18)

г=0,5(1,193+1,29) 273/283=1,198 кг/м3.

                Предельная скорость газовой смеси.

              Принимаем в качестве насадки кольца Рашига с размерами 25253.

Предельную скорость газовой фазы wпр, соответствующую точке ин­версии фаз, т. е. переходу от пленочного гидродинамического режима к эмульгированию найдем из уравнения:

,                                                     (19)

где ж и в – вязкость абсорбента и воды при 10С; в нашем    случае   ж =1,110910-3 Пас; в=1,3110-3 Пас ;

      ж = 1000 кг/м3 – плотность воды;

11

     А и В – коэффициенты зависящие от типа насадки: для колец Рашига          

     А = – 0,073;   В = 1,75 [2c. 65];

     dэ = 0,015 м – эквивалентный диаметр насадки с размерами 25253   

      = 0,740 м3/м3 – свободный объем насадки

lg[wпр21,198/(9,810,0150,74021000) (1,110910-3/1,3110-3] =

- 0,073–1,75(4,91/2,19)0,25(1,198/1000)0,125

откуда wпр = 2,7 м/с.

                  Рабочая скорость газовой фазы:

wг = wпрn = 2,70.9 = 2,43 м/c,

где n = 0,9 – для турбулентного режима работы абсорбера [2c. 65].

             Диаметр колонны:

= [2,19/(0,7852,431,198)]0,5 = 0,97 м                                  (20)

Принимаем стандартный диаметр 1 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

        wг = Gcр / (0,785dк2г) = 2,19/(0,785121,198) = 2,33 м/с.                                      (21)

Условие wг/wпр = 2,33/2,7 = 0,86 < 1 выполняется.

                                    Расчёт высоты слоя насадки.

             Число единиц переноса.

Число единиц переноса находим как площадь под кри­вой         .

По данным рис. 1 составляем таблицу 2 и строим график 2:

12

Рис.2 Определение числа единиц переноса графическим методом.

13

Искомую площадь находим методом трапеций:

                                                                       (21)

= S = (0,136-0,0054)/6[(185,2+31,3)/2+66,2+42,4+36,9+33,6+33,3]=6,98

         Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе:

    ,                                                                              (22)

где  b = 0,123 – для колец Рашига [2c. 69],

                   а = 204 м2/м3 – удельная поверхность насадки [1c. 524],

        – коэффициент смачивания насадки, зависящий от отношения  ра­бочей плотности орошения  U к оптимальной Uопт.

Uопт = Ва = 0,158204 = 32,2 м3/(м2ч)                                                       (23)

где  В = 0,158 – для процесса абсорбции   [2c. 70]

U = Lср3600/(0,785dк2ж) = 4,913600/(0,785121000) = 22,5 м3/(м2ч).   (24)

U/Uопт = 22,5/32,2 = 0,7   = 0,74   [2c. 69].

Критерий Рейнольдса:

                            Reг = 4wгг/(га) ,                                                            (25)

где г – вязкость газовой смеси,

Вязкость воздуха при 10С:

,                                                                                   (26)

= 17,310-6(273+124)/(283+124)(283/273)3/2 = 17,810-6 Пас

где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0С               [1c. 513],

      c = 124 – вспомогательный коэффициент.

Вязкость аммиака при 10С

                                                                                    (27)

= 9,1810-6(273+626)/(283+626)(283/273)3/2 = 9,5810-6 Пас

где 0 = 9,1810-6 Пас – вязкость воздуха при 0С               [1c. 513]

      c = 626 – вспомогательный коэффициент.

14

Вязкость газовой смеси найдем из соотношения

                                                                                   (28)

уср.=(0,06/17)/(0,06/17+(1-0,06)/29)=0,098

Мсм.=170,098+29(1-0,098)=27,82 г/моль.

27,82/см = 170,098/9,5810-6 + 290,902/17,810-6

откуда см = 1,69310-5 Пас

Reг = 42,331,198 / (1,669310-5204) = 3232,85.

Диффузионный критерий Прандтля:

Prг = см / (гDг) = 1,69310-5/(1,19817,9410-6) = 0,788,                                     (29)

где Dг – коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,010-6760/760(283/273)3/2 = 17,9410-6 м2/с,                (30)

D0 = 17,010-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях .

hY = [0,740/(2040,890,123)]3232,850,250,7880,67 = 0,213 м.

   Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе:

hX = 119(ж2/ρж2g)1/3Reж0,25Prж0,5.                                                                       (31)

Критерий Рейнольдса:

Reж = 4Lср/(Sкаж) = 44,91/(0,785122041,110910-3) = 110,4                      (32)

где Sк – площадь поперечного сечения колонны.

Диффузионный критерий Прандтля:

Prж=ж/(жDж) = 1,110910-3/(10001,8810-9)=590,9                                            (33)

где Dж = Dж20(1+0,02(22,16-20))= 1,8810-9 м2/с – коэффициент диффузии аммиака в воде [1c. 540].

hX = 119[(1,110910-3)2 / 10009,81]1/3110,40.25590,90.5 = 0,47м.                               

              Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса:

= 0,213+(2,262,19/4,91)0,47 = 0,687 м,                                (34)

где m = 2,26 – тангенс угла наклона равновесной линии.

15

      Суммарная высота насадки:

H = mYh0 = 4,980,687= 4,8 м                                                                      (35)

Отношение Н/dк = 4,8/1,0 = 4,8.

Высота слоя насадки не должна превышать 4dк, поэтому принимаем 3 слоя насадки высотой 2,30 м, между которыми устанавливаем перераспреде­лительную тарелку ТСН-II. Над верхним слоем насадки устанавливается рас­пределительная тарелка ТСН-III.