XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

ВВЕДЕНИЕ

АБСОРБЦИЯгазов (лат. absorptio, от absorbeo-поглощаю), объемноепоглощениегазовипаровжидкостью(абсорбентом) с образованием раствора. Применение абсорбции в технике для разделения и очистки газов, выделения паров из паро-газовых смесей основано на различии растворимости газов и паров в жидкостях. Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией; его используют для выделения из раствора поглощенного газа и регенерации абсорбента. Поглощение газов металлами (например, водорода палладием) называется окклюзией. Абсорбция - частный случай сорбции.

Различают физическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции энергия взаимодействия молекул газа и абсорбента в растворе не превышает 20 кДж/моль. При химической абсорбции  молекулы растворенного газа реагируют с активным компонентом абсорбента-хемосорбентом (энергия взаимодействия молекул более 25 кДж/моль) либо в растворе происходит диссоциация или ассоциация молекул газа.  Промежуточные варианты абсорбции характеризуются энергией взаимодействия молекул 20-30 кДж/моль. К таким процессам относится растворение с  образованием водородной связи, в частности абсорбция ацетилена диметилформамидом.

Статика абсорбции.

Характеризует термодинамическое равновесие раствора с паро-газовой смесью, а также материальный и энергетический балансы процесса. При физ. абсорбции с образованием идеального раствора для растворителя и растворенного газа во всем интервале изменения состава в соответствии с законом Рауля растворимость газа:

где Р°₂- давление паров над чистым сжиженным газом при данной температуре системы; р₂ - парциальное давление газа; звездочкой  обозначаются параметры вещества в условиях равновесия. Индексы "1" и "2" относятся соотв. к растворителю и газу. Идеальная растворимость x*_2,ид-функция только температуры, свойства растворителя влияния на нее не оказывают.

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.

На рис. 5.1 дана схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13% откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник- рекуператор 11, дополнительно  охлаждается в холодильнике 5. Регенерация может осуществляться также другими методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышением температуры. Выбор метода регенерации существенно сказывается на технико-экономических показателях абсорбционной установки в целом.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Исходные данные:

1. Загрязнитель: хлористый водород

2. Тип насадки: керамические кольца Рашига

3. Тип укладки: упорядоченная

4. Количество воздуха, поступающего в абсорбер V=5,2 м³/с

5. Начальная концентрация загрязнителя:

- в газовой смеси у_н=6,2%

- в абсорбенте х_н=0%

6. Степень извлечения абсорбтива ɛ=0,88

7. Степень насыщения Ƞ=0,72

8. Температура абсорбции t_a=25˚C

9. Давление абсорбции P_a=165кПа

10. Вспомогательное оборудование: насос, газодувка .

2.1. Материальный баланс.

1. Определяем начальную мольную концентрацию хлористого водорода в газовой смеси на входе в абсорбер:

Y_н= = =0,0497 кмоль/кмоль газа ,

где M_НCL, М_возд — мольные массы хлористого водорода и воздуха соответственно, кг/кмоль.

2. Определяем конечную мольную концентрацию хлористого водорода в газовой смеси на выходе из абсорбера:

Y_к=Y_н ˑ (1 - ɛ)= 0,0497 ˙ ( 1-0,88 ) = 0,006 кмоль/кмоль газа

3. Определяем количество поглощаемого хлористого водорода:

G_HCL= = = 0,371 кг/с ,

где: V_м — молярный объем, равный 22,4 м³/кмоль.

4. Определяем начальную долю хлористого водорода в абсорбере на входе в абсорбер:

X`_н= = =0,0012 кг/кг воды

5. Определяем коэффициент Генри для водного раствора хлористого водорода при температуре абсорбции:

E= = = =0,00215·10⁶ мм.рт.ст.,

где: E₁, Е₂- коэффициенты генри хлористого водорода при температурах t₁ и t₂ соответственно, мм.рт.ст. [3]

Переводим полученное значение в кПа [3]:

Е=Е´· 133,3 · 10^-3 = 0,00215 · 10⁶ · 133,3 · 10^-3 =286,6 кПа

6. Определяем равновесную мольную долю хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:

X_к^*= = = 0,02861 кмоль/кмоль воды

7. Определяем конечную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:

X”_к= = = 0,059 кг/кг воды

С учётом степени насыщения:

Х᾿_к= X”_к·η= 0,059 · 0,72 = 0,042 кг/кг воды

8. Определяем расход абсорбента (воды):

= кг/с

2.2. Определение диаметра абсорбера.

В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига со следующими характеристиками [2;3]:

- размер элемента (диаметр х высота х толщина стенки), мм.: 50х50х5

- удельная поверхность насадки f, м²/м³: 110

- свободный объем насадки V_св, м³: 0,735

1.Определяем эквивалентный диаметр элемента насадки:

d_э=

2.Определяем среднюю концентрацию хлористого водорода в газовой смеси:

3.Определяем среднюю концентрацию воздуха в газовой смеси:

Y_{ср.возд.}=1-Y_ср.=1-0,028=0,972 кмоль/кмоль газа

4.Определяем среднюю плотность газовой смеси:

- при нормальных условиях:

- при температуре и давлении абсорбции:

кг/м³

5.Определяем среднюю молекулярную массу газовой смеси:

M_у(см)=М_HCL∙Y_ср.+M_возд.∙Y_{ср.возд.}=36,5∙0,028+29∙0,972=28,485 кг/моль

6.Определяем расход газовой смеси:

7. Определяем свойства абсорбента (воды) пи температуре абсорбции.

- динамический коэффициент вязкости:

=

Па∙с,

где: и - динамические коэффициенты вязкости воды при температурах и соответственно , Па∙с [3]

- плотность

кг/м³ ,

где : и - динамические коэффициенты вязкости воды при температурах и соответственно , Па∙с [3]

8.Определяем предельную скорость газа в абсорбере из соотношения:

где : – плотность воды при температуре 20 ◦С, равная 998 кг/м³; - динамический коэффициент вязкости воды при температуре воды 20 С , равный 10^-3 Па∙с; А- коэффициент, равный для насадки колец и спирали 0,022; В- коэффициент , равный для колец Рашига 1,75. [2]:

Отсюда:

lg(0,054 ∙ w_пр² = -1,949 → 0,054 ∙ w_пр² = 0,011 → w_пр. = 0,435 м/с

9.Определяем рабочую скорость газа в абсорбере из соотношения [3]:

w_р= (0,75…0,9) ∙ w_пр.=0,9 ∙ 0,435 = 0,392 м/с

10.Определяем расход газовой смеси при рабочих условиях:

= 5,2∙ =3,495 м³/с

11. Определяем диаметр колонны абсорбера:

= = 3,37 м.

По справочным данным выбираем стандартный диаметр колонны, равный D_к=3,4 м. [2]

12.Определяем действительную скорость газа в абсорбере:

w_д= ∙ = 0,392 ∙ = 0,384 м/с

2.3. Определение средней движущей силы абсорбции.

1. Определяем парциальное давление хлористого водорода на входе в абсорбер:

P_HCL(н)=Y_н ∙ P_a= 0,0497 ∙ 165 =8,2 кПа

2. Определяем конечную мольную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:

X_к= = =0,022 кмоль\кмоль воды

3. Равновесное парциальное давление хлористого водорода в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера:

= E ∙ X_к= 0,022 ∙ 286,6 = 6,305 кПа

4. Определяем движущую силу в нижней части колонны:

= P_HCL(н)- P^*_HCL(н)= 8,2-6,305=1,895 кПа

6. Определяем парциальное давление хлористого водорода в газе, выходящем из абсорбера:

P_HCL(в)=Y_к ∙ P_a= 0,006 ∙ 165 = 0,99 кПа

7. Определяем конечную мольную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на входе в абсорбер:

X_н= = =0,00059 кмоль\кмоль воды

8. Определяем парциальное давление хлористого водорода в газе, равновесном с жидкостью, поступающей в абсорбер:

= E ∙ X_н= 0,00059 ∙ 286,6 = 0,17 кПа

9. Определяем движущую силу в верхней части колонны:

= P_HCL(в)- P^*_HCL(в)= 0,99-0,17 кПа

10. Определяем среднюю движущую силу абсорбции:

= = 1,284 кПа

2.4. Определение коэффициента массопередачи

1.Определяем коэффициент распределения насадки:

= =5,17

2. Определяем динамический коэффициент вязкости газовой смеси при температуре абсорбции.

- для хлористого водорода:

=

0,014 10^-3Па с

- для воздуха:

0,0185 10^-3Па с

где: и - динамические коэффициенты вязкости воды при температурах и соответственно, Па∙с [3]

-для смеси:

µ_см= = =0,018 ∙ 10^-3Па∙с,

3. Определяем критерий Рейнольдса в газовой фазе:

=1500

4.Определяем коэффициент диффузии хлористого водорода в воздухе при температуре и давлении абсорбции:

=9,09 м²/с,

где: - коэффициент диффузии хлористого водорода в воздухе при нормальных условиях , равный м²/с [3]

5.Определяем критерий Прандтля в газовой фазе:

= =1,022

6.Определяем критерий Нуссельта в газовой фазе:

=0,027∙1500^0,8∙1,022^0,33=9,45

7.Определяем среднее парциальное давление воздуха:

P_возд=Y_{ср.возд.} ∙ P_a= 0,972 ∙ 165 = 160,38 кПа

8.Определяем коэффициент массоотдачи со стороны газа по формуле:

= 1,378 ∙ 10^-6 кмоль/(м²∙с∙Па)

9.Определяем сечение колонны:

S_к= =0,785∙3,4²=9,07 м²

10. Определяем критерий Рейнольдса в жидкой фазе:

= =60,2

11. Определяем коэффициент диффузии хлористого водорода в воде при температуре абсорбции:

=2,3∙10^-9∙[1+0,02∙(25-20)]=2,53∙10^-9 м²/с,

где: - коэффициент диффузии хлористого водорода в воздухе при нормальных условиях , равный м²/с [3]

12. Определяем критерий Прандтля в жидкой фазе:

Pr_x= = =360,8

13. Определяем критерий Галилея в жидкой фазе:

Ga_x= = =1505,7∙10⁶ ,

где: d_н-наружный диаметр элемента выбранной насадки, равный 0,05 м.

14. Определяем критерий Нуссельта в жидкой фазе:

=0,00595∙60,2^0,67∙360,8^0,33∙(1505,7∙10⁶)^0,33=690,738

15. Определяем коэффициент массоотдачи со стороны жидкостной пленки:

= 64,72 ∙ 10^-6 кмоль/(м²∙с∙Па)

16. Определяем коэффициент массопередачи процесса абсорбции:

= =1,241 ∙ 10^-6 кмоль/(м²∙с∙Па)

2.5. Определение высоты абсорбера.

1.Определяем высоту насадки:

H_нас= = =6,396≈6,4 м

2.Определяем высоту секции насадки [2]:

Высота одной секции равняется 4-5 диаметрам колонны:

h_c=4,5 ∙ D_к=4,5 ∙ 3,4 = 15,3 м.

Так как высота секции насадки не должна превышать 3-4 м., то принимаем её равной 4 м.

3.Определяем число и общую высоту перераспределительных разрывов насадки:

- число перераспределительных разрывов:

n_p= = =0,6≈1,

Следовательно, насадка односекционная.

- высота перераспределительного разрыва:

H_p=n_p∙ h_p=1 ∙ 0,5=0,5 м,

Где h_p- высота перераспределительного разрыва, принимаем равной 0,5 м. [2]

4. Определяем общую высоту абсорбера:

H_к= H_нас + H_н.ч. + H_в.ч. + H_р = 6,4 + 2,5 + 1,4 + 0,5 = 10,8 м

2.6. Определение гидравлического определения абсорбера.

1.Определяем коэффициент сопротивления сухой насадки. Для упорядоченно насыпанных кольцевых насадок при Re_y> 40:

λ_сопр= = =3,7

2.Определяем скорость газа в свободном сечении насадки:

= =0,522 м/с

3.Определяем гидравлическое сопротивление сухой насадки:

ΔP_c= = =231,6 Па

4.Определяем плотность орошения насадки:

U= = =14,95∙10^-4 м³/(м²∙с)

5.Определяем гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

ΔP_op= ΔP_c∙ 10^b∙U= 231,6 ∙ 10^{173∙0,00149}=421,512 Па,

где b- коэффициент, равный для упорядоченной укладки колец Рашига 173 [2].

6.Определяем гидравлическое сопротивление абсорбера, принимая, что гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки и других вспомогательных устройств составляет 10% от сопротивления насадки:

ΔP_к=1,1 ∙ ΔP_op = 1,1 ∙ 421,512 = 463,6632 Па

2.7. Расчет и выбор газодувки.

1.Определяем диаметр газопровода:

=0,47 м,

где: - скорость газовой смеси в газопроводе , принимаем равной в пределах 5-20 м/с. Выбираем стальной газопровод наружным диаметром 0,53 м и толщиной стенки 7 мм [2]

Тогда внутренний диаметр газопровода:

d_r= d_r.нар.- 2 ∙ = 530- 2 ∙ 7 = 516 мм или 0,52 м.

2.Определяем фактическую скорость газовой смеси в газопроводе:

w_г.ф.= = =16,74 м/с

3.Определяем критерий Рейнольдса для газового потока в газопроводе:

=919444,4

Следовательно, режим движения газового потока является турбулентным.

4.Определяем относительную шероховатость стенок газопровода:

е_г= = =0,39 ∙ 10^-3 ,

где: - абсолютная шероховатость стенок , принимаемая 0,2 мм [2].

5.Определяем зону трения в газопроводе:

=25641,03 < = 919444,4 < =1435897,4

Следовательно, в газопроводе имеет место зона смешанного трения.

6.Определяем коэффициент трения в трубах:

λ_г=0,11∙ =0,11∙ = 0,016

7.Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [2]

-вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁=0,5;

-задвижка, равная для труб с диаметром d > 300 мм: ξ₂=0,15;

-внезапное расширение (входное отверстие абсорбера).

Определяем площадь сечения газопровода:

S_r= = =0,205 м²

Определяем соотношение площадей сечений газопровода и абсорбера:

ΔS= = =0,022

С учетом того, что Re ≥ 3500:

ξ= = =0,943,

где: - коэффициенты местных сопротивлений при соотношения площадей и соответственно.

Тогда:

= 0,5+0,15+0,943=1,593

8.Определяем гидравлическое сопротивление газопровода:

ΔP_г= = =516,741 Па,

где: - длина газопровода от точки забора воздуха до входа в абсорбер , принимаем равной 10 м.

9.Определяем общее давление, создаваемое газодувкой:

ΔP_газод.=P_a- P₀ + ΔP_к + ΔP_г= (165-101,3)∙10³ + 463,6632 + 516,741= =64680,4 Па

10.Определяем мощность, потребляемую газодувкой:

N_вент.= = =560,563 кВт,

где: - коэффициент полезного действия газодувки , принимаем равным 0,6 [2],

В соответствии со справочными данными выбираем газодувку марки ТВ-250-1,12 в количестве шести штук со следующими характеристиками в оптимальных условиях работы [2]: V=4,16, м³/с; ρgH=12000, Па; N= 100, кВт.

2.8. Расчет и выбор насоса.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода принимаем одинаковую скорость течения воды, равную w_т= 2 м/с.

1.Определяем диаметр трубопровода:

d_m= =0,0927 м

Выбираем трубу из нержавеющей стали с наружным диаметром d_т.нар.=95 мм и толщиной стенки _т=4 мм [2]

Тогда внутренний диаметр трубопровода:

d_т.= d_т.нар- 2 _т = 95 – 2 4 = 87 мм или 0,087 м.

2.Определяем фактическую скорость воды в трубопроводе:

W_т.ф.= = =1,106 м/с

3.Определяем критерий Рейнольдса для потока воды в трубопроводе:

=106442

Следовательно, режим течения жидкости является турбулентным.

4.Определяем относительную шероховатость стенок трубопровода:

е_г= = =2,2 ∙ 10^-3,

где: - абсолютная шероховатость стенок , принимаемая 0,2 мм [2].

5. Определяем зону трения в трубопроводе:

=4545,5 < = 106442 < =254545,5

Следовательно, в газопроводе имеет место зона смешанного трения.

6.Определяем коэффициент трения в трубах:

λ_т=0,11∙ = = 0,025

7. Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии [2]

- вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁=0,5;

- прямоточный вентиль при полном открытии:

ξ= = =0,45,

где: - коэффициенты местных сопротивлений при внутреннем диаметре и соответственно. Т.к. Re < 300000, то значение ξ необходимо умножить на коэффициент k:

k= = =0,911

Следовательно:

= ξ ∙ k = 0,45 ∙ 0,911 = 0,409;

Тогда:

= 0,5+0,409=0,909,

8. Определяем потерянный напор на всасывающей линии:

Δh_пот.вс.= = ∙ =0,128 м,

где: - длина трубопровода на линии всасывания, принимаем равной 4 м.

9. Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений для нагнетающей линии [2]:

-колено с углом 90⁰ (угольник): ξ₁=1,1;

-внезапное расширение (входное отверстие абсорбера).

Определяем площадь сечения газохода:

S_т= = =0,00596 м²≈0,006 м²

Определяем соотношение площадей сечений газопровода и абсорбера:

ΔS= = =0,00066

С учетом того, что Re ≥ 3500:

ξ= = =0,978,

где: - коэффициенты местных сопротивлений при соотношения площадей и соответственно.

Тогда:

= 4 ∙ 0,45+0,978= 2,778,

Где n- количество колен, принимаем равным 4.

10. Определяем длину трубопровода на нагнетательной линии:

l_нас= l + h_геом= 4 + 10 = 14 м.

где: l – длина горизонтальных участков нагнетательной линии, принимаем равной 4 м; h_геом- геометрическая высота подъема, принимаемая на 0,5 м больше насадочной части абсорбера и его нижней части, т.е.

0,5+6,5+2,5+0,5=10 м.

11. Определяем потерянный напор на нагнетательной линии:

Δh_{пот.наг.}= = ∙ =0,422 м,

12.Определяем общие потери напора:

Δh_т= Δh_пот.вс.+ Δh_{пот.наг}= 0,128 + 0,422 = 0,550 м.

13.Определяем напор, создаваемый насосом.

Пренебрегаем гидравлическими сопротивлениями абсорбера и теплообменников, установленных на нагнетательной линии.

Тогда:

h_нас.= + h_геом + Δh_т= + 10 + 0,550 =17,057м

14.Определяем мощность, потребляемую насосом:

N_нас.= = =3,774 кВт,

Где - коэффициент полезного действия газодувки , принимаем равным 0,6 [2],

В соответствии со справочными данными выбираем осевой циркуляционный насос марки ОХ6-87Г-2 в количестве двух штук с электродвигателем марки АО2-62-4 со следующими характеристиками в оптимальных условиях работы [2]: V=2,78 м³/с; H=3,5-4 мм.ст.жидкости; N=17 кВт и т.д.

Код для цитирования: Скопировать