Расчёт тарельчатого абсорбера 2 (стр. 2 из 3)

Рисунок 3.2 - X – Y диаграмма при давлении р = 0.25 МПа

3.3 Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

Для начала необходимо выбрать тип тарелки. Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. Выберем колпачковый тип тарелки, а именно тарелки колпачковые однопоточные стальные разборные типа ТСК-Р, так как они могут работать при большой нагрузке по жидкости, у них большая область устойчивой работы, большая эффективность, они обладают лёгкостью пуска и установки.

Для колпачковых тарелок предельно допустимую скорость рекомендуется рассчитывать по формуле:

(3.13)

где ρ_x и ρ_y –плотности жидкой и газообразной фазы соответственно, ρ_x = 998 кг/м³ [3];

d_k-диаметр колпачка ,м;

h_k-расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки , м.

Плотность газообразной фазы найдем по формуле [3]:

, (3.14)

где М_см – молярная масса парогазовой смеси, кг/кмоль;

Т₀, р₀ – соответственно температура и давление при нормальных условиях (Т₀ = 273К, р₀ = 1,013∙10⁵ Па);

t – температура абсорбции равная 26 °С по заданию;

р – давление в абсорбере равное 0,25 МПа.

Молярная масса парогазовой смеси рассчитывается по формуле [3]:

, (3.15)

где М_ац – молярная масса ацетона равная 58 кг/кмоль;

М_вз – молярная масса воздуха равная 29 кг/кмоль;

у_н‑ исходная концентрация ацетона в газовой смеси,

Получаем,

М_см = 58∙0,04 + 29∙(1-0,04) = 30,16 кг/кмоль,

кг/м³.

Диаметр колпачка d_k и расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки h_k выберем согласно [6] таблица 24.2: d_k = 0,1 м, h_k = 0.3м.

Тогда предельно допустимая скорость будет равна:

Рабочая скорость будет равна [1]

, м/с

Диаметр абсорбера находим из уравнения расхода [1]:

, (3.16)

где V – объёмный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с. Отсюда

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d_ст=2,4 м. При этом действительная рабочая скорость газа в абсорбере [1]

, м/с.

3.4 Высота светлого слоя жидкости

Высоту светлого слоя жидкости на тарелке h₀ находим из соотношения[1]:

, (3.17)

где h_пер – высота переливной перегородки, согласно [6] h_пер = 0,05 м;

q – линейная плотность орошения, м³/(м∙с).

Рассчитаем линейную плотность орошения q [1]:

q = Q/L_c, (3.18)

где Q – объёмный расход жидкости м³/с;

L_с – периметр слива, L_с = 1,775 м [6].

Объемный расход жидкости равен:

, (3.19)

где L – молярный расход чистого поглотителя, кмоль/с;

ρ_х – плотность чистого поглотителя при температуре абсорбции, кг/м³;

М_в – молярная масса воды равная 18 кг/кмоль.

, м³/с

,м³/(м∙с)

Подставив получим:

3.5 Расчёт коэффициентов массоотдачи

Коэффициент массопередачи определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений[1] :

, (3.20)

где β_х и β_у – коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и газовой фаз, кг/(м²·с);

m – коэффициент распределения,

m = 0,1006 кмоль воды/кмоль воздуха.

Для жидкой фазы коэффициент массоотдачи [1]:

, (3.21)

где D_x – коэффициент молекулярной диффузии распределяемого компонента в жидкости, м²/с;

ε – газосодержание барботажного слоя,м³/м³;

U – плотность орошения;

μ_х – вязкость воды, равная 1 мПа∙с по [3] рисунок V;

μ_у - вязкость воздуха, равная 0,018 мПа∙с по [3] рисунок VI;

h₀ – высота светлого слоя жидкости, м.

Плотность орошения равна [1]:

где L – молярный расход поглотителя, кмоль/с;

М_В – молярная масса воды, кг/кмоль;

ρ_x – плотность воды, при температуре абсорбции, кг/м³.

Согласно [1] рассчитаем D_х

, (3.22)

где D_x20 – коэффициент диффузии в жидкости при t = 20°C, м²/с;

b – температурный коэффициент;

t – температура абсорбции.

Коэффициент диффузии в жидкости при 20°С можно вычислить по приближенной формуле [1]:

, (3.23)

где А, В – коэффициенты ассоциации, учитывающие отклонения от нормы в поведении растворенного вещества и растворителя. Согласно [4] c.660 А= 1, для воды В = 4,7;

υ_ац и υ_в – мольные объемы ацетона и воды соответственно при нормальной температуре кипения, (υ_в = 18,9 см³/моль, υ_ац=74 см³/моль, [3]);

μ_X – вязкость жидкости при 20 °С, равная 1 мПа∙с.

.

Температурный коэффициент b определяем по формуле [1]:

, (3.24)

где μ_x и ρ_x принимаем при температуре 20 °С [3]

.

При температуре абсорбции 26 °С коэффициент диффузии D_X будет равен:

.

Газосодержание барботажного слоя определяем из соотношения [1]

, (3.25)

где Fr – критерий Фруда.

Критерий Фруда рассчитывается по формуле [1]:

, (3.26)

где w_Т – скорость газа в рабочем сечении тарелки, м/с;

h₀ – высота газожидкостного слоя, м;

g = 9.81 м²/с.

Скорость газа в рабочем сечении тарелки найдем по [1]

, (3.27)

где V – объемный расход газовой смеси при условиях абсорбции, м³/с;

F – рабочее сечение тарелки, м². В соответствии с [6] таблица 5.2 для колпачковых тарелок типа ТСК-Р с диаметром колонны 2,4 м F = 3,48 м².

м/с

.

Тогда газосодержание барботажного слоя:

.

Подставим все полученные значения в формулу (3.21)

Для газовой фазы коэффициент массоотдачи [1]:

, (3.28)

где F_с – свободное сечение тарелки, равное 12,3% или 0,123 по [1] Приложение 5.2;

D_y – коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/с;

w_т – скорость газа в рабочем сечении тарелки, м/с.

Коэффициент диффузии ацетона в воздухе при атмосферном давлении и температуре t = 0°С по [8] D_0У = 1,09∙10^-5 м²/с. Пересчитаем это значение на условия абсорбции по формуле [3]:

, (3.29)

где Т₀, р₀ – соответственно температура и давление при нормальных условиях (Т₀ = 273К, р₀ = 1,013∙10⁵ Па);

Т – температура абсорбции, К;