Стр. пот. Нас. абсорб
..docПример 2. Скруббер для поглощения паров ацетона из воздуха орошается водой в количестве = 3000 кг/ч. Средняя температура в скруббере 20 °С. Через скруббер пропускается под атмосферным давлением смесь воздуха с парами ацетона, содержащая = 6% (об.) ацетона. Чистого воздуха в этой смеси содержится = 1400 м3/ч (считая на нормальные условия). В скруббере улавливается 98% ацетона. Уравнение линии равновесия (при температуре 200С):
или ,
где = 1,68; при этом х и у выражены в киломолях ацетона на 1 кмоль второго компонента, т. е. воды или воздуха.
Найти поперечное сечение и высоту скруббера, заполненного керамическими кольцами размером 25x25x3 мм. Скорость газа принять на 25% меньше скорости захлебывания.
Коэффициент массопередачи:
Ку = 1,125∙10-4 кмоль ацетона/ (м•с•(кмоль ацетона/ кмоль воздуха)).
Коэффициент смоченности насадки принять равным единице.
Перевод величин в систему СИ:
Поток воды (абсорбента) составляет кг/с.
Поток воздуха (в секунду) = м3/с (н. у.).
Концентрация ацетона в исходном газовом потоке = 0,06 .
Решение. Количество поглощаемого ацетона определим по формуле (11.4):
.
Поскольку равновесные концентрации выражены в , то по начальной концентрации необходимо найти .
Учитывая, что объемная концентрация численно равна мольной, т. е. = , то окончательная мольная концентрация ацетона в исходной смеси равна:
.
Конечная концентрация ацетона в воздухе составляет 2% (при степени улавливания 98%):
.
Мольный поток воздуха равен:
.
Поток поглощаемого ацетона равен:
.
Начальная концентрация ацетона в воде, подаваемой в скруббер, принята равной нулю. Тогда конечная концентрация ацетона в воде, вытекающей из скруббера равна:
,
где кмоль/с – мольный поток воды, Мв – молярная масса воды.
По найденным концентрациям во входных и выходных потоках построена (без масштаба) рабочая линия и условно показана равновесная зависимость (тоже прямая) (рис. 1):
Рис. 1. К расчету средней движущей силы процесса абсорбции. 1 – рабочая линия;
2 – равновесная линия.
Расчет размеров абсорбера при движении потоков в режиме ИВ.
При прямой линии равновесия (в рассматриваемом случае) средняя движущая сила процесса рассчитывается по формуле (10.26 у):
,
где ,
.
.
Требуемую поверхность массопередачи находим по уравнению:
.
Объем слоя керамических колец, необходимый для создания найденной поверхности массопередачи:
V = F/ Fуд = 1230/204 = 6,05 м3,
где Fуд = 204 м2/м3 – удельная поверхность насадки [(табл. XVII) ].
Сечение скруббера S определим из уравнения расхода:
,
где V – объемный расход газа в скруббере, м3/с.
Пренебрегая содержанием ацетона в воздухе и учитывая рабочую температуру
t = 200C, получаем:
м3/с.
Скорость захлебывания Wзахл определим для колец Рашига при абсорбции по уравнению [ ]:
,
где – свободный объем (порозность), м3/м3. Для колец Рашига мм
= 0,74. и – плотности газа и жидкости, кг/м3; – вязкость воды при t = 200C, Па∙с. и – массовые потоки жидкости и газа, кг/с.
Плотность воздуха при t = 200C: кг/м3.
Для воды при температуре t = 200C из справочника [ ]: =998 кг/м3, =1,005∙10-3 Па∙с.
Массовый поток жидкости =0,833 кг/с,
массовый поток воздуха == 0,389кг/с.
м/с.
По условию берем рабочую скорость газа на 25% меньше:
м/с.
Площадь поперечного сечения скруббера равна:
м2.
Требуемая высота насадки:
м2.
Верхний индекс «0» показывает, что высота рассчитана без учета продольного перемешивания.
Расчет высоты насадки с учетом продольного перемешивания в фазах.
Число единиц переноса для условий идеального вытеснения, т. е. без учета обратного продольного перемешивания, составляет:
n0y = (ун – ук)/ уср = (0,0639 – 0,001278)/0,00784 = 7,99.
Высота единиц переноса ВЕПу:
м2.
Число единиц переноса с учетом обратного перемешивания n0y'-, находим из уравнения:
,
в котором поправка на обратное перемешивание nобр равняется:
,
где А =; .
Значение критерия вычисляют по уравнению:
Здесь , ,
, – модифицированные критерии Пекле для газа и жидкости; wг, wж - скорости потоков газа и жидкости, м/с; Ег, Еж - соответствующие коэффициенты обратного перемешивания, м2/с; Н – рабочая длина аппарата – высота слоя насадки, м.
В нашем примере:
,
.
Поскольку имеем обратную задачу, примем предварительно n’0y = 9. Тогда
, .
Для определения истинных скоростей газа и жидкости (wг и wж) необходимо найти доли поперечного сечения абсорбера, занимаемые каждым потоком в отдельности. Долю объема насадки , занятую жидкостью, рассчитаем по уравнению, приведенному в [ ]:
,
в котором
кг/(с∙м);
м.
Подставляя эти значения, находим
.
Скорость течения жидкости в слое насадки:
м/с.
Скорость газа:
м/с.
Величины коэффициентов обратного перемешивания Еж и Ег находят по эмпирическим формулам. Для ориентировочного их определения в насадочном абсорбере воспользуемся критериальными уравнениями.
Для жидкой фазы:
Для газовой фазы:
В этих уравнениях:
; ,
где dH – номинальный размер элементов насадки, м.
В нашем случае:
;
.
Для жидкой фазы:
.
Примечание 1: в Ре – размер dн.
Коэффициент обратного перемешивания в жидкой фазе:
м2/с;
.
Примечание 2: – размер Н.
Для газовой фазы:
.
Коэффициент обратного перемешивания в газовой фазе:
м2/с;
.
Приведенный критерий Пекле:
,
.
Поправка на обратное перемешивание:
.
Число единиц переноса с учетом обратного перемешивания:
,
что близко к значению 9, принятому в начале расчета.
Поэтому полученное значение числа единиц переноса с учетом продольного перемешивания считаем окончательным.
Тогда высота насадки с учетом Пр. П. должна составлять:
м.
Относительное увеличение высоты слоя насадки в абсорбере за счет продольного перемешивания в фазах составляет: