Курсовая работа по теме Расчёт насадочного абсорбера

Название	Курсовая работа по теме Расчёт насадочного абсорбера
Дата	11.05.2022
Размер	0.96 Mb.
Формат файла
Имя файла	Absorber_78_CO2-pirrolidon-metan_Kabanov_2.doc
Тип	Курсовая #523739

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Курсовая работа

по теме

«Расчёт насадочного абсорбера»

Выполнила:
Проверил:

Дата выдачи задания: «___» ___________ 20__ г.
Дата сдачи работы: «___» ___________ 20__ г.

Работа защищена с оценкой: _____ баллов.

Москва
2022

Обозначения

Расходы:

– молярный, кмоль/с,

– массовый, кг/с,

– объёмный, м³/с,

– молярный поток абсорбтива между фазами, кмоль/с,

– массовый поток абсорбтива между фазами, кг/с.
Составы:

x, y – абсолютные молярные доли в жидкой и газовой фазах,

– абсолютные массовые доли в жидкой и газовой фазах,

X, Y – относительные молярные доли в жидкой и газовой фазах,

– относительные массовые доли в жидкой и газовой фазах.
Коэффициенты:

m – мольная константа фазового равновесия,

E – коэффициент Генри, мм рт. ст.,

φ – степень поглощения абсорбтива,

m – коэффициент избытка орошения,

ψ – коэффициент смачиваемости насадки.
Индексы:

G – чистый абсорбат (в данном случае метан),

L – чистый абсорбент (в данном случае N-метилпирролидон-2),

x – жидкая фаза, содержащая абсорбтив,

y – газовая фаза, содержащая абсорбтив,

A – абсорбтив (в данном случае углекислый газ),

н, к – начальные и конечные составы или расходы, соответственно.

Исходные данные

Абсорбтив (извлекаемое вещество A) – углекислый газ.

Абсорбент (поглотитель L) – N-метилпирролидон-2.

Абсорбат (инерт G) – метан.

Условия в абсорбере: давление p₁ = 7 МПа, температура t₁ = 40°C.

Условия в десорбере: давление p₂ = 0,1 МПа, температура t₂ = 100°C.

Расходы и составы:

содержание абсорбтива в исходной газовой смеси y_н = 20% об. =

= 0,2

,

объёмный расход исходной газовой смеси (приведённый к нормальным условиям)

,

степень поглощения φ = 0,9,

коэффициент избытка поглотителя r = 1,3.

Характеристики насадки:

тип контактных элементов – неупорядоченные керамические кольца Рашига,

размеры контактных элементов N = 25×25×3 мм,

коэффициент смачиваемости насадки ψ рассчитать,

отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлёбывания насадки n = 85%.

Физические свойства

Абсорбтив

Молекулярная масса углекислого газа

Мольный объём углекислого газа (для расчёта коэффициента диффузии)

Вязкость углекислого газа при н. у.

Константа Сазерленда углекислого газа

Абсорбент

Молярная масса N-метилпирролидона-2

Мольный объём N-метилпирролидона-2 (для расчёта коэффициента диффузии)

Плотность

Плотность N-метилпирролидона-2 при t₁ = 40°С:

Плотность N-метилпирролидона-2 при t₂ = 100°С:

Вязкость

Вязкость N-метилпирролидона-2 при t₁ = 40°С:

Абсорбат

Молекулярная масса метана

Мольный объём метана (для расчёта коэффициента диффузии)

Вязкость метана при н. у.

Константа Сазерленда метана

Построение равновесной линии

Табл. 1. Расчёт точек равновесной линии по данным о растворимости углекислого газа в N-метилпирролидоне-2 для условий в абсорбере (t₁ = 40°C, p₁ = 7 МПа)

Давление углекислого газа над раствором	Растворимость углекислого газа в N-метилпирролидоне-2	Относительные мольные доли
, МПа	α,	в жидкой фазе	в газовой фазе
, МПа	α,	X,	Y,
0,1013	2,7	0,01203	0,01468
0,2027	5,5	0,0245	0,02982
0,4053	11,6	0,05168	0,06146
0,6080	17,8	0,0793	0,09512

Рассчитываем точки равновесной линии для абсорбера (t₁ = 40 °C, p₁ = 7 МПа).

Точка 1:

.

Точка 2:

.

Точка 3:

.

Точка 4:

Рис. 1. Равновесная линия в условиях абсорбции

Уравнение линии равновесия аппроксимируем линейной функцией по методу наименьших квадратов с помощью средств программы MS Excel

, тогда получим:

Константу фазового равновесия примем равной

Материальный баланс процесса абсорбции

Газовая фаза

Молярный расход газовой фазы на входе в абсорбер:

,

где

– молярный объём при нормальных условиях.

Количество абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе в абсорбер:

.

Количество абсорбата (метана), проходящего через абсорбер:

.

Межфазный поток абсорбтива – количество абсорбтива (углекислого газа), переходящее из газовой фазы в жидкую:

.

Массовый расход газовой фазы на входе в абсорбер:

.

Расход газовой фазы на выходе из абсорбера:

.

Относительная мольная доля абсорбтива (углекислого газа) в газовой фазе на входе и выходе абсорбера:

Жидкая фаза

Состав жидкой фазы на входе в абсорбер соответствует составу жидкой фазы на выходе из десорбера, который находят из равновесной растворимости абсорбтива в поглотителе в условиях десорбции (t₂ = 100°C, p₂ = 0,1 МПа):

.

Для нахождения минимального расхода абсорбента (поглотителя) необходим равновесный состав жидкой фазы на выходе из абсорбера, который находим по равновесной линии (см. рис. 1):

.

Минимальный расход поглотителя (N-метилпирролидона-2):

.

Расход поглотителя (N-метилпирролидона-2):

.

Состав жидкой фазы на выходе из абсорбера:

.

Расход жидкой фазы на входе в абсорбер:

.

Расход жидкой фазы на выходе из абсорбера:

.

Результаты расчёта заносим на схему потоков в абсорбере (рис. 2).

Газовая фаза на выходе из абсорбера:

.

Жидкая фаза на входе в абсорбер:

.

Газовая фаза на входе в абсорбер:

.

Жидкая фаза на выходе из абсорбера:

.

Межфазный поток:

.
Поток абсорбата:

.

Поток абсорбента:

.

Рис. 2. Схема потоков в абсорбере

Построение рабочей линии

Рабочая линия процесса абсорбции в относительных долях представляет собой прямую линию, уравнение которой может быть получено из уравнения материального баланса процесса абсорбции:

,

Заменяем

на переменный аргумент

на функцию от аргумента

,

таким образом, уравнение рабочей линии имеет вид:

, где коэффициент (тангенс угла) наклона рабочей линии

, а отрезок, отсекаемый рабочей линией на вертикальной оси

.

Определим численные значения коэффициентов рабочей линии:

(данная величина называется удельным расходом поглотителя l и может быть найдена из материального баланса

);

.

Для построения рабочей линии на графике воспользуемся двумя известными точками:

точка для верха колонны

;

точка для низа колонны

Рис. 3. Рабочая и равновесная линии процесса абсорбции

Расчёт движущей силы процесса абсорбции

В случае если равновесная линия близка к прямой, движущая сила процесса абсорбции может быть найдена как среднее логарифмическое значение разностей рабочей и равновесной концентрации для нижнего и верхнего сечения абсорбера.

По линии равновесия находим значения равновесного содержания абсорбтива для нижнего и верхнего сечения абсорбера:

низ

,

верх

.

Движущая сила в нижнем сечении абсорбера:

.

Движущая сила в верхнем сечении абсорбера:

.

Средняя логарифмическая движущая сила процесса абсорбции:

Расчёт диаметра абсорбера

Характеристики насадки:

насадка неупорядоченная из керамических колец Рашига 25×25×3 мм,

удельная поверхность

,

свободный объём (порозность)

,

эквивалентный диаметр

.

Диаметр абсорбера должен обеспечивать стабильную работу абсорбера в плёночном режиме, для этого скорость газовой фазы в абсорбере должна быть меньше предельной скорости (скорости захлёбывания). Если пренебречь гидравлическим сопротивлением насадки, изменением объёмного расхода жидкой фазы и изменением температуры за счёт теплового эффекта смешения, то наибольший объёмный расход газовой фазы будет наблюдаться в нижнем сечении абсорбера. Соответственно, предельную скорость следует находить именно для этого сечения.

Скорость захлёбывания (предельная скорость) определяется решением уравнения:

.

Для неупорядоченной насадки (кольца Рашига внавал)

[4, с. 292, ф-ла 6.36].

Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность и вязкость жидкой фазы принимаем равными плотности и вязкости абсорбента:

.

Молярная масса и плотность газовой фазы в нижнем сечении:

Расчёт предельной скорости:

;

.

По условию отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости
захлёбывания насадки n = 85%, следовательно, скорость газа в абсорбере:

.

Объёмный расход газовой фазы на входе при рабочих условиях:

.

Ориентировочная площадь сечения абсорбера:

.

Ориентировочный диаметр абсорбера:

.

Выберем ближайший больший стандартный диаметр колонны:

Расчёт коэффициента массоотдачи в газовой фазе

Абсолютная мольная доля абсорбтива в газовой фазе в верхнем сечении:

.

Молярная масса и плотность газовой фазы в верхнем сечении:

Средняя плотность газовой фазы:

.

Вязкость абсорбтива при нормальных условиях и константа Саттерленда:

Вязкость абсорбата при нормальных условиях и константа Саттерленда:

Вязкость абсорбтива при условиях абсорбции:

.

Вязкость абсорбата при условиях абсорбции:

.

Вязкость газовой фазы в нижнем сечении:

.

Вязкость газовой фазы в верхнем сечении:

.

Средняя вязкость газовой фазы:

.

Площадь сечения колонны:

.

Скорость газовой фазы в нижнем сечении колонны:

.

Молярный объём в условиях абсорбции:

.

Объёмный расход газовой фазы на выходе при рабочих условиях:

.

Скорость газовой фазы в верхнем сечении колонны:

.

Средняя скорость газовой фазы:

.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы:

.

Коэффициент диффузии в газовой фазе [2, с. 288, ф-ла 6.20]:

.

Критерий Шмидта для газовой фазы:

.

Критерий Шервуда для газовой фазы при неупорядоченной насадке:

.

Объёмный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

.

Мольный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

Расчёт коэффициента массоотдачи в жидкой фазе

Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность орошения (являющуюся фиктивной скоростью жидкой фазы) рассчитываем по чистому абсорбенту:

.

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки жидкости:

.

Коэффициент диффузии в жидкой фазе при 20°С [4, с. 289, ф-ла 6.22]:

Температурный коэффициент:

.

Коэффициент диффузии в жидкой фазе [4, с. 289, ф-ла 6.23]:

.

Критерий Шмидта для жидкой фазы:

.

Критерий Шервуда для жидкой фазы:

.

Приведённая толщина стекающей по насадке плёнки жидкости:

.

Объёмный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

.

Молярный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

Расчёт высоты колонны

Коэффициент массопередачи по газовой фазе:

.

Необходимая поверхность контакта фаз:

.

Коэффициент смачиваемости насадки [5, c. 370]:

.

Массовая скорость жидкости:

.

Номинальный размер насадки:

.

Поверхностное натяжение поглотителя:

.

Высота насадки:

.

Высота слоя насадки в одной секции составляет 3 м [4, с. 436].

Число секций насадки (с округлением в большую сторону):

(округляем до целого числа сегментов).

Высота сепарационного пространства над насадкой [4, с. 235]:

.

Расстояние между днищем колонны и насадкой [4, с. 235]:

.

Высота перераспределительной тарелки [4, с. 220]:

.

Высота колонны:

Заключение

Выполнен расчёт насадочного абсорбера для очистки

метана от содержащегося в нём углекислого газа с помощью
N-метилпирролидона-2. Определён расход абсорбента, который при заданных условиях проведения процесса составит

. Рассчитаны габаритные размеры абсорбера: диаметр 2,6 м, высота 10,8 м.

Список литературы

Бобылёв В. Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие. РХТУ им. Д. И. Менделеева. М., 2003.
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л. Химия. 1987.
ГОСТ 30319.1-96
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю. И. Дытнерского. М. Химия. 1991.
Рамм В. А. Абсорбция газов. М. Химия. 1976.
Справочник азотчика. Том 1. М. Химия. 1967.
Справочник азотчика. Том 1. М. Химия. 1986.

Приложение

Значения коэффициентов A и B для уравнения расчёта предельной скорости газовой фазы в насадке [4, с. 197]

Ряды диаметров колонн [4, с. 197]

Высота сепарационного пространства над насадкой (меду насадкой и крышкой колонны) и под насадкой (между днищем колонны и насадкой) [4, с. 235]

Технические характеристики перераспределительных тарелок [4, с. 220]