Расчет насадочного абсорбера

Ангарск, 2001г.

      Целью расчёта является определение технологических и конструктивных параметров: расхода жидкости, необходимой для поглощения требуемого количества газа и размеров аппарата (диаметр и высота абсорбера). 
 

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ. 

      Рассчитать насадочный абсорбер для поглощения  углекислого газа СО₂ из воздуха водой. Расход газовой смеси V₀=3 м³/сек. Начальная концентрация СО₂ в газовой смеси у_н=12%, извлечение x=95%. Давление в колонне атмосферное Р=1,013*10⁵Па. Температура газовой смеси 20°С. поступающая на абсорбцию вода не содержит СО₂, т.е. х_н=0; Y=6,11 ат. Мольные массы: СО₂=44 кг/моль; Н₂О=18 кг/моль; воздух=29 кг/моль. 
 

СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА  И ОПРЕДЕЛЕНИЕ  РАСХОДА ВОДЫ. 

       Расход воздуха составляет (при нормальных условиях):

V=V₀*(1-y_н);

V=V₀*(1-0,12)=3*3600*(1-0,12)=9504м³/ч

или G=V₀*r₀ =9504*1,293=12289 кг/ч,

где  r₀ – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³ [3].

      Пересчитываем исходные концентрации  из мольных долей в относительные  массовые концентрации:

`У_н=    М_к*у_н    =    44*0,12    =0,2070 кг/кг

         М_н*(1-у_н)     29*(1-0,12)

где   М_к – мольная масса компонента (СО₂), кг/моль;

        М_н – мольная масса носителя (воздуха), кг/моль.

`У<sub>к</sub> = `Ун - x*`Ун =0,207 – 0,95*0,207 = 0,0104 кг/кг.

      Количество поглощённого СО₂ составляет:

m=G* (`Ун - `Ук) =12289*(0,207 – 0,0104)=2416 кг/ч.

      Уравнение линии равновесии имеет  вид:

`У<sup>*</sup>=  М<sub>к</sub> * Y *`Х   = 44   *     599391   * `X =8,98*`Х кг/кг.

         М_н           P            29          101300

где    Y =599391 Па (6,11 ат) [2].

      Минимальный расход поглотителя  (Н₂О) составляет:

L_min=М/(`Х^*_к – Х_н) = 2416/(0,0231 – 0)=104589 кг/ч,

где  `Х<sup>*</sup><sub>к</sub> = `У_н/k =0,207/8,98=0,0231 кг/кг – концентрация СО₂ в воде на выходе из абсорбера (равновесная с входящим газом).

      Действительный расход воды при  20 % запасе:

L=1,2*L_min=1,2*104589=125507 кг/ч.

      Конечная концентрация СО₂ в воде:

`Х<sub>к</sub>=М/L+`Х_н=2416/125507+0=0,0193 кг/кг. 
 

РАСЧЁТ  СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА. 

D`У<sub>низ</sub>=`У_н – `У*<sub>н</sub>=`У_н – k*`Х_к =0,207 – 8,98*0,0193=0,0337 кг/кг;

 D`У<sub>верх</sub>=`У_к – `У*<sub>к</sub>=`У_к – k*`Х_н =0,0104 – 8,98*0=0,0104 кг/кг;

D`У<sub>ср</sub>=      D`У_низ – D`У_верх       =      0,0337 – 0,0104      =0,0199    

             2,3lg(D`У<sub>низ</sub> /D`У_верх)      2,3lg(0,0337 /0,0104)    

кг/кг. 

   

РАСЧЁТ  СКОРОСТИ ГАЗА И ДИАМЕТРА АБСОРБЕРА. 

       В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига размером 25х25х3мм в навал. Удельная поверхность насадки:

f = 200м²/м³, свободный объём Е=0,74 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э=0,015м.

      Определяем предельную фиктивную скорость газа в точке захлёбывания (инверсии), пренебрегая небольшим содержанием СО₂ в жидкости и газе:

lg(w²_пр*f*r_y*µ_х^0,16.)= А – 1,75 *( L )^0,25 * ( r_y   )^0,125,

        g*Е³*r_х                                             G                        r_х

где  r_х, r_у – плотность жидкости и воздуха при рабочих           

                    условиях, кг/м³;

             µ_х – динамическая вязкость жидкости при рабочих условиях, мПа*с.

      Коэффициент А=0,22 для насадки из колец, для хордовой насадки А=0.

r_у=r₀*T₀*P/Т*Р₀=1,293*273/293=1,204 кг/м³;

lg(w²_пр*200*1,204*0,8007^0,16.)=

                 9,81*0,74³*998

=0,22–1,75*(125507)^0,25*(1,204)^0,125;

                              12289             998

lg(w²_пр*0,059)= – 1,13; откуда: w²_пр*0,059=10^-1,13,

w_пр=1,12 м/с.

      Принимаем рабочую скорость газа w_у на 25 % меньше:

w_у =0,75*w_пр =0,75*1,12=0,84 м/с.

      Диаметр абсорбера находим из  уравнения расхода:

d= Ö               G                =Ö            12289       =2,07 м.

         3600*0,785*w_у*r_у          3600*0,785*0,84*1,204

      Выбираем [1] стандартный диаметр  обечайки абсорбера d_ст=2,6м.

      Делаем пересчёт рабочей скорости  газа:

 w'_у=0,84( 2,07 )²=0,53 м/с.

                   2,6 
 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ОРОШЕНИЯ. 

      Плотность орошения рассчитывается  по формуле:

V=L/S*r_х = 125507/(998*0,785*2,6²)=23,69 м³/м²*ч,

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м².

      Оптимальная плотность орошения:

V_опт=в*f=0,158*200=31,6 м3/м2*ч,

где в=0,158 – постоянный коэффициент для абсорбции.

Отношению V/V_опт=23,69/31,6=0,8 соответствует коэффициент смоченности насадки   Y_н=1,0.

      Максимальное смачивание насадки  достигается при некоторой оптимальной  плотности орошения V_опт , при которойY_н становится равным единице. При дальнейшем увеличении плотности орошенияY_н не изменится. Если плотность орошения значительно больше оптимальной, то сопротивление колонны может возрасти. Для сниженияV следует выбрать насадку другого типа. Если плотность орошения мала по сравнению с оптимальной, то насадка будет недостаточно смочена. Исходя из вышесказанного, примем, что отношение V/V_опт изменяется от 0,8 до 3. В нашем случае V/V_опт=0,8. 
 

РАСЧЁТ  КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕДАЧИ. 

      Для с неупорядоченной насадкой, к которой относятся и кольца  Рашига, коэффициент массоотдачи  в газовой фазе b_у находим из уравнения:

Nu'_у=0,407*Re_у^0,655*Рr_у^0,33

где Nu'_у=b_у*d_э/D_у – диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

      Отсюда:

b_у =0,407* D_у / d_э *Re_у^0,655*Рr'_у^0,33,

где D_у – коэффициент диффузии СО₂ в газовой фазе, м²/с;

       Re_у – критерий Рейнольдса для газовой фазы;

      Рr'_у – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.