522103

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

(СПбГТИ(ТУ))

Кафедра процессов и аппаратов

О.П. Банных, А.И. Волжинский

НЕИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ АБСОРБЦИЯ

Методические указания к курсовому проектированию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

1

УДК 66.023

Банных О.П. Неизотермическая абсорбция [Текст]: методические указания/ О.П. Банных, А.И. Волжинский. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013.- 57с.

Рассмотрены вопросы расчета материальных и тепловых потоков для процесса неизотермической абсорбции в насадочных колоннах. Представлены типовые способы проведения процесса: адиабатическая абсорбция, абсорбция с рециркуляцией жидкости, с промежуточным отводом теплоты при многосекционной абсорбции. Приведена методика гидравлического и кинетического расчетов колонн. Дан пример численного расчета неизотермической абсорбции в насадочной колонне.

Методические указания предназначены для студентов третьего курса, выполняющих курсовой проект, и соответствуют рабочим программам учебной дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» для подготовки бакалавров по направлениям: 240100 и 240700 и специа-

листов по специальностям: 220701, 240307, 240401, 240403, 240501, 240502, 240601, 240603, 240701, 240702, 240704, 240706, 240801, 240803, а

также рабочей программе учебной дисциплины «Массообменные процессы химической технологии (системы со свободной границей раздела фаз)» для подготовки бакалавров по направлению 241000 (профиль «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика»). Методические указания направлены на формирование следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО: общекультурных ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-12; профессиональных ПК-5, ПК-9, ПК-11.

Табл.21, рис. 8, библиогр. 9 назв.

Рецензент: Н.А. Марцулевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретических основ химического машиностроения СПб ГТИ

Утверждены на заседании учебно-методической комиссии механического факультета 4.10. 2013.

Рекомендованы к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)

2

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое пособие предназначено для углублённого изучения методики расчета процесса абсорбции и рекомендуется использовать при курсовом проектировании по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии».

Абсорбция со значительным выделением теплоты (неизотермическая абсорбция) может проводиться следующими способами:

1.Без отвода теплоты, то есть как адиабатическая абсорбция. Однако при больших значениях дифференциальной теплоты растворения линия равновесия при адиабатической абсорбции быстро поднимается вверх с увеличением содержания поглощаемого компонента в жидкости. Поэтому при необходимости достигнуть более высоких концентраций компонента в поглотителе приходится прибегать к абсорбции с отводом теплоты. Адиабатическая абсорбция проводится в насадочных и тарельчатых колоннах. Схема абсорбционно - десорбционной установки приведена на рисунке 1.

2.С рециркуляцией жидкости. При этом осуществляют рециркуляцию жидкости через выносные холодильники. Этот способ применяется для насадочных колонн.

3.С промежуточным отводом теплоты при многосекционной абсорбции. Аппарат состоит из нескольких секций, соединенных последовательно по жидкости и газу, при движении фаз, как правило, в противотоке. При этом секции работают при адиабатических условиях, а выделяемая теплота в процессе абсорбции отводится при помощи холодильников, установленных между секциями. Этот способ применяют для насадочных колонн.

4.С внутренним отводом теплоты в аппаратах со ступенчатым контактом фаз посредством охлаждающих элементов, установленных внутри ступени. Этот способ применяют для тарельчатых колонн.

3

пар

6

1 - насадочная абсорбционная колонна; 2,5 - холодильники регенерированного поглотителя; 3 - десорбер - ректификационная колонна; 4 - холодильник исходной газовой смеси; 6 – паровой подогреватель поглотителя перед ректификацией; 7 – дефлегматор-конденсатор.

Рисунок 1 - Схема абсорбционно - десорбционной установки

4

1 ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Для проектного расчета адиабатического абсорбера, как правило, задаются следующие данные:

объемный расход газовой смеси ( при рабочих или нормальных условиях ) для очистки или улавливания компонента. Вместо объемного может быть задан массовый или мольный расход газовой смеси;

содержание поглощаемого компонента в исходной смеси; степень извлечения или содержание поглощаемого компонента в

газовой смеси на выходе из абсорбера; содержание компонента в инертном поглотителе на входе в абсор-

бер ( при этом часто абсорбент подается чистым, то есть не содержит поглощаемого компонента);

давление процесса абсорбции; температуры газовой смеси и поглотителя на входе в абсорбер.

В процессе проектирования задается ( или выбирается) коэффициент избытка поглотителя ( в пределах 1.2 - 2.5 ).

Проектирование абсорбционной установки обычно включает в расчет теплообменников для охлаждения газа и жидкости до температуры абсорбции и другого вспомогательного оборудования. Для этого должна быть задана температура газовой смеси и жидкости поглотителя на входе в теплообменник.

Для проектирования абсорбера с рециркуляцией части жидкости

через выносные холодильники задаются те же исходные данные, что и в первом случае, и дается ( или выбирается ) коэффициент рециркуляции (до

0.4 ).

При расчете выносного холодильника температура жидкости на выходе из него, как правило, принимается равной температуре исходного поглотителя, подаваемого в абсорбер.

Для проектного расчета абсорбера с промежуточным отводом теплоты используются те же исходные данные, что и в первом случае, кроме этого, задается ( или выбирается) число секций, концентрация компонента в газовой смеси на выходе из каждой промежуточной секции.

При расчете выносных холодильников температура жидкости на выходе из них, как правило, принимается равной температуре исходного поглотителя, подаваемого в абсорбер.

Для проектного расчета абсорбера с внутренним съемом теплоты,

кроме выше упомянутых исходных данных, нужно иметь достаточно большой объем информации о массо- и теплообмене.

5

2 МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АДИАБАТИЧЕСКОЙ АБСОРБЦИИ

При расчете абсорбции без отвода теплоты можно использовать два приближенных метода расчета: первый - предполагает, что вся выделяемая теплота расходуется на нагревание жидкости, второй - на нагревание жидкости расходуется только доля теплоты ξ от общего количества.

Оба метода применяются при следующих допущениях.

Температуры жидкости и газа на входе в абсорбер для противоточной схемы незначительно отличаются между собой ( для инженерных расчетов незначительную разность между температурами газа tн и жидкости

н на входе в абсорбер принимают в пределах 10 - 15 К ).

Абсорбция осуществляется нелетучим поглотителем и его расход можно считать постоянным.

Газ-носитель не растворяется в поглотителе и его расход можно считать постоянным.

Выделяемая в процессе абсорбции теплота ( или ее часть ) расходуется на нагревание жидкости.

Последовательность расчета материального и теплового балансов адиабатической абсорбции следующая.

А. При использовании первого метода предполагается , что вся выделяемая теплота идет на нагревание жидкости.

2.1 ПОСТРОЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ЛИНИИ

Равновесную линию, ОС на рисунке 2, строят на диаграмме Y - X по изменяющейся температуре жидкости, которая определяется для произвольного сечения колонны М-М ( рисунок 2 ) при постоянной удельной

где i - температура жидкости в произвольном сечении М-М , С;

н - начальная температура жидкости, С;

Фi - дифференциальная теплота растворения, соответствующая

концентрации поглощаемого компонента в жидкости в сечении М-М, Дж/кмоль вещества;

Xi - концентрация поглощаемого компонента в жидкости для произвольного сечения колонны М-М, относительные мольные концентрации;

6

X н - начальная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента в жидкости;

cx - теплоемкость жидкости-поглотителя Дж/(кмоль К).

При абсорбции газов или паров , критическая температура которых

где Фxi - дифференциальная теплота смешения поглощаемого

компонента и жидкости - поглотителя, Дж/кмоль;

r - удельная теплота парообразования поглощаемого компонента, Дж/кмоль .

Значения Фxi и r приведены в Приложении.

Для построения равновесной линии можно использовать относительные массовые концентрации - Y,X , массовые и мольные доли -

y,x и y,x и другие способы выражения состава фаз двухкомпонентных си-

стем. Формулы для пересчета единиц концентраций даны в Приложении. Равновесие в системе газ жидкость описывается следующими уравнениями:

p*=m pxx ,

Y*=mYX X ,

Y*=mY X X ,

где р* - парциальное давление газа, мм рт. ст. (Па);

y* - равновесная мольная доля поглощаемого компонента в газе;

Y*,Y* - равновесная относительная мольная и массовая концентра-

ция;

m - константа фазового равновесия или коэффициент распределе-

ния.

В зависимости от принятых единиц измерения концентраций константа m выражается различными значениями. Для обозначения единиц концентрации m записывают с двумя индексами, первый из которых относится к единицам концентрации газовой фазы, второй - к единицам концентрации жидкой фазы.

При низкой концентрации газа в жидкости, в том числе для трудно растворимых газов, применим закон Генри:

p*=Ex , (4)

где Е - коэффициент Генри, зависящий от температуры и от свойств газа и жидкости, мм рт. ст. ( Па );

7

где п - общее давление, мм рт. ст. ( Па ).

При абсорбции паров веществ, образующих в жидкой фазе идеальный раствор, равновесие описывается законом Рауля:

где Р - давление насыщенного пара поглощаемого компонента при изменяющейся температуре абсорбции i , Па.

При абсорбции паров веществ, образующих в жидкой фазе неидеальный раствор, равновесие описывается уравнением:

где γ - коэффициент активности поглощаемого компонента в жидкой фазе.

Значения р* и γ приведены в Приложении.

2.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЕЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОГЛОЩАЕМОГО КОМПОНЕНТА В ГАЗЕ

Если неизвестна конечная концентрация поглощаемого компонента в газе, то ее определяют исходя из заданной начальной концентрации и степени поглощения ( извлечения) :

где cп - степень поглощения;

Yн - начальная концентрация поглощаемого компонента в газовой

смеси, относительная мольная концентрация ;

Yк - конечная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси.

2.3 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ПОГЛОЩАЕМОГО КОМПОНЕНТА

Определяют количество поглощаемого компонента в единицу времени М, кмоль/с:

8

2.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИ МИНИМАЛЬНОГО РАСХОДА ПОГЛОТИТЕЛЯ Lмин

Используя равновесную линию ОС (рисунок 2), по значению начальной концентрации поглощаемого компонента в исходной смеси находят равновесную с ней концентрацию поглощаемого компонента в

жидкости Xк

ход поглотителя Lмин , кмоль/с, по уравнению:

компонента в жидкости, равновесная с начальной концентрацией поглощаемого компонента в исходной смеси.

2.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ПОГЛОТИТЕЛЯ L

Задаются коэффициентом избытка поглотителя φ ( в пределах 1.3-

где X к - конечная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента в жидкости.

где Y, X - текущие относительная мольная концентрации поглощаемого компонента, соответственно в газе и жидкости.

l GL - тангенс угла наклона рабочей линии или удельный расход жидкой фазы, кмоль/кмоль .

9

Если равновесная линия задана в виде p*=mpxx , то необходимо по

закону Дальтона выразить парциальное давление газа через мольную долю ( p*=yп ), с последующим пересчетом в относительные массовые (моль-

ные) концентрации.

2.7 РАСЧЕТ КОНЕЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОСТИ

Определяют конечную температуру жидкости на выходе из абсорбера к , С :

где Ф - среднее значение дифференциальной теплоты растворения, кДж/кмоль.

2.8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

Рассчитывают количество выделившейся при абсорбции теплоты

количества выделяемой теплоты в течение процесса, а доля 1 ξ затрачивается на нагревание газовой смеси. Приближенное значение ξ можно найти по соотношению:

ξ Lcx к н . (16)

GФ Yн Yк

Последовательность расчета материального и теплового балансов та же, что изложена выше. В уравнении (1) величину Фi заменяют на

ξФi . Данный метод рекомендуется применять в тех случаях, когда темпе-

ратура газовой смеси на входе в абсорбер либо равна температуре жидкости, либо незначительно выше ее.

При высоких температурах газовой смеси на входе в абсорбер может оказаться, что по всей высоте (или для большей части) колонны температура газовой смеси будет выше ( разница более 15 К) температуры стекающей жидкости. В этом случае описанные методы расчета не годятся и необходимо искать численное решение дифференциальных уравнений, описывающих процесс массо- и теплообмена между фазами [1,2].

10