книги из ГПНТБ / Болдырев Ю.Н. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов целлюлозно-бумажного, лесохимического и гидролизного производств учеб. пособие для целлюлоз.-бумаж. техникумов

Пример 2.

При получении

аммиачной воды с содержанием

2,5 вес.% NH3

аммиак поглощается чистой водой из газа (воздуха)

с начальным содержанием NH3

5 вес. %. Конечное содержание ам­

ходимой для образования 10 000 кг/ч аммиачной

воды. Составить

уравнение рабочей линии процесса.

^

Р е ш е н и е 1. Относительный весовой

состав

жидкости и газа

по аммиаку определим по формуле (11-9):

газовая фаза:

на входе Уі =

, °'0 _5 _.

=0,0526;

1 — 0,05

на выходе Yo=

°'°^пг

=0,00503;

2. Количество

поглотителя

(воды)

определим

по

формуле

(11-1):

L

= (1 — 0,025) 10 000 = 9750 кг/ч.

3. Расход инертного

газа (воздуха)

можно

вычислить

из мате­

риального баланса

(11-13):

0

= =

9

7 5 °

•

0,0526-000503

= 5 2 5 °

KZI"-

4. Количество

газовой

смеси

(на входе в аппарат)

определяется

по уравнению

(11-1)

с

учетом

того,

что весовая

доля

воздуха

в смеси равна:

1 — а к н , = 1 —0,05 = 0,95;

G C M = - ^ - = 5 5 2 0

кг/ч.

Р е ш е н и е .

1. На входе воды в аппарат имеем ^ 2 = 0, поэтому

состав равновесной газовой фазы здесь характеризуется

величи­

ной Ур = 0. Содержание аммиака в газовой

фазе на выходе

из ап­

парата равно К2

= 0,00503. Движущая сила

процесса

здесь

(вверху

аппарата) равна ДУ"=У2 — Y'^ = 0,00503. На выходе

воды

из аппа­

рата (внизу) имеем

= 0,0256, соответственно, равновесное

содер­

жание аммиака

Г

=1,25X1= 1,25-0,0256-=0,032.

д

0,0206 — 0,00503

_ п г п 1

° Р —

0,0206

—O.U11.

F

-

12^01 1

= 1 9

0 0 »*•

О т в е т :

1900 м2.

Пример 4. По условиям примера 2 определить высоту

единицы

переноса, если в абсорбере диаметром

1 м удельная

поверхность

насадки равна 330 м2/м3

(кольца

керамические

размером

15ХІ5Х

Х2

мм).

Коэффициент массопередачи при водной абсорбции

аммиака

придавлений 0,981 бар

(1 кгс/см2)

/ С р = 1 5 кг/ч

-кгс/см2-м2.

Р е ш е н и е . Высоту единиц переноса

определим по формуле

h

G

KSf

где

G — расход инертного газа,

кг/ч;

К — коэффициент

массопередачи,

выраженный

в

кг/м2-чХ

X

(кг/кг);

S — площадь

сечения

аппарата,

м2;

f — удельная

поверхность

насадки,

м2/м3.

Проведем пересчет коэффициента

массопередачи:

^ Р = 1 5

{М2 . ч

. кгс/см*

j ^ 1

5

3600 • 0,981 • 105

( —

•

v

'.

'

І м2-сек

= 4 , 25

• 10~8

сек/м.

_29

• 4,25 • 10 - 8 =7, 1 • 10"

К=-Щ-

0,981 • 105

і кг (

17

м* • сек

=25,6 -

ж2

Высота единицы переноса

,

5250

„

25,6 - 0,785 • 1,02 . ззо _ ° > '

J

О т в е т :

0,79 и(.

сло единиц переноса

в абсорбере,

если

степень

извлечения

S0 2

равна 0,85.

Данные о равновесных концентрациях S0 2 в жидкости и газе

при 10° С следующие:

ХКК1

в ° 2 ы

•

•

-0,005

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

YK1

S®1

•• .

.

.0,0625

0,134

0,292

0,481

0,695

0,966

Р е ш е н и е . 1.

Определим

относительный

весовой

состав

жид­

кости и газа на входе в аппарат и выходе из него

(11-9):

жидкая фаза:

0,001

на входе в аппарат

v

П Л

Л 1

Хг——^

QQQ^ =Q»QQli

на выходе из аппарата ^ і =

^ - ^ ^ ^ — = 0 , 0 4 1 8 ;

газовая фаза:

0,48

на входе в аппарат Yi=—

1 — 0,48 =0,92;

на

выходе

из аппарата

У 2 = (1—0,85) • 0,92 = 0,138.

Полученные данные являются координатами двух точек, через

которые

проходит

рабочая

линия

процесса:

А

(0,0418;

0,92)

и В

(0,001; 0,138).

В системе

координат X — Y (рис. 11-2)

проведем

рабочую

ли­

нию по двум точкам А и В. Здесь же проведем равновесную

линию

ОС по данным, приведенным в условии примера.

2. Число

единиц

переноса

определяем

следующим

образом.

Отрезки

ординат

между рабочей

и

равновесной

линиями

делим

Контрольные

задачи

Задача

1. Определить молярный

состав

и среднюю молекуляр­

ную массу

раствора этилового

спирта

в

воде, содержащего

25 вес. % спирта.

Задача 2. При кипении раствора этилового спирта в воде об­

разуется пар, содержащий 46,9 мол. % паров

спирта. Определить

Задача

3. При спуске давления в варочном

котле

образуются

сдувочные

газы

следующего

состава:

93

объемн.

%

SO2,

0,8 объемн. % N 2

и 6,2 объемн. % С 0 2 .

Определить объемную концентрацию всех компонентов в смеси

(кг/м3), если в момент отбора

пробы температура в

котле

146°С

и давление в нем 5,88 бар (6 кгс/см2).

Задача 4. По условиям задачи 2 определить относительный ве­

совой состав паровой смеси и объемную концентрацию

С2Н5ОН

при

температуре t = 90° С.

Задача

5. 2000 кг/ч влажного воздуха

с содержанием

0,03

кг

начальная

концентрация

SO2 в газе 12 мол. %, а конечная —

1 мол. %•

Концентрация SO2 в жидкости на выходе из абсорбера

0,4 вес. %,

на входе в аппарат — 0,01

вес. %.

Задача

7. В водяном скруббере, имеющем суммарную

площадь

равна Л Р с

р = 5- 104 н/м2. Средняя температура

воды 22° С, давление

в

скруббере 0,981 бар (1

кгс/см2).

Задача

8. Определить

коэффициент диффузии паров

аммиака

в

воздухе

при температуре 18°С и давлении

0,981 бар/(\

кгс/см2).

Задача 9. Определить

коэффициент диффузии хлора в воде при

жидкой среды

при диффузии S0 2 в воде при температуре 10° С.

Задача 11.

В абсорбере поглощения S0 2 водой диффузионный

0,981 бар

(1 кгс/см2) и определяющий размер насадка 0,03 м.

Задача

12. Определить коэффициент диффузии водяного пара

в воздухе

при давлении 7,85 бар (8 кгс/см2) и температуре 130° С.

Задача

13. Определить среднюю движущую силу в скруббере,

спирта (СНзОН)

из газа.

Начальное

содержание

спирта

в газе

100 г на 1 кг инертного газа

(воздуха), поглощение его происходит

на 95%. Удельный

расход воды 1,2 кг/кг.

Уравнение

растворимости

метилового спирта в воде:

Ур=1,15Х,

где X — число кнломолей спирта на 1 кмоль чистой воды; Ур — чи­

сло киломолей спирта на 1 кмоль инертного

газа.

Задача 14. По условиям

задачи 6 определить среднюю

движу­

в газе; X — концентрация

S0 2 в растворе в киломолях на

1 кмоль

воды.

Задача 15. Построить

кривую

равновесия при поглощении S0 2

водой при атмосферном давлении

и температуре 30° С. Построение

линии провести в системе координат X и Y, где X и Y — концентра­

ция SO2 в растворе (кг на кг воды) и в газе (в кг на кг воздуха).

При данных условиях известна следующая зависимость

между

равновесным парциальным давлением S0 2 над раствором

( р р Мм

і

YB

= kX,

(12-2)

где я = - д ^

-р тангенс угла наклона

прямой;

М к

и М„—молекулярные

массы

абсорбируемого компо­

нента и инертного газа

(носителя);

Срасти = 0,03Рок - 1,0363-* • 0,892 с вес.%,

(12-3)

где

Р — общее давление смеси, мм рт. ст.;

и к — содержание

SO2 в газовой

смеси, объемные

доли;

t — температура жидкости, °С;

с — содержание

связанного

S 0 2

в

жидкости

(в воде

с = 0;

в бисульфитных растворах

( с ^ О ) , вес. %•

Равновесная объемная доля S 0 2

в газовой смеси над раствором

равна:

_{а<-2с)

1,0363*

2 4 ,

П

Р

0,03Р • 0,892е

'

к

'

где

а'

— общее содержание

растворенного и химически связанного

SO2 в растворе, вес. %•

4. Материальный баланс процесса абсорбции составляется ана­

логично уравнению

(11-13), удельный

расход

поглотителя

вычис­

ляют

по формуле (11-14).

Степень

извлечения

компонента

из га­

зовой

фазы

B==Il^Ii.==l-^-.

(12-5)

5. Тепловой баланс абсорбера,

работающего без отвода

тепла

Ф ( Х І - Х 2 ) = С ( І І

—

І2),

(12-6)

где

Ф — дифференциальная

теплота

растворения, дою/кг,

т. е.

количество тепла, выделяющегося при поглощении

1 кг

компонента в растворе данной концентрации;

с — удельная теплоемкость

жидкости,

док/'кг • град;

U и h — температура жидкости на выходе из абсорбера и входе

Др = А р с у х ( 1 + Ш ) ,

(12-7)

где

Дрсух — сопротивление сухой насадки;

k — опытный коэффициент

(для беспорядочно засыпан­

ной насадки & = 0,06;

для правильно

уложенных

ХЯ/р wl

Д А , х = — i t 1

«/-"2 .

(1 2 "8)

здесь

Я — толщина слоя насадки, м;

f — удельная поверхность насадки,

м2/м3;

wa — скорость газа,

отнесенная

ко всему

сечению аппарата,

м/сек;

кг/м3;

рг — плотность газа,

є — свободный объем, доли единицы;

К— коэффициент сопротивления, который определяется по

формулам.

Для беспорядочно засыпанных насадок:

при ламинарном

движении

(Re r <40 )

А = - ^ Г ,

(12-9)

при турбулентном движении

(Re r >40 )

* = - ^ р - .

(12-Ю)

Для правильно уложенных кольцевых насадок

*=TSW-

(12-П)

Rer°

В

формулах

(12-9) — (12-11)

критерий

Rer

характеризует дви­

жение газа через слой насадки и равен

К е г = 7 ^ -

(12-12)

R e * = i r f e " '

( 1 2 " 1 3 )

здесь ц г и ц ж — вязкость газа и жидкости, к •

сек/м2;

Wv И № ж — м а с с о в а я

скорость газа и жидкости, отнесенная

ко

всему

сечению аппарата,

кг/м2-сек.

Скорость газа w'0,

соответствующую началу подвисания, опреде­

ляют по значению Re^, который вычисляют по формуле

R e ; = 0 , 0 4 5 A r ° ' 5 7 . ( ^ - ) ° ' 4 3 ,

(12-14)

где A r = - ± 1 — -

критерии Архимеда;

V-

р г

4е

с1окъ=—j

эквивалентный

диаметр насадки, м;

v — кинематическая

вязкость газа, м2/сек.

изложенной в теме

11, а

высоту единицы

переноса — по

формуле

(11-33).

Высоту единицы переноса для газовой фазы определяют по фор­

муле

//,=-grRe?> 2 3 (Pr;)v ' л ,

(12-15)

где

Р г ' = — j -

диффузионный

критерий

Прандтля для

газа;

£>г — коэффициент

диффузии

компонента

в

инертном

газе;

а =8,13 — коэффициент для кольцевой насадки;

•ф — коэффициент

смачивания

насадки,

который

мо­

жно определить по графику рис. 17-16 в работе

[33].

Высота единицы переноса для жидкой

фазы

A2=1196„p „B Re»f (Рг; ; )°.5 м,

(12-16)

/

ц 2 .

\0,33

где

5дрпв= (

)

—приведенная толщина пленки, м;

Рг^. = — ^

диффузионный

критерий

Прандтля

для

Dm

жидкости;

— коэффициент диффузии компонента в жид­

кости.

Рабочая фиктивная скорость газа шо принимается в пределах

оУо= (0,85-т-0,95)Шц

м/сек,

где w'Q — скорость,

определяемая

из фор­

мулы (12-14). По скорости шо вычисляют сечение

колонны:

с

м\

(12-17)

где

VT — расход газа в колонне,

м3/ч.

Р е ш е н и е .

Известно, что

парциальное

давление

какого-либо

компонента

в

газовой смеси

равно pK = vKP.

Умножая

обе части

уравнения

(12-4) на Р, определим величину р к :

Рк='икР=—

J •> ія

= 5 5 5 мл рт. ст.

Пример 2. Чистая

вода при температуре

12° С подается в скруб­

бер,

где она поглощает 90%

NI-Із, содержащегося

в газовой

смеси

аммиак — воздух. Начальное

содержание

аммиака

в газовой фазе

равно 0,031 кг ЫНз/кг

воздуха.

Определить температуру жидкости на выходе из аппарата, если

удельный расход поглотителя равен 1,2 кг/кг.

Дифференциальная

теплота растворения

NH3

в воде Ф = 2070103 дж/кг.

Р е ш е н и е 1. Изменение относительной концентрации раствора

определим по формуле (11-14) с

учетом

того,

что

концентрация

МНз в газе уменьшается на 90%:

хг

v

У\—Уч

0,9Kt

0,9 • 0,031

n

m o

X

T U ,

Хх — Х2=—1——-=

T

1 • = ——YO—=0,023

кг NH3 /KZ

воды.

2.

Температуру

воды

на

выходе

из

аппарата

определяем по

формуле

(12-6):

г, = ; 2 4 - ^ - ( Х , - Х 2 ) = 1 2 +

2 0 7

4 ° 1 8 7

1 0 3

0,023=23,4°С.

При

расчете

принято,

что

теплоемкость

раствора

равна

4187 дж/кг

• град.

О т в е т :

23,4° С.

содержащей

0,05 кг SO2 на 1 кг инертного газа (воздуха).

Степень

извлечения

SO2 равна 96%.

Конечное

содержание SO2

в

воде

0,002 кг SO2 на 1 кг воды. Количество поступающего газа 3000

кг/ч,

его средняя

температура

30° С. Удельная поверхность кольцевой

насадки f = 200 м2/м3-, свободный объем є =0,74.

Р е ш е н и е . 1. Количество

инертного газа определим по задан­

ному расходу газовой смеси и ее концентрации:

Конечное

содержание

S0 2

в газе

вычислим,

используя

фор­

мулу (12-5):

Yz=Yi(\

— є') =0,05(1 — 0,96) =0,002 кг S02/KZ

воздуха.