Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

Обратное перемешивание фаз, уменьшая движущую силу, снижает эффективность аппаратов. Для достижения заданных параметров их размеры по сравнению с аппаратами идеального вытеснения должны быть увеличены.

Главную роль в продольном перемешивании играет унос фаз, преобладая над турбулентной и молекулярной диффузией.

Основные принципы расчета массообменных аппаратов

Основными конструктивными размерами аппаратов для проведения массообменных процессов являются:

1.поперечное сечение (определяет производительность аппарата, его пропускную способность);

2.рабочая длинна или высота (отражает интенсивность проведения

процесса).

Поперечное сечение аппарата определяют исходя из уравнения расхода. Т.к.

основная масса аппаратов имеет цилиндрическую форму, то диаметр аппарата:

√

где Q – объемный расход сплошной фазы при р.у.;

– фиктивная (отнесенная к полному рабочему сечению) скорость сплошной фазы.

Скорость зависит от природы взаимодействующих фаз, их плотности, соотношения объемных (массовых) их расходов, вязкости, конструкции контактных устройств в аппарате и т.д. Она должна быть оптимальной из техникоэкономических соображений, т.е при ней должен обеспечиваться минимум общих затрат на проведение процесса.

Расчет высоты аппарата проводят по различным методикам. В первую очередь их применение зависит от того, каким образом в аппарате организуют взаимодействие фаз: ступенчато или непрерывно

Высоту аппаратов с непрерывным контактом фаз обычно ведут на основе использования основного уравнения массопередачи:

(

Расчет сводится к определению расхода распределяемого компонента , коэффициента массопередачи , удельной поверхности контакта фаз , средней движущей силы . Расчет, как рассматривалось ранее, может быть сведен к определению числа единиц переноса и высоты единиц переноса

Для расчетов аппаратов со ступенчатым контактом фаз существует много методик. Если представляется возможным определить среднюю движущую силу в аппарате, среднее значение коэффициента массопередачи и поверхность контакта

на ступени , то число ступеней можно определить также из уравнения массопередачи

(

(

где – обьем зоны контакта на одной ступени;

– удельная поверхность контакта фаз.

Высота контактной части аппарата , где – высота ступени контакта. Следует отметить, что аппараты со ступенчатым контактом фаз –

противоточные.

Для оценки работы ступени контакта вводят понятие эффективности ее или КПД. Эффективность ступени контакта численно выражают (по Мэрорри) как отношение изменения концентраций на ступени к движущей силе на входе фазы в нее, т.е. к максимально возможному изменению концентрации:

где m – номер ступени контакта.

Эффективность ступени контакта (тарелки) может быть использована для расчета числа ступеней контакта, если связать ее с коэффициентом извлечения (обогащения) θ для аппарата в целом

Для противоточного аппарата, если

Анализируя концентрации на выходе из ступеней, получим

(

где

При

(

Для расчета числа ступеней контакта вводят также понятие теоретической ступени контакта (тарелки). Теоретическая ступень контакта – гипотетический участок аппарата, на выходе из которого фазы достигают равновесного состава и жидкость полностью перемешана. Поэтому можно констатировать, что эффективность теоретической тарелки .

Тогда при заданной степени извлеченного число теоретических ступеней контакта

( линии. Вертикальные отрезки между рабочей и равновесной линиями отражают движущую силу по фазе G в данном сечении аппарата, горизонтальные – движущую силу по фазе L. Построения начинают с начальной концентрации по

отражает процесс изменения концентрации на одной теоретической ступени контакта.

Продолжая вписывать аналогичные ломанные линии до концентрации у получаем число теоретических ступеней контакта nT. Число действительных ступеней контакта

где Е – средняя эффективность ступени контакта.

Используя х-у диаграмму, графическим путем можно определить число действительных ступеней контакта. Для этого дополнительно строят кинетическую кривую. Для построения кинетической линии должна быть известна эффективность ступени контакта, например Еу, т.е. по фазе G.

Проводят вертикальные отрезки АВ, А'В', А''В''…, в произвольных сечениях между линией равновесия ( и рабочей ( . указанные отрезки – графическое отражение движущей силы по фазе G. Затем указанные отрезки делим в соотношении:

Соединив точки С, С', С'', получим линию характеризующую концентрации на выходе из ступеней контакта – кинетическую кривую. Ломаная АСД, состоящая

из отрезков вертикали АС и горизонтали СД характеризует изменение состава фаз на одной ступени контакта. Если вписать подобные ступеньки в пределах от у до у , то число ступеней будет соответствовать требуемому числу действительных ступеней контакта. Их число всегда округляют в большую сторону до целых. При построении кинетической линии может быть учтено изменение эффективности в зависимости от состава фаз.

Наибольшей точностью и трудоемкостью обладает расчет от тарелки к тарелке или потарелочный. Сущность его в следующем. Исходя из концентрации фаз на входе в первую ступень, гидродинамической обстановки на ней, условий равновесия, локальных температур и давления, рассчитывают коэффициенты массопредачи на ней, поверхность контакта фаз и т.д., определяют движущую силу, количество вещества перенесенного из фазы в фазу и концентрацию на выходе из ступени. Эти концентрации являются исходными для следующей ступени. Подобным образом ведут последовательно расчет для каждой ступени до достижения заданной в целом для аппарата конечной концентрации. Ввиду трудоемкости, многофакторность расчеты такого рода следует вести с применением вычислительной техники.

Последовательные расчеты массообменного аппарата

Расчет массообменных аппаратов обычно проводят в следующей последовательности.

1.Вычисляют расход распределяемого компонента по расходу одной из фаз и концентрации компонента в ней на входе и выходе (уравнение материального баланса)

2.Устанавливают условия равновесия, получают уравнения линии равновесия, при необходимости строят ее.

3.Исходя из уравнений материального баланса, условий равновесия рассчитывают расход второй фазы, концентрации распределяемого компонента в ней. Получают уравнение рабочей линии (линий), при необходимости их строят.

4.Производят расчет поперечного сечения (диаметра) аппарата.

5.Вычисляют движущую силу, определяют коэффициенты массоотдачи и массопередачи (ЧЕП, ВЕП), число ступеней контакта. На основе этого выполняют расчет высоты аппарата.

6.Выполняют, при необходимости, гидравлический и тепловой расчеты аппарата.

7.Выполняют конструктивные расчеты (подбор штуцеров и т.д.)

Абсорбция

Абсорбция – процесс избирательного поглощения газов или паров из газовых смесей. Различают абсорбцию физическую и хемосорбцию. При хемосорбции кроме физического растворения газа происходит химическое взаимодействие его с жидкостью. Газовый компонент, поглощаемый при абсорбции – абсорбат. Жидкость, в которой растворяется абсорбат, называется абсорбентом либо поглотителем. Аппарат для абсорбции – абсорбер. Смесь

поступающая в абсорбер на разделениеисходная смесь, на выходе из абсорбера – очищенная смесь. Жидкая фаза на входе в абсорбер – свежий абсорбент. Жидкая фаза на выходе из абсорбера – отработанный абсорбент. Растворитель, не содержащий растворенного вещества – чистый абсорбент. При проведении абсорбции поглощается один или несколько компонентов. Газы, не поглощаемые из смеси при абсорбции, называют инертными или газом-носителем. Абсорбция – обратимый процесс. Обратный процесс – десорбция. При десорбции можно получить абсорбтив в чистом виде либо регенерировать абсорбент, подготовив его таким образом к повторному использованию. Абсорбция проводится для получения товарных продуктов(H2SO4 из SO3, HCl) , для извлечения из газовых смесей компонентов, которые являются товарными продуктами или полупродуктами производства(бензол из кокосового газа, ацетилен из крекингового газа), для улавливания вредных примесей из технологических газов, для улавливания ценных компонентов из газовых выбросов (паров растворителей из газов, отходящих из сушильных камер покрасочных участков), очистка газовых выбросов от вредных веществ (сероводорода, окислов азота и т.д.), в целях дезодорации. Требования к абсорбентам:

селективность (избирательная способность к различным компонентам газовой смеси);

высокая поглотительная способность;

пассивность к разделяемым средам, конструктивным материалам, активность к абсорбату при хемосорбции;

должен быть химически стойким и долговечным;

высокая термостойкость, т.к. в процессе десорбции абсорбент зачастую нагревается;

малолетучий, для того, чтобы не возникали значительные потери за счет испарения;

маловязкий, что обеспечивает низкие расходы на транспорт, процесс протекает интенсивнее;

безопасный;

доступный, дешевый;

хорошая регенерируемость.

Абсорбция является экзотермическим процессом с точки термодинамики. Абсорбат после растворения в абсорбенте переходит в жидкое состояние, в результате чего выделяется теплота конденсации. Условием для протекания абсорбции является превышение величины парциального давления абсорбата в газовой смеси над величиной его парциального давления над поверхностью жидкости. В противном случае будет идти процесс десорбции.

Равновесие при абсорбции. Методы десорбции.

При физической абсорбции равновесная концентрация абсорбтива в абсорбенте зависит от природы абсорбтива и абсорбента, от температуры, давления и концентрации абсорбтива в газовой смеси.

Абсорбция одного компонента, в качестве абсорбата один компонент газовой смеси. Остальные компоненты газовой смеси, которые не будут

поглощаться жидкостью, будут называться газом -носителем или инертным газом.

Втаком случае согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы указанной системы будет N=K-Ф+2=3-2+2=3. Следовательно, любое изменение трех взаимосвязанных параметров будет вызывать изменение других параметров для установившихся условий равновесия. Принимаем, что процесс протекает при постоянном давлении и постоянной температуре. Можно сказать, что в условиях

равновесия каждому значению состава газовой фазы yA будут соответствовать строго определенное значение состава жидкой фазы xA. Строгое описание условий равновесия возможно в нескольких случаях: образование сильноразбавленных растворов абсорбата (если протекает абсорбция труднорастворимых газов, либо абсорбция осуществляется поглощение из газов с низким содержанием абсорбата).

Втаком случае условия равновесия описывается с помощью закона Генри:

,

согласно которому в условиях равновесия парциальное давление абсорбата над раствором (P*A) пропорционально молярной доле абсорбата в растворе (xA). E – коэффициент пропорциональности (константа Генри, константа растворимости). Константа Генри имеет размерность, выражаемую в единицах давления. Применив закон Дальтона и закон идеальных газов, уравнение закона Генри преобразуется:

.

Растворимость газов с ростом давления газовой смеси будет возрастать. Константа Генри может быть рассчитана аналитически по следующей формуле:

,

где q- дифференциальная теплота растворения абсорбтива, R – универсальная газовая постоянная, Т – термодинамическая температура, C - константа, величина которой зависит от природы абсорбата и абсорбента.

(

Константа растворимости находится в справочниках.

(

Закон Генри может применяться для расчетов равновесия при абсорбции труднорастворимых газов при умеренных давлении, температуре и концентрации, а также хорошо растворимых газов при низких концентрациях их в газовой смеси. Уравнение закона Генри можно представить в виде

где m=E/P – коэффициент распределения вещества по фазам. Линия равновесия в этом случае прямая на х-у-диаграмме tg α=m. При P=const угол наклона линии равновесия α будет возрастать с увеличением температуры (t1<t2<t3). При t=const α уменьшается с ростом давления (p1>p2>p3).

x-y- диаграммы.

С ростом температуры константа растворимости будет возрастать. С ростом температуры растворимость газа снижается. Процесс абсорбции с целью повышения его эффективности следует проводить при повышенном давлении и пониженной температуре.

Подобным образом условия равновесия могут быть установлены при абсорбции паров при их невысоком содержании в газовой смеси и если парциальное давление паров абсорбента намного меньше парциального давления пара. В таком случае можно использовать закон Рауля:

.

PA*- парциальное давление абсорбата в равновесном состоянии, xA- молярная доля абсорбата в жидкой фазе, PHA – давление насыщенного пара абсорбата над раствором при рабочей температуре.

В условиях равновесия парциальное давление парового компонента раствора пропорционально его молярной доле в растворе и давлению насыщенного пара. Уравнение, выражающее закон Рауля, может быть преобразовано с использование концентрации в газовой фазе и общего давления.

где – общее давление.

Для систем, не подчиняющихся законам Генри и Рауля, в уравнении коэффициент распределения вещества по фазам зависит не только от температуры и давления, но и от концентрации. Линия равновесия в таком случае кривая. Для описания равновесия в указанном случае используют

экспериментальные данные.

Десорбцию поглотителей проводят следующими методами:

1.понижением давления над раствором (при этом уменьшается парциальное давление растворенного газа над раствором, и оно становится меньше равновесного), таким методом можно получить растворенный газ в чистом виде;

2.продувкой инертного газа через раствор (газовая фаза разбавляется, парциальное давление растворенного газа над раствором становится меньше равновесного), получают абсорбент в чистом виде, абсорбтив – в смеси с отдувочным инертным газом;

3.нагревом абсорбента (повышается равновесное парциальное давление растворенного газа над раствором и становится выше рабочего), при этом частично испаряется адсорбент (в последующем его можно сконденсировать), при использовании метода можно получить в чистом виде как абсорбент, так и абсорбтив;

4.комбинированные методы.

При необходимости получить абсорбата в чистом виде не используется отдувка. Понижение давления целесообразно, если абсорбция проводится при повышенном давлении. Отдувка применяется, если абсорбат ценный и вреда не представляет. Чаще всего применяется термическая десорбция. Но при термической десорбции протекает процесс испарения абсорбента, поэтому газы,

полученные при термической десорбции, нужно направить в холодильникконденсатор, в котором основные частицы пара абсорбента конденсируются.

Выбор метода десорбции зависит от того, какой целевой продукт следует получить в чистом виде, от ценности абсорбента, абсорбтива, а также от стоимости проведения процесса.

Материальный баланс абсорбции. Уравнение рабочей линии абсорбера.

В основном используются противоточные абсорберы. При составлении материального баланса абсорбции концентрацию абсорбтива относят к количеству (расходу) компонентов-носителей, инертного газа и чистого поглотителя. В таком случае уравнения имеют наиболее простой вид. Обозначим: YH, YK - относительные концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль абсорбтива /кмоль инертного газа; XH, XK - относительные концентрации абсорбтива в абсорбенте, кмоль абсорбтива/ кмоль абсорбента; G - расход инертного газа, кмоль/с; L - расход абсорбента, кмоль/с.

(

(

В таком случае более простым является уравнение материального баланса при выражении инертного компонента через относительные доли.

( (

Общий расход абсорбента на абсорбцию.

Удельный расход абсорбента.

Для получения уравнений рабочих линий прямоточного и противоточного абсорберов выделим в них произвольные сечения А-А и Б-Б. Соответственно с текущими концентрациями абсорбтива Y и X в газовой смеси и абсорбенте соответственно.

Запишем материальный баланс аппаратов для участков от входа газовой фазы до сечений А-А, Б-Б. Получим:

Выразим из уравнений концентрацию в газовой фазе через концентрацию в жидкой фазе:

( ) (

Оба уравнения линейны. Удельный расход поглотителя

где α – угол наклона рабочей линии на x-y-диаграмме.

Рабочая линия на xy-диаграмме отображается отрезком прямой.

равновесной будет графически отражать величину локальной движущей силы по газовой фазе Y, горизонтальный – по жидкой X.

В ряде случаев в абсорберах осуществляют рециркуляцию абсорбента. При возврате части абсорбента на рециркуляцию увеличивается плотность орошения аппарата, за счет чего можно достичь улучшения условий массобмена (увеличение коэффициента смоченности насадки в насадочных аппаратах). Таким образом также организуют отвод тепла абсорбции через внешние теплообменники. При работе абсорбера с рециркуляцией часть отработанного поглотителя L отводится из абсорбера с концентрацией XK. Другая его часть Lp с такой же концентрацией поступает на рециркуляцию и смешение со свежим поглотителем (расход его L,

кратности циркуляции. Материальный баланс для абсорбера с рециркуляцией может быть записан

( ( (

отсюда можно выразить кратность циркуляции через концентрации в жидкой фазе

Увеличение кратности циркуляции снижает движущую силу в абсорбере (на диаграмме X-Y рабочая линия при росте n приближается к линии равновесия). При больших n ( и движущая сила приближается к 0.

При проектировочном расчете абсорбера будет задан расход газовой смеси, состав разделяемой смеси, качество очистки или коэффициент извлечения.

Выбирается поглотитель – известно . Не известны L и XK.

Из уравнений материального баланса видно, что с увеличением расхода поглотителя увеличивается крутизна наклона рабочей линии. При постоянном значении конечной концентрации абсорбтива в газовой смеси для прямоточного абсорбера рабочая линия поворачивает по часовой стрелке, для противоточного – против часовой стрелки. При этом уменьшается конечная концентрация абсорбтива в абсорбенте, и при рабочая линия А'В занимает вертикальное положение. Движущая сила процесса при этом максимальна и

и определяется путем технико-экономических расчетов. Отношение рабочего расхода поглотителя к минимальному называют

коэффициентом избытка поглотителя.

задается коэффициент избытка поглотителя;

определяем рабочий расход;

технико – экономическое обоснование.

Технико-экономическое обоснование оптимального расхода абсорбента.

Значимые затрата.

1.Капитальные затраты пропорциональны объему аппарата.

График зависимости затрат от коэффициента избытка поглотителя. Если Если с у с

2.Текущие затраты: