4.3. Приклади розрахунку абсорберів
4.3.1. Розрахунок насадкового абсорбера
Завдання. Розрахувати та запроектувати насадковий абсорбер для поглинання аміаку водою продуктивністю 3500 м3/год. по газовій суміші за нормальних умов. Початкова концентрація аміаку у газоповітряній суміші 0,14 мас. частки; кінцева концентрація 0,01 мас. частки. Надлишковий тиск в абсорбері 150 мм рт. ст. Абсорбція проводиться при середній температурі 150С. Насадка – кільця Рашига 50 х 50 х5.
Технологічна
схема та її опис
Рис. 1. Технологічна схема установки
Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в насадковий абсорбер А. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається вода. Вода стікає по насадці вниз, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. При взаємодії фаз аміак розчиняється у воді й повітря очищається. Вода, насичена аміаком, самопливом надходить у прийомну ємність ПЕ, а очищене повітря викидається в атмосферу.
У результаті абсорбції аміаку водою утворюється лужний розчин, що є корозійно-активним, тому вибираємо насадковий тип абсорбера з керамічною насадкою, а в якості конструкційного матеріалу для основних деталей - нержавіючу сталь Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), що є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600°С.
1. Технологічний розрахунок
Мета технологічного розрахунку – визначення поверхні масопередачі і геометричних розмірів апарату.
Поверхня масопередачі може бути знайдена з основного рівняння масопередачі:
, (1)
де Кх і Ку – коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м2٠с);
- середні рушійні сили по фазах, кг/кг;
М – кількість аміаку, що поглинається
водою за одиницю часу, кг/с.
-
Маса аміаку, яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію
Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:
=
Lmin(
) (2)
де L, G – витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;
- початкова і кінцева концентрації
аміаку у воді, кг NH3/кг H2O;
,
- початкова і кінцева концентрації
аміаку в газі, кг NH3/кг повітря;
Lmin – мінімальні
витрати абсорбента за умови рівноважної
кінцевої концентрації аміаку у воді
.
Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і рідині у обраній для розрахунку розмірності:
=
0,14/(1 – 0,14) = 0,16 кг NH3/кг повітря; (3)
= 0,01/(1 – 0,01) = 0,01 кг NH3/кг повітря; (4)
За умови
=
0.
Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.
Густина аміаку за робочих умов:
= 0,86 кг/м3. (5)
Густина повітря за робочих умов:
= 1,47 кг/м3, (6)
де
=
17 кг/кмоль – молекулярна маса аміаку;
Мпов = 29 кг/кмоль – молекулярна
маса повітря.
Початкова мольна концентрація аміаку в газовій суміші:
= 0,217, (7)
Густина газової суміші на вході в абсорбер:
ρсум = упоч٠
+
(1 – уп) ρпов=0,217٠0,86
+ (1 –0,217)٠1,47=1,34 кг/м3.
(8)
Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:
Gсум = V٠ρсум = 3500٠1,34/3600 = 1,3 кг/с. (9)
Витрата повітря G:
G = Gсум(1 -
)
= 1,30(1 – 0,14) = 1,118 кг/с.
Маса аміаку, що поглинається водою за одиницю часу:
М = G
= 1,118(0,16 – 0,01) = 0,168 кг/с. (10)
Для визначення кінцевої рівноважної
концентрації аміаку у воді
спочатку
знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію
аміаку у воді в мольних частках:
= 0,102 кмоль NH3
/ кмоль H2O, (11)
де П – тиск в абсорбері, мм. рт. ст.; Е = 1930 мм рт. ст. - константа Генрі для системи аміак – вода (додаток 5.4)
Відносна масова концентрація:
=
=
0,107 кг NН3/ кг Н2О,
(12)
де Мв = 18 кг/кмоль – молекулярна маса води.
З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:
Lmіn = М/
= 0,168 / 0,107 = 1.57 кг/с.
Робоча витрата абсорбента [2]:
L = 1,3 Lmіn = 1,3٠1,57 = 2,04 кг/с.
Кінцева концентрація аміаку у воді на виході з абсорбера:
0,168
/ 2,04 = 0,082 кг NН3/ кг Н2О. (13)
Питома витрата поглинача:
ℓ = L/G = 2,04/1,118 = 1,57 кг/кг. (14)
Перевіримо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:
М = G(
п
-
к)
= L(
-
).
(15)
Баланс дотримується.