Материал: 522103
где ΔPк - гидравлическое сопротивление колонны, Па;
ΔPн - гидравлическое сопротивление одного метра насадки, определенное по графику Эдулджи, Па/м.
7 ПРИМЕР РАСЧЕТА НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА
|
Задание на проектирование |
|
Спроектировать насадочный абсорбер для поглощения паров этило- |
вого спирта из воздуха водой |
|
1. |
Производительность по исходной смеси GСМ =5 кг/с. |
2. |
Концентрация спирта в исходной смеси yн =9 % мольн. |
3.Концентрация спирта в очищенном воздухе yк = 1 %мольн
4.Температура воды, подаваемой в абсорбер н = 25 С.
5.Температура исходной смеси, подаваемой в абсорбер tвоз 25 С.
6.Давление исходной смеси р 1 атм. (абс.).
7.В абсорбер подается чистая вода.
8.Коэффициент избытка поглотителя 1.2.
9.Предполагается, что абсорбция неизотермическая.
7.1ПОСТРОЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ЛИНИИ АБСОРБЦИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Предполагаем, что вся выделяемая в ходе абсорбции теплота расходуется на нагревание жидкости. Для построения равновесной кривой на диаграмме Y – X , необходимо, прежде всего, определить температуру разогрева воды при разных концентрациях растворяемого спирта по формуле 1. Для использования данной формулы нужны два способа выражения концентрации этанола в воде мольная доля x ( при определении Фi - дифферен-
циальной теплоты растворения) и относительная мольная доля – X. Значения x возьмём из таблицы 7 приложения и добавим ещё два значения концентрации, для получения более гладкой кривой. Пересчет одного способа выражения концентраций в другой приведен в таблице 16. Проиллюстрируем расчет на примере x= 0.05 (5%).
X |
x |
|
0.05 |
|
0.0526 0.053 5.3% |
|
1-x |
1 0.05 |
|||||
|
|
|
||||
Дифференциальную теплоту растворения определяем по формуле 2.
Ф Фx 5% r (7.2 41.9) 106 49.2 106 Дж / кмоль.
Y* |
y* |
|
0.097 |
0.1077 0.1077 10.77% |
|
1-y* |
1 0.097 |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
26 |
где Фx 5% 7.2 106 Дж/кмоль - дифференциальная теплота сме-
шения этилового спирта и воды при температуре 25 С (температура воды, подаваемой в абсорбер), таблица 7;
r 41.9 106 Дж / кмоль - удельная теплота парообразования в тех же усло-
виях, таблица 7.
Температура разогрева воды для X=5.3% равна:
|
|
|
Ф |
(X X |
|
) 25 |
49.2 106 |
0.053 59.3 С . |
н |
|
н |
|
|||||
|
|
cx |
|
75330 |
|
|||
где cX 75330 Дж / кмоль К - мольная теплоёмкость воды; X Н 0 - в абсорбер подается чистая вода.
Состав пара равновесный с составом жидкости в выбранном диапазоне найдем по формуле 7. Для применения этой формулы нужно определить коэффициенты активности ( ) при рассчитанных температурах и концентрациях. Коэффициенты активности для этанола приведены в таблице 4 при температурах 30 С и 50 С. Будем считать зависимость от температуры линейной в данном интервале, и за его приделами, что позволит найти ( , x ) методами линейной интерполяции или экстраполяции. Продолжим пример для x=0.05.
|
|
50 |
30 |
( 50) 4 |
4 3.45 |
(59,3 50) 4.256. |
50 |
|
|
||||
|
50 |
30 |
|
50 30 |
||
|
|
|
||||
Парциальное давление пара этилового спирта (Р) в зависимости от температуры приведено в таблице 6. Для определения Р( ) применим также линейную интерполяцию. В том случае, когда одной температуры дано два значения давления, используем среднее.
P P |
|
P60 |
P55 |
( 55) 37.31 |
47.07 37.31 |
(59.3 55) 45.7 103 Па |
|
|
|
||||
55 |
60 |
55 |
|
60 55 |
||
|
|
|||||
Находим равновесный состав пара ( y* ,мольная доля) и пересчитываем в относительную мольную долю для удобства дальнейших расчетов.
y*= |
γ P |
x |
4.256 45.7 103 |
0.05 0.097 , |
||
р |
10 |
5 |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
где р 105 Па -атмосферное давление (по заданию).
Для остальных концентраций делаем аналогичные расчеты и сводим результаты в таблицу 1.
27
Таблица 1- Результаты расчета равновесных концентраций этанола в воздухе
|
|
|
|
|
|
|
|
x, % |
X, % |
Ф, |
, С |
|
P, Па |
y* ,% |
Y *,% |
|
|
Дж / кмоль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
25 |
0 |
7.8 10 3 |
0 |
0 |
1 |
1.01 |
5.18 10 7 |
31.95 |
4.03 |
11.63 10 3 |
0.47 |
0.47 |
2.5 |
2.56 |
5.05 10 7 |
42.19 |
4.18 |
20.14 10 3 |
2.1 |
2.15 |
4 |
4.17 |
4.99 10 7 |
52.62 |
4.23 |
33.6 10 3 |
5.68 |
6.03 |
5 |
5.26 |
4.91 10 7 |
59.31 |
4.26 |
45.7 10 3 |
9.73 |
10.77 |
6 |
6.38 |
4.82 10 7 |
65.86 |
4.21 |
65.63 10 3 |
16.57 |
19.85 |
7.5 |
8.11 |
4.69 10 7 |
75.48 |
4.07 |
90.67 10 3 |
27.68 |
38.28 |
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
32 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yY |
24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
xX |
|
|
|
|
|
Рисунок 6 - Равновесная кривая в системе воздух – вода – этиловый спирт при начальной температуре воды 25 С.
7.2 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ПОГЛОЩАЕМОГО КОМПОНЕНТА
Определяем количество поглощаемого компонента в единицу времени (М кмоль/с) по формуле 9, для этого находим мольную массу газовой смеси (m) и мольный расход газовой смеси ( GСМ ) и мольный расход возду-
ха (инертного поглотителя) (G) .
m mЭТ yн mВОЗ (1 yн ) 46 0.09 29 (1 0.09 ) 30.53 кг/кмоль,
где mЭТ 46 кг / кмоль- мольная масса этилового спирта;
28
mВОЗ 29 кг / кмоль- мольная масса воздуха.
|
|
|
|
|
|
|
G |
GСМ |
|
5 |
|
0.164 кмоль / с . |
|
|
|
|
||||
СМ |
m |
30.53 |
|
|||
|
|
|||||
Далее рассчитаем относительную мольную долю спирта в воздухе на входе (Yн ) и выходе (Yк ) в абсорбер:
|
|
y |
н |
|
|
0.09 |
0.099 |
|
Y |
|
|
, |
|||||
|
|
|
||||||
|
|
1 0.09 |
||||||
н |
|
1-yн |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
y |
к |
|
|
0.01 |
0.0101, |
|
Y |
|
|
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
1 0.01 |
|||||
к |
|
1-yк |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
GGСМ (1 yн ) 0.164 (1 0.09) 0.149 кмоль / с ,
МG(Yн Yк ) 0.149 (0.099 0.0101) 0.013 кмоль / с .
7.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИ МИНИМАЛЬНОГО РАСХОДА ВОДЫ
По рисунку определяем относительную мольную концентрацию спирта в воде равновесную с относительной мольной долей спирта в ис-
ходной газовой смеси ( X |
* 0.05 |
при Y 0.099). Теоретически мини- |
||||||
|
|
|
|
|
|
к |
н |
|
мальный расход воды ( Lмин ) при этом будет равен (формула 10): |
||||||||
L |
|
|
|
M |
|
0.013 |
0.265 кмоль / с . |
|
мин |
|
* |
|
0.05 0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
X |
к X н |
|
|
|
|
7.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕГО РАСХОДА ВОДЫ И КОНЕЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СПИРТА В ВОДЕ
При заданном коэффициенте избытка расход воды ( L) определим по формуле 11.
L Lмин 1.2 0.265 0.318 кмоль / с .
Конечную концентрацию спирта в воде ( X к )найдём из уравнения
12:
X |
|
|
M |
|
0.013 |
0.042 . |
||
к |
|
|
|
|||||
L |
0.318 |
|||||||
|
|
|
|
|||||
29
Для дальнейших расчетов переведём относительную мольную долю
спирта в воде в мольную долю ( xк ):
|
|
|
X |
к |
|
|
0.042 |
0.04 . |
xк |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1 0.042 |
||||
|
1 |
X |
к |
|
||||
7.5 ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛИНИИ
Уравнение рабочей линии представлено формулой 13, найдём численные коэффициенты:
Y= |
L |
X (Y |
|
- |
L |
X |
|
) |
0.318 |
X ( 0.099 |
0.318 |
0.042 ) 2.131X 0.01. |
|
G |
н |
G |
к |
0.149 |
0.149 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Построим равновесную линию на Y-X диаграмме, такое построение полезно для определения числа единиц переноса
Data over the Range -r to r
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9.5 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y* |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
5.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0.25 |
0.5 0.75 |
1 |
1.25 |
1.5 1.75 |
2 |
2.25 |
2.5 |
2.75 |
3 |
3.25 |
3.5 |
3.75 |
4 |
4.25 |
4.5 |
4.75 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 7 - Равновесная и рабочая линии в системе воздух – вода – |
|||||||||||||||||||
этиловый спирт при начальной температуре воды 25 С. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
30