А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв - страница 8

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 

На рис. 2.7 показана схема матеріальних по­токів процесу абсорбції в протитечійному абсор­бері при постійній витраті взаємодіючих фаз.

Рис. 2.7- Схема процесу протитечійної абсорбції в насадковому абсорбері

У вертикальному насадковому абсорбері в шарі насадки виділимо елемент поверхні контак­ту фаз С¥. Позначимо через у і х поточні концен­трації ПР у газовій і рідкій фазах на вході у виді­лений контактний елемент. Зміну концентрації ПР у фазах на виділеному елементі поверхні по­значимо через Су і сіх відповідно з врахуванням напрямку руху потоків.

Матеріальний баланс процесу, масова витрата потоків. Для ви­діленого в абсорбері елемента поверхні контакту фаз складемо рівнян­ня матеріального балансу, що має вигляд

сіМ = в (-сіу) = Ь сіх, (2.31)

де СІМ - кількість речовини, що поглинається та перейшла з газової фази в рідку в ло­кальному перетині апарата, кг/с; в - масова витрата інертних газів, кг/с; сіу - зміна концентрації ПР у газовій фазі, кг ПР/кг інертних газів; Ь - масова витрата абсорбенту, кг/с; сіх - зміна концентрації ПР в абсорбенті, кг ПР / кг абсорбенту.

Проінтегрувавши рівняння (2.31) у межах зміни концентрацій ПР у фазах по висоті колони, знайшли:

М = | сіМ = | в (-Су) = | Ь сіх,

М = в(уи - ук) = Ь(хк - хн), (2.32)

де М - масова витрата речовини, що перейшла в абсорбері з газової фази в рідку, кг/с.

Якщо записати рівняння матеріального балансу для нижньої частини абсорбера (нижче виділеного перетину), то одержимо

Ми = в(уи - у) = Ь(Хк - х), (2.33)

де Ми - кількість речовини, що перейшла в нижній частині апарата з газової фази в рі­дку, кг/с; у, х - поточні концентрації ПР у газовій і рідкій фазах відповідно.

Розв'язавши рівняння (2.32) і (2.33) щодо витрати абсорбенту, отри­мали

Ь = в (у - Ук) = в (Уи - У) . (2.34)

(хк - хи ) (хк - х)

З рівняння (2.34) випливає, що витрата абсорбента залежить від ви­трати газу - носія і зміни концентрації ПР в фазах.

Іноді в процесах абсорбції кінцеву концентрацію поглиненої речо­вини у газовій фазі розраховують щодо заданого ступеня поглинання (вилучення) цільового компонента, що дорівнює

Сп = У и~ у к = 1 - ^. (2.35)

и и

Розв'язавши рівняння (2.35) щодо кінцевої концентрації ПР у газо­вій фазі на виході з колони, отримали

ук = (1 - Сп )ун. (2.36) Тепловий баланс процесу неізотермічної абсорбції. Як зазначало­ся раніше, у процесі абсорбції виділяється теплота розчинення газу в рідині, в окремих процесах вона досягає значних величин, і отже, її не­обхідно враховувати при розрахунках процесу.

Кількість виділюваної при абсорбції теплоти на локальній ділянці апарата або на контактному пристрої визначають на основі рівняння теплового балансу

qa = %L(XKi -XHi) = L^(tкi -tHi), (2.37)

де L - масова витрата абсорбенту, кг/с; qp - диференціальна теплота розчинення ОТ в абсорбенті, кДж/кг; Хиі , Хкі - початкова й кінцева концентрація ОТ в абсорбенті на вході й виході контактного пристрою відповідно, кг ОТ/кг абсорбенту; сж - теплоєм­ність абсорбенту, Дж /(кг-К); tHi , tKi - початкова й кінцева температура абсорбенту на вході й виході контактного пристрою відповідно, оС.

Залежність (2.37) можна використати при визначенні теплоти розчи­нення газу для абсорбера в цілому, враховуючи відповідну зміну тем­ператур і концентрацій ОТ в рідкій фазі.

Якщо в реальному процесі абсорбції є можливість визначити розпо­діл концентрацій ОТ в абсорбенті на контактних пристроях, то стає можливим знайти й середню температуру абсорбенту, відповідно до ці­єї температурі можна визначити величини коефіцієнта Генрі й на діаг­рамі У - X побудувати рівноважну криву з урахуванням теплоти розчи­нення ОТ в абсорбенті.

2.4.2 Рівняння робочої лінії процесу абсорбції

Pозділивши складові частини рівняння (2.34) на витрату газової фа­зи, знайшли

l_L _(уи   У к)_(Уи   У) (2 38)

G       (xk - xH )       (Хк - Х) '

де l - питома витрата абсорбенту, кг абсорбенту/кг інертного газу; у, x - поточні кон­центрації ПP у газовій і рідкій фазах у локальному перетині апарата відповідно; уи, ук, хи, хк - концентрації ОТ у газовій і рідкій фазах на вхідній і вихідній ділянках абсорбера відповідно.

Відношення l = L/G називають питомою витратою абсорбеита та воно показує скільки потрібно абсорбенту для поглинання одного кг цільового компоненту із газової фази-носія.

Pівняння (2.38) можна представити в іншому вигляді, розв'язавши його щодо поточної концентрації поглиненої речовини у газовій фазі, при цьому після нескладних перетворень отримали

у = lx + и - lxK) = lx + b. (2.39)

Pівняння (2.39) називають рівияииям робочоїліиії процесу абсорбції. Воно показує, що при незмінному відношенні масових витрат абсорбе­нту й інертної газової фази - носія (при l = Const) зміни поточних робо­чих концентрацій поглиненої речовини у обох фазах по висоті абсорбе­ра відбуваються відповідно з правилом лінійності.

Як видно з рівняння (2.39), робоча лінія процесу є прямою, що про­ходить через початкові (по ходу газу) й кінцеві концентрації ОТ у обох фазах, з кутом нахилу, тангенс якого дорівнює питомій витраті абсор­бенту та відтинає на осі ординат відрізок b = (уи -Ьхк).

Pівняння (2.39) також показує, що зміною питомої витрати абсор­бенту (збільшуючи або зменшуючи її) можна впливати на значення по­точних концентрацій речовини в рідкій фазі й на швидкість поглинання компонента, що вилучається з газової фази.

Так, якщо прийняти, що при протитечійному процесі абсорбції кін­цева концентрація речовини в абсорбенті досягне граничної величини -рівноважної концентрації та при цьому хк = хкр, то положення робочої лінії зміниться. Вона прийме гранично низьке положення (при заданих концентраціях ПР у газовій фазі) і витрата абсорбенту в цьому випадку буде дорівнювати мінімальному значенню, тобто

У н       У К

(2.40)

де хкр - кінцева рівноважна концентрація ПР в абсорбенті, кг ПР /кг абсорбенту.

Величину Ітіп називають мінімальною питомою витратою абсорбенту.

У реальних абсорбційних апаратах рівноважна концентрація речо­вини в абсорбенті практично не досягається, тому робоча питома ви­трата абсорбенту завжди більша мінімальної питомої витрати.

В розрахунках абсорбційних колон робочу питому витрату абсорбе­нта прийнято виражати залежністю

І = РІт, (2.41) де р - коефіцієнт надлишку абсорбенту, для продукційних абсорбційних колон р = 1,1 -1,2; для абсорберів санітарного очищення викидних газів р = 10 - 20.

При заданих концентраціях ПР на вході газу в колону й на виході з неї, а також при відомій (або прийнятій) питомій витраті абсорбенту, кінцеву концентрацію поглиненої речовини в абсорбенті на виході з колони визначають за залежністю

хк = Хн + н - ук )11 . (2.42)

З урахуванням рівнянь (2.40) і (2.41), загальна витрата абсорбенту для поглинання заданої кількості цільового компонента дорівнює

н - УК )

( Хкр - Хн )

(2.43)

де р - коефіцієнт надлишку абсорбенту; ун, ук - початкова й кінцева концентрації ПР у

газовій суміші відповідно; абсорбенті відповідно.

початкова й кінцева рівноважна концентрація ПР в

На рис. 2.8 показане положення робочих ліній процесу протитечій-ної абсорбції при різних питомих витратах абсорбенту.

Рис. 2.8 - Положення робочих ліній процесу абсорбції при різних питомих витратах абсорбента

При мінімальній питомій витраті абсорбенту робоча лінія процесу аб­сорбції БВ займає гранично низьке положення, при цьому кінцева конце­нтрація ПР в абсорбенті може досягти максимальної величини, рівної х^.

При більшій питомій витраті абсорбенту, що відповідає положенню робочої лінії процесу АВ, кінцева концентрація ПР у рідині (абсорбенті) на виході з абсорбера досягне величини ха.

Збільшивши питому витрату абсорбенту ще більше, що відповідає робочій лінії ВС, кінцева концентрація ПР в абсорбенті складе хс.

Отже, збільшуючи питому витрату абсорбенту, можна регулювати кінцеву концентрацію ПР у абсорбенті в деякому певному діапазоні її значень, що використовують в промислових абсорбційних установках, особливо для санітарного очищення викидних газів.

Як було показано раніше, питома витрата абсорбенту вирішальним чином впливає на гідродинаміку і кінетику процесу масопередачі, а та­кож й на розміри абсорбера.

Приклад 2.1. В абсорбційну колону подається газоповітряна суміш при температурі 25°С під тиском П = 0,12 МПа з об'ємною витратою 5400 нм3/г, висхідна концентрація хлориду водню в газовій суміші ун = 0,15, ступінь вилучення НС1 із суміші Сп = 96 %.

Побудувати рівноважну та робочу лінії процесу протитечійної абсорбції хлориду водню водою з врахуванням теплоти розчинення.Визначити витрату абсорбенту - води, що подається з температурою іне = 20 оС, та кінцеву концентрацію соляної кислоти в абсорбенті, яка складає 95 % від рівноважної.

Розв'язання. Оскільки процес абсорбції хлориду водню не є ізотермічним, то по­трібно врахувати кількість виділюваного тепла і побудувати криву рівноваги з ураху­ванням температури підвищення розчину за рахунок виділення теплоти розчинення НС1 у воді. Розрахунок виконаємо без врахування випарювання деякої кількості абсор­бенту, що звичайно відбувається в реальному процесі абсорбції [36, с.281].

1. Визначимо кінцеву концентрацію НС1 у газовій суміші, що виходить із абсорбе­ра. За рівнянням (2.36) знаходимо уК =(1 - Сп)ун = (1 - 0,96) 0,15= 0,006.

2. Визначимо об'ємну витрату поглиненого хлориду водню в процесі абсорбції за рівнянням Ухв = Уг (ун -уК) = 5400(0,15 - 0,006) = 777,6 нм3/г,

відповідно масова витрата хлориду водню складає

Мхв = Ухв-рхв = 777,6-1,639 = 1274,5 кг/г = 0,354 кг/с, де -рхв - густина хлориду водню за нормальних умов, ■ рхв = 1,639 кг/м3 (табл. Д.5).

4. Кінцева температура розчину соляної кислоти при розчиненні хлориду водню у воді визначається за формулою (2.18)

= к + % (х,а- хн)/ сж , де ін,     - початкова та кінцева температура води відповідно, оС; чр - теплота розчи­нення хлориду водню у воді; ХКі, Хн - кінцева (поточна) та початкова масова концент­рація хлориду водню у воді відповідно, кг НС1/кг Н2О. За умов задачі Хн = 0.

З табл. Д.6 (див. додатки) для хло­риду водню знаходимо теплоту розчи­нення його у воді, при цьому чр = 1232

кДж/кг [36, с. 283].

5. За даними табл. Д.6 (див. додат­ки) будуємо графік залежності коефіці­єнта Генрі від температури - рис. 2.9.

Рис. 2.9 - Залежність коефіцієнта Генрі від температури для водних розчинів хлориду водню

6. Парціальний тиск хлориду водню над водними розчинами соляної кислоти в умовах фазової рівноваги визначаємо за формулою Генрі (2.6), при цьому р* = <рХі .

7. Відносну масову концентрацію хлориду водню у газоповітряній суміші визнача­ємо за формулою

У

Мп Р-

У нашому випадку

36,45 р'

р

= 1,257-

рХ

29    Р - р * Р-рХ

де Мхв, Мп - молекулярні маси хлориду водню і повітря відповідно;  р - коефіцієнт Генрі для хлориду водню в залежності від температури, мм рт. ст.; X - відносна масова концентрація хлориду водню у воді; р* - парціальний тиск хлориду водню над водни­ми розчинами, мм рт. ст.; П - загальний тиск газоповітряної суміші, мм рт. ст. 8. Результати розрахунків параметрів процесу абсорбції подані в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Розрахункові дані щодо розчинності хлориду водню у воді

X, кг НСІ /кг Н20

0,005

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

і, оС

21,47

22,94

25,88

28,8

31,76

34,7

р,   мм рт. ст.

2108

2130

2160

2180

2220

2240

р*, мм рт. ст.

10,54

21,3

43,2

65,4

88,8

112

У, кг НСІ/кг повітря

0,015

0,030

0,062

0,097

0,135

0,176

 

 

 

 

1

А

 

 

 

----

 

 

і

 

ґ(х)

 

 

 

у'іх+ь

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

//

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пш1

Ун -УК   0,15-0,006

X,,.

кр

0,0437

9. За даними табл. 2.1 побудована крива рівноваги Ур = / (X) для конкрет­них умов процесу абсорбції хлориду во­дню у воді, а також розраховані рівнова­жна і кінцева концентрації соляної кис­лоти та побудована робоча лінія для про­цесу абсорбції за умовами задачі.

Рівноважна і робоча лінії процесу аб­сорбції подані на рис. 2.10.

Рис. 2.10 - Крива рівноваги та робоча лінія процесу абсорбції хлориду водню водою

10. Мінімальна питома витрата абсор­бенту у процесі абсорбції складає

3, 295 кг води/кг хлориду водню

де Хкр - рівноважна кінцева концентрація хлориду водню в абсорбенті, Хкр = 0,0437.

11. Робоча кінцева концентрація хлориду водню в абсорбенті за умовами задачі складає ХК = 0,95 Хкр = 0,95 -0,0437 = 0,0415 кг хлориду водню / кг води

12. Робоча питома витрата абсорбенту для процесу абсорбції складає

І = (Ун - УК) /ХК = (0,15 - 0,006) / 0,0415 = 3,47 .

13. Кількість поглиненого хлориду водню в процесі абсорбції складає

Мхв = Ь (ХК - Хн) = Ь (ХК - 0) = 1274,5 кг/г , при цьому повна витрата абсорбенту складає

Ь = Мхв /Хк = 1274,5 / 0,0415 = 30710,84 кг/г .

Відповідь: 1. Кінцева концентрація хлориду водню в абсорбенті складає ХК = 0,0415 кг хлориду водню/ кг води. 2. Витрата абсорбенту (води) складає Ь = 30710,84 кг/г.

2.5 Принципові схеми абсорбції, зображення процесів на діаграмах рівноваги

У технологічних абсорбційних установках застосовують такі прин­ципові схеми взаємодії потоків: протитечійні, прямотечійні, односту-пінчасті й багатоступінчасті з рециркуляцією газу або рідини, та ін.

Схеми руху потоків і зображення процесів на діаграмах У - Х для протитечійної і прямотечійної абсорбції показані на рис. 2.11.

а     Хк 6 х"

Рис. 2.11 - Схеми і діаграми процесів однокомпонентної абсорбції:

а - протитечійної; б - прямотечійної: 1 - крива рівноваги; 2 - робоча лінія процесу

При протитечійній взаємодії потоків (рис. 2.11, а) абсорбент пода­ється в апарат зверху й під дією гравітаційних сил рухається донизу, взаємодіючи на контактних пристроях з потоком газу, що рухається знизу угору. При протитечійній взаємодії потоків компонент, що по­глинається, вилучається з газової фази найбільшою мірою, та при цьо­му може бути досягнута досить низька концентрація ПР в очищеному газі, що відводиться зверху колони. Крім того, звичайно досягається найбільш висока кінцева концентрація ПР в абсорбенті, що відводиться знизу колони, тому протитечійну абсорбцію застосовують для одер­жання висококонцентрованих розчинів. У схемах із протитечійною аб­сорбцією питома витрата абсорбенту звичайно менша, ніж в інших схемах, однак при цьому число контактних елементів помітно більше.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38 


Похожие статьи

А П Врагов - Гідромеханічні процеси та обладнання хімічних і нафтопереробних виробництв

А П Врагов - Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах высаливающей и испарительной кристаллизации

А П Врагов - Массообмінні процеси та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв