- •4. Примеры 59
- •Глава 1.
- •8. Основные диффузионные критерии подобия установившихся процессов массоотдачи.
- •При отсутствии экспериментальных данных коэффициент диффузии (молекулярной) газа а в газе в (или газа в в газе а) может быть вычислен по формуле:
- •Коэффициент диффузии в жидкости Dж при 20с можно вычислить по приближенной формуле:
- •Материальный баланс абсорбера (рис. 1.2).
- •Определение диаметра насадочного абсорбера.
- •Определение высоты насадочного абсорбера.
- •Примеры
- •Критериальные формулы для расчета коэффициентов массоотдачи в насадочных абсорберах с неупорядоченной насадкой (навалом) при пленочном режиме.
- •II. В условиях равновесия с газовой фазой, в которой парциальное давление ацетилена равняется 107 мм рт. Ст., вода по закону Генри должна иметь концентрацию ацетилена (в мольных долях):
- •2) Для определения числа единиц переноса методом графического интегрирования по данным табл. 1.4 и рис. 1.6 составляем табл. 1.5.
2) Для определения числа единиц переноса методом графического интегрирования по данным табл. 1.4 и рис. 1.6 составляем табл. 1.5.
По данным последней таблицы строим график 1/(Y-Y)=f(Y) -рис. 1.7. Подсчитываем на этом графике отмеченную штриховкой площадь (например методом трапеций)
Т а б л и ц а 1.5
|
X |
Y |
Y |
Y-Y |
|
|
0 |
0,003 |
0 |
0,003 |
333 |
|
0,005 |
0,0097 |
0,0045 |
0,0052 |
193 |
|
0,010 |
0,0165 |
0,0102 |
0,0063 |
159 |
|
0,0125 |
0,0200 |
0,0138 |
0,0062 |
161 |
|
0,015 |
0,0234 |
0,0183 |
0,0051 |
196 |
|
0,020 |
0,0300 |
0,0273 |
0,0027 |
371 |
Величина этой площади
(5,83) дает значение интеграла
,
т. е. число единиц переноса n0у.

Рис 1.7 Определение числа единиц переноса методом графического интегрирования (к примеру 1.10).
Пример 1.11. Определить теоретически минимальный расход жидкого поглотителя с мольной массой 224 кг/кмоль, необходимый для полного извлечения пропана и бутана из 1000 м3/ч (считая при нормальных условиях) газовой смеси. Содержание пропана в газе 15% (об.), бутана 10% (об.). Температура в абсорбере 30С, абсолютное давление 3 кгс/см2 (294 кПа). Растворимости бутана и пропана в поглотителе характеризуются законом Рауля.
Р е ш е н и е . Максимальная концентрация (мольная доля) пропана в поглотителе, вытекающем из скруббера (равновесная с входящим газом), определяется по уравнению (1.8):
,
где Рп=981 кПа (10 кгс/см2)-давление насыщенного пара пропана при 30С.
Количество содержащегося в газовой смеси пропана, которое требуется поглощать:
Gп=Vyп/22,4=10000,15/22,4=6,7 кмоль/ч.
Минимальный расход поглотителя для поглощения пропана определяется из уравнения:
,
откуда
кмоль/ч,
или 142224=31 800 кг/ч.
Наибольшая возможная концентрация бутана в поглотителе, вытекающем внизу из скруббера:
,
где Рб=265 кПа (2,7 кгс/см2)- давление насыщенного пара бутана при 30С.
Количество поглощаемого бутана:
Gб=Vyб/22,4=10000,1/22,4=4,47 кмоль/ч.
Минимальный расход поглотителя для поглощения бутана:
Lмин=Gб(1-хб)/хб=4,470,89/0,11=36,1 кмоль/ч.
Минимальный расход поглотителя для полного поглощения бутана значительно меньше, чем для поглощения пропана, следовательно, найденным выше количеством поглотителя (142 кмоль/ч) бутан будет полностью уловлен.
Пример 1.12. Определить коэффициент массоотдачи для газовой фазы в насадочном абсорбере, в котором производится поглощение диоксида серы из инертного газа (азота) под атмосферным давлением. Температура в абсорбере 20С, он работает в пленочном режиме. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,35 м/с. Абсорбер заполнен кусками кокса (=42 м2/м3, Vсв=0,58 м3/м3).
Р е ш е н и е . По уравнению (1.45):
,
где
;
=1,16
кг/м3;
г=0,17510-3
Пас
(рис. VI).
Коэффициент диффузии Dг принимаем такой же, как в воздухе.
Имеем:
Dг=10,310-6(293/273)1,5=11,4510-6 м2/с (табл. XLII);
.
Диффузионный критерий Нуссельта:
Nuг=гdэ/Dг=0,40722100,6551,320,33=69.
Эквивалентный диаметр:
dэ=4Vсв/=40,58/42=0,055 м.
Коэффициент массоотдачи:
г= NuгDг/dэ =6911,4510-6/0,055=14410-4 м/с.
Пример 1.13. Из критериального уравнения (1.45) вывести расчетную формулу для определения высоты единицы переноса по газовой фазе.
Р е ш е н и е . Из уравнения (1.12)
,
В котором Ку, у и х выражены в кмоль/(м2с), получаем

или в соответствии с уравнением (1.43) при =1
.
Здесь G и L -мольные расходы газа и жидкости, кмоль/с; S-поперечное сечение абсорбера, м2; -удельная поверхность насадки, м2/м3; hy=G/(yS)-высота единицы переноса для газовой фазы, м; hx= L/(xS)-то же для жидкой фазы, м.
В критериальном уравнении (1.45)
Nuг=0,407Reг0,65(Prг)0,33,
где
,
коэффициент массоотдачи г
выражен в
=м/с.
Соотношение между у и г находим из уравнения:
уу=гСу,
откуда
(см
табл. 1.2.)
Тогда
и
,
где
- фиктивная скорость, м/с.
Подставляя найденное значение г в выражение для диффузионного критерия Нуссельта, получаем:

и из уравнения (1.45):
hy=0,615dэReг0,345(Prг)0,67.
Пример 1.14. В скруббере с насадкой из керамических колец 50 50 5 мм (навалом) производится поглощение диоксида углерода водой из газа под давлением рабс=16 кгс/см2 (1,57 Мпа) при температуре 22С. средняя мольная масса 20,3 кг/моль, динамический коэффициент вязкости газа при рабочих условиях 1,3110-5 Пас, коэффициент диффузии СО2 в инертной части газа 1,710-6 м2/с. Средняя фиктивная скорость газа в скруббере 0,041 м/с, плотность орошения (фиктивная скорость жидкости) 0,064 м3/(м2с). Определить общую высоту единицы переноса h0у, принимая коэффициент смоченности насадки равным единице.
Р е ш е н и е . Общая высота единицы переноса (см. предыдущий пример):
.
Находим hy-высоту единицы переноса для газовой фазы:
hy=0,615dэReг0,345(Prг)0,67.
Характеристики насадки Vсв=0,785 м3/м3 и =87,5 м2/м3 берем из табл. XVII. Таким образом,
м;
.
Здесь
кг/м3;

Высота единицы переноса для газовой фазы:
hy=0,6150,035919200,3450,5750,67=0,205 м.
Находим hx -высоту единицы переноса для жидкой фазы по формуле
hх=119прReж0,25(Prж)0,5,
полученной из уравнения (1.46) так же, как в предыдущем примере из уравнений (1.45) получено выражение для hy.
Значения физико-химических свойств для воды при 22С: ж=1000 кг/м3; ж=0,95810-3 Пас (пз табл. VI); Dж=1,8710-9 м2/с (табл. XLIII).
Приведенная толщина жидкой пленки:
м.
По условию плотность орошения:
м3/(м2с),
где Lm-массовый расход жидкости, кг/с.
Массовая плотность орошения:
Lm/S=0,064ж=64 кг/(м2с).
По уравнению (1.50):

.
Высота единицы переноса для жидкой фазы:
hx=1194,5510-530600,255120,5=0,91 м.
Находим отношение мольных расходов газа и жидкости G/L. Из уравнения расхода для газа =GMг/(гS) получаем:
G/S=г/Mг=0,04113,4/20,3=0,0271 кмоль/(м2с).
Для жидкости:
кмоль/(м2с).
Отсюда
G/L=0,0271/3,56=0,00761.
Коэффициент распределения m в уравнении (1.12):
-см.
уравнение (1.3),
где коэффициент Генри Е=1,144106мм рт. ст. (при 22С) получен интерполяцией данных табл. XLI.
Общая высота единицы переноса:
h0y=hy+
hx=0,205+97,30,007610,91=0,205+0,675=0,88
м.
Пример 1.15. По данным примера 1.8 определить число единиц переноса в абсорбере с учетом обратного (продольного) перемешивания.
Р е ш е н и е. Число единиц переноса для условий идеального вытеснения, т. е. без учета обратного перемешивания, составляет:
n0y=(Yн-Yв)/Yср=(0,0639-0,00128)/0,0079=7,93.
Искомое число единиц переноса с учетом обратного перемешивания n0y находим из уравнения
,
в котором поправка на обратное перемешивание nобр равняется:
.
где А=
;
Ф=1-
.
Значение критерия Peпр вычисляют по уравнению:
.
Здесь
;
;
,
Peм.ж=жН/Еж
- модифицированные
критерии Пекле для газа и жидкости; г,
ж
- скорости
потоков газа и жидкости, м/с; Ег
,Еж -
соответствующие коэффициенты обратного
перемешивания, м2/с;
Н - рабочая длина аппарата, высота слоя
насадки, м.
По данным примера 1.8 находим:
,
;

Примем предварительно n0y=9. Тогда
;
.
Для определения скоростей газа и жидкости (г и ж) необходимо найти доли поперечного сечения абсорбера, занимаемые каждым потоком в отдельности. Долю объема насадки , занятую жидкостью, рассчитаем по уравнению:
=4,8310-4Г0,435/dэ0,24,
в котором
Г=
кг/(см)
dэ=4Vсв/=40,74/204=0,0145 м.
Подставляя эти значения, находим:
=4,8310-42040,01140,435/0,01450,.24=0,039.
Скорость течения жидкости в слое насадки:
м/с
Скорость газа:

м/с.
Величины коэффициентов обратного перемешивания Еж и Ег находят опытным путем. для ориентировочного их определения в насадочном абсорбере воспользуемся критерильными уравнениями.
Для жидкой фазы:
жdн/Еж=7,5810-3Reж0,703.
Для газовой фазы:
гdн/Ег=2,
4
.
В этих уравнениях:
;
,
где dн - номинальный размер элементов насадки, м.
В нашем случае:
;
.
Для жидкой фазы:
жdн/Еж=7,5810-3 580,703=13010-3.
Коэффициент обратного перемешивания в жидкой фазе:
Еж=жdн/0,13=0,060,025/0,13=0,0116 м2/с;
Peм. ж.=жН/Еж=0,0616,8/0,0116=87.
Для газовой фазы:
.
Коэффициент обратного перемешивания в газовой фазе:
Ег=гdн/0,403=1,670,025/0,403=0,104 м2/с;
Peм. г.=гН/Ег=1,6716,8/0,104=270.
Приведенный критерий Пекле:

;
.
Поправки на обратное перемешивание:

.
Число единиц переноса с учетом обратного перемешивания:
,
что близко к значению n0y=9, принятому в начале расчета.
* Коган В.Б. и др. Равновесие между жидкостью и паром. Кн 1,2/В.Б.Коагн, В.М.Фридман, В.В.Кафаров. – М.; Л.; Наука, 1966. 640-786 с.
См., например, данные о равновесных концентрациях в табл. XLVII.
Иногда
пишут
или

При расчете мольного объема химического соединения величину соответствующей структурной постоянной надо прибавить к сумме атомных объемов.
* Рамм В. М. Абсорбция газов.-М.: Химия, 1976. 655с.
* * Рамм В. М. Абсорбция газов.-М.: Химия, 1976. 655с.

