методичка по ПАХТ для курсовой
.pdf
Коэффициент теплопередачи
K = |
|
1 |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
= 500 Вт/м2К |
||
1 |
|
+ ∑r + |
|
1 |
|
|
1 |
|
+ 0,000388 + |
|
1 |
|
|||||||
|
α |
|
α |
|
8920 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
ст |
|
2 |
|
|
667,5 |
|
|
||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Требуемая площадь теплообмена |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
Fр |
= |
|
Q |
|
= |
|
695048 |
= 23, 64 м2. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
KDtср |
500 ×58,8 |
||||||||||||||
Запас поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
D = |
|
F − Fр |
×100% = |
31 - 23, 64 |
×100% |
= 23, 7% < 30% |
|||||||||||||
|
F |
|
|
|
31 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Выбираем тип теплообменника Удельный тепловой поток
q = Q = KDtср = 500 ×58,8 = 29400 Вт/м2 F
tст1 = tконд - |
q |
= 110, 7 - |
29400 |
= 107, 4 °C |
a1 |
|
|||
|
8920 |
|
||
tст2 = tст1 - q∑r = 107, 4 - 29400 ×3,8 ×10−4 = 95 °C
Средняя температура трубок
t |
|
= |
tст1 + tст2 |
= |
107,4 + 95 |
= 970 С (К) |
|
тр |
|
|
|
||||
|
2 |
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
||||
t = tкож - tтр = 110,7 - 97 = 13,7 0 С (К) < 30(К) .
Соответственно выбираем по диаметру теплообменник жесткой конструкции типа ТН (табл. XXXV, c. 534 /3/).
71
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Пример решения заданий 41-50.
Рассчитать высоту насадки H насадочного абсорбера для поглощения паров этанола водой из воздуха при t = 20˚C и Р = 760 мм. рт. ст. от ун =1,0 (моль.%) до ук =0,01 (моль.%). Расход
инертной |
части газовой смеси при нормальных условиях |
V = 4м3 |
/ с. Начальная концентрация абсорбтива в воде Хн = 0. |
0 |
|
Принять расход воды L = 1,5·Lmin; рабочую скорость газа в аппарате равной 80 % от скорости захлебывания. Коэффициент распределения m=1,08. В качестве насадки использовать кольца Палля (стальные неупорядоченные) размером 25 × 25 × 0,6 (мм) .
Характеристики насадки: |
σ = |
235 м2/м3; |
V |
|
= 0,9 м3/м3; |
|
|
|
cв |
|
|
dэ=0,015м. Доля активной поверхности насадки φ = 0,95. |
|||||
Геометрические размеры |
колонного |
массообменного |
|||
аппарата определяются |
в |
основном |
|
поверхностью |
|
массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.
Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи :
F = |
M |
= |
M |
, |
_ |
_ |
|||
|
Kx ×D Xcp |
|
Ky ×D Ycp |
|
где: М – количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, кг/с; K x , K y - коэффициенты массопередачи соответственно по
_ _
жидкой и газовой фазам, кг/(м2с); D Хср , D Yср - средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно, кг/кг.
72
Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя.
Обозначим: А - абсорбтив, В – инертный газ, С –
абсорбент. YH - начальная относительная массовая
концентрация абсорбтива в газовой фазе; YK - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе; XH = 0 - начальная относительная массовая концентрация
абсорбтива в жидкой фазе; XK - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе.
Расход поглощаемого компонента (этанола) М переходящего из газовой смеси в поглотитель можно найти из уравнения материального баланса
_ |
_ |
_ |
_ |
M = G ×(Yн |
- Yк ) = L ×(Xк |
- Xн ) , |
|
где L , G - расходы, соответственно, чистого поглотителя
_ _
(воды) и инертной части газа (воздуха), кг/с; Xн , Xк - начальная и конечная относительные массовые концентрации этанола в
_ _
воде, кг этанола/кг воды; Yн , Yк - начальная и конечная относительные массовые концентрации этанола в воздухе, кг этанола/кг воздуха.
Пересчитаем мольные концентрации yH , yK |
в |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относительные массовые концентрации YH , YK по формуле: |
|
||||||||
|
|
|
y × MA |
|
|
|
|
|
|
Y = |
, |
|
|
|
|
|
|||
(100 − y)MB |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где y - концентрация, |
выраженная в мольных процентах; |
||||||||
MА , MB − мольные массы абсорбтива и инертного газа) |
|
||||||||
ун = 1,0 моль% ; |
ук = 0,01 моль% ; |
|
|||||||
73
_ |
= |
|
|
уН × МА |
|
= |
1,0 × 46 |
|
|
= |
0,01 |
=0,016 кг / кг |
||||||||||||
Yн |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
(100 - уН )МВ |
|
(100 -1,0)29 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0,99 |
|
|
|||||||||||||||
_ |
= |
|
|
ук × МА |
|
= |
|
0,01× 46 |
|
|
= |
0,0001 |
= |
|||||||||||
Yк |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
(100 - ук )МВ |
(100 - 0,01)29 |
0,9999 |
||||||||||||||||||||
=0,000159кг / кг× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ |
||||||
Начальная концентрация этанола в воде Xн = 0 . |
||||||||||||||||||||||||
Уравнение равновесной линии в относительных |
||||||||||||||||||||||||
массовых концентрациях: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
= m′ |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Y* |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
где |
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
m |
- коэффициент распределения; |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m′ = m |
MC |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MB |
||||||||
Где МС = мольная масса абсорбента. |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
m¢ = m |
MC |
= 1,08 |
18 |
= 0,67 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M B |
29 |
|
|
|
||||||
Определим Lmin - минимальный расход абсорбента из уравнения :
|
|
|
|
|
|
− |
|
) |
|
|
Lmin |
= |
|
G(YH |
YK |
. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
X*K |
||||||
где G - массовый расход инертного газа (воздуха): |
||||||||||
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|||
G = V0ρ , |
|
|
|
|
|
|||||
ρ - плотность инертного газа (воздуха) при условиях в
абсорбере; V′ - объемный расход инертного газа (воздуха) при
0
условиях в абсорбере:
( t = 200С ; Р = 760 мм.рт.ст = 0,1МПа).
74
Приведем объемный расход инертного газа (воздуха) к
условиям в абсорбере:
|
|
|
V' = V × |
(T0 + t) |
× |
P0 |
= 4,0 |
293 |
× |
0,1 |
= 4,293м3 , |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
0 |
0 |
T0 |
P |
273 0,1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
где |
V |
- |
объемный расход |
воздуха, |
м3/с; |
V = 4 м3 / с |
(по |
|||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
заданию); |
T = 2730 С ; t = 200 С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пересчитаем плотность инертного газа (воздуха) на |
|||||||||||||||||
условия в абсорбере: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
rГ =r0Г × |
|
|
T0 |
× |
P |
, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
(T + t) |
P |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||
где ρ0Г - плотность воздуха при нормальных условиях (00С, 760
мм.рт.ст =0,1МПа); t |
- |
температура |
в абсорбере ,0С, |
P |
- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
нормальное давление (760 мм рт. ст.=0,1 МПа); P - давление в |
||||||||||
абсорбере, МПа; |
r |
= 1,293 кг/м3- |
плотность |
воздуха |
при |
|||||
|
|
0Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
нормальных условиях /3/; |
T = 2730 С; |
t = 200 С ; |
P = 0,1МПа ; |
|||||||
P = 0,1МПа ; |
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
rГ =1,293× |
|
273 |
× |
0,1 |
=1,293×0,93×1=1,205кг/ м3 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
(273 + 20) |
0,1 |
|
|
|
|
|||||
Определим массовый расход инертного газа (воздуха) по формуле:
G = V0' ×rг = 4,293 ×1,205 =5,173 кг / с
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту (этанолу):
_ |
_ |
|
|
M = G × (Yн |
- Yк ) = 5,173 |
×(0,016 |
- 0,000159) = 0,0819 кг / с . |
75
|
|
= |
YH |
= |
0,016 |
= 0,0239 |
кг |
. |
|
Определим X*K |
|||||||||
m¢ |
|
|
|||||||
|
|
|
0,67 |
|
с |
||||
Определим Lmin - минимальный расход абсорбента из
уравнения Lmin = G(YH − YK ) .
X*K
Расход абсорбента (воды) принимаем из условия:
L =1,5Lmin =1,5 ×3,429 = 5,143 кг .
с
|
|
B |
C |
Y |
|
|
|
H |
|
||
2 |
|
||
Yб |
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Y |
|
|
|
D |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Y |
K A |
|
|
|
|
|
|
||||||
YМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Y* |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Х |
|
|
ХК* |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Х |
Н |
К |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1. Равновесная (1) и рабочая (2) линии процесса абсорбции; АС - рабочая линия при L = Lmin
Конечную относительную |
массовую концентрацию |
|||||||||
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Xк определяем из уравнения материального баланса: |
||||||||||
|
|
К − |
|
|
|
|
|
|
|
|
M = Lmin (X |
Х |
Н ) =1,5Lmin (X |
к − ХН ) , |
|||||||
|
|
|
: |
|
|
|
|
|||
откуда конечная концентрация Хк |
|
|
|
|
||||||
76
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
XК |
+ 0,5ХН |
|
0,0239 |
|
кг |
|
|||||
Xк = |
|
= |
= 0,0159 |
, |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1,5 |
1,5 |
|
кг |
||||
где XК - относительная массовая концентрация этанола в жидкой фазе (воде), равновесная с концентрацией этанола в
___
газе; X н - начальная относительная массовая концентрация этанола в воде.
Удельный расход поглотителя равен:
L = |
L |
= |
5,143 |
= 0,994 |
|
|
|||
|
G 5,173 |
|
||
Расчет движущей силы процесса. В насадочных абсорберах жидкая и газовая фаза движутся противотоком. Движущую силу процесса определяем по уравнению /3/:
|
|
_ |
|
_ |
|
_ |
Yн − _ |
Yк , |
|
|
Yср = |
|||
|
|
ln |
Yн |
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Yк |
|
_ |
_ |
|
|
|
где Yн и |
Yк - большая и меньшая движущие силы на входе |
|||
потоков в абсорбер и на выходе из него, кг /кг.
Значение YH найдем по уравнению равновесной линии:
YН* = m¢Xк =0,67 ×0,0159 =0,01065кг / кг
Движущая сила абсорбции внизу колонны:
_ |
|
_ |
_ |
= 0,016 |
− 0,01065 |
= 0,00535кг/ кг. |
Y |
н |
= Yн − Y |
||||
|
|
н |
|
|
|
|
Движущая сила наверху колонны:
_ |
|
_ |
_ |
= 0,000159 − 0,0 = 0,000159 кг / кг . |
Y |
к |
= YК − Y |
||
|
|
К |
|
|
Средняя движущая сила процесса абсорбции:
77
|
= |
Yн |
− |
Yк |
= |
0,00519 |
= 0,00147 |
кг |
. |
|||||
Y |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
CP |
|
Yн |
3,52 |
|
кг |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
Ln |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Yк
Расчет скорости газа и диаметра абсорбера. Определим скорость в точке захлебывания или предельную скорость газа в насадочном абсорбере:
|
W2 |
× s × r |
г |
|
0,16 |
|
|
L 0,25 |
|||
lg |
з |
|
|
|
× m |
|
|
= A - B |
|
|
|
g × V |
3 |
× r |
|
ж |
|
||||||
|
|
ж |
|
|
|
G |
|||||
|
св |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0,125 |
|
|
|
rг |
|
, |
|
|||
× |
|
||
rж
где |
Wз - |
|
|
скорость газа в точке захлебывания, м/с; |
σ - |
удельная |
||||||||||||
поверхность насадки, м2/м3; |
V |
|
- доля |
свободного |
объема, |
|||||||||||||
м3/м3; ρ |
|
|
, ρ |
|
|
|
|
св |
|
|
|
|
|
|
||||
г |
ж |
- плотность газа и жидкости соответственно, кг/м3; |
||||||||||||||||
μ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ж |
- динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа.с; |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A, B - коэффициенты, зависящие от |
типа насадки; L, G - |
|||||||||||||||||
массовые расход жидкости и газа соответственно, кг/с. |
|
|||||||||||||||||
|
|
В рассматриваемом примере в качестве насадки |
||||||||||||||||
используются кольца Палля (стальные неупорядоченные). |
||||||||||||||||||
|
|
Возьмем наиболее используемые кольца Палля с |
||||||||||||||||
размером |
|
25 × 25 × 0,6 (мм) . |
Насадка |
из |
таких |
колец имеет |
||||||||||||
следующие |
|
характеристики: |
|
σ =235 |
|
м2/м3; V |
=0,9 м3/м3; |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
св |
|
|
dэ=0,015м. |
|
|
|
|
|
|
|
μ |
|
|
|
|
||||||
|
|
ρ |
г |
=1,205 кг/м3; ρ |
ж |
=998 кг/м3 ; |
ж |
=1,0 мПа·с; А=0,022 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(для насадок из колец и спиралей); В=1,75 /3/.
Wз2 |
× 235×1,205 |
0,16 |
|
|
5,143 |
0,25 |
|
1,205 |
0,125 |
|||||
lg |
|
|
|
|
×1 |
|
= 0,022 -1,75 |
|
|
|
× |
|
|
|
9,81× 0,9 |
3 |
× 998 |
5,173 |
998 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Откуда WЗ = 2,17 м/с.
78
Рабочая скорость газа в насадочном абсорбере:
W = (0,6 - 0,85) × WЗ . W = 0,85 ×WЗ= 0,85 × 2,17 =1,84 м/с.
Диаметр абсорбера находим по уравнению объемного расхода:
D = |
|
4 × V' |
|
= |
|
4 ×4,293 |
|
= 1,72 м, |
|
0 |
|
|
|
||||||
p× W |
3,14 ×1,84 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
где V0' - объемный расход воздуха при условиях в абсорбере,
м3/с.
Принимаем стандартный диаметр абсорбера 1,8 м и пересчитываем W с учетом стандартного диаметра
|
4V0 |
|
4 × 4,293 |
|
м/c. |
|
W = pD2 |
= |
3,14 ×1,82 = 1,687 |
||||
|
||||||
Расчет коэффициентов массоотдачи и коэффициента массопередачи. Коэффициент массопередачи Кy находим по аддитивности фазовых диффузионных
K y |
= |
|
1 |
|
+ m¢ / bЖ |
||
|
1/ bГ |
||
где bГ и bЖ - коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой
фазах соответственно, кг/м2.с; m′ - коэффициент распределения. Для газовой фазы /3/:
Nu¢Г = 0,407 Re0Г,655 × PrГ' 0,33 ,
где Nu 'Г - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы; ReГ - критерий Рейнольдса для газовой фазы; PrГ' - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
79
Nu'Г = by × dэ , отсюда by :
DГ
by = 0,407 DГ × Re0Г,655×PrГ' 0,33 ,
dэ
где DГ - коэффициент диффузии этанола в газовой фазе
(воздухе), м2/сек; dэ - эквивалентный диаметр насадки, м; ReГ -
критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; PrГ' - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
Критерий Рейнольдса :
ReГ |
= |
W × dЭ × r Г |
, |
|
|||
|
|
VСВ × mГ |
|
Приведем mГ к условиям в абсорбере:
m |
|
= m |
0 |
T0 |
|
× |
|
P |
=17,3 ×10−6 × |
|
273 |
× |
0,1 |
= |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Г |
|
Г |
(T + t) P |
(273 + 20) |
0,1 |
||||||||||
|
|
|
|
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
=17,3 ×10−6 × 0,93 ×1 = 16,2 ×10−6 Па × с |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
Re Г |
= |
1,687 × 0,015 ×1,205 |
= 2091 . |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 ×16,2 ×10−6 |
|
|
|
|
|||
Критерий Прандтля: |
μГ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Pr' = |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
rГ × DГ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Приведем DГ к условиям в абсорбере:
0 |
|
P |
|
T |
1,5 |
|
DГ = DГ |
× |
0 |
|
|
|
, |
|
|
|||||
P |
× |
|
|
|||
|
|
T0 |
|
|
||
80