Рассчитать диаметр и высоту насадочной колонны для абсорбции газообразного компонента водой из воздуха

Объемный расход газа на входе в аппарат при рабочих условиях:
Vн=V0∙P0∙TP∙T0=400∙0,1∙(273+40)2∙273=22,93м3ч=0,00637м3с.
Мольная масса газовой смеси на входе в аппарат:
Мсм=Мк∙Yн+Мг1+Yн=160∙0,08+291+0,08=38,7кгкмоль,
где Мк=160 – мольная масса брома, кг/кмоль;
Мг=29-мольная масса газа-носителя (воздуха), кг/кмоль.
Плотность газовой смеси на входе в аппарат:
ρсм=Мсм22,4∙P∙T0P0∙T=38,722,4∙2∙2730,1∙313=30,14кгм3.
Мольный расход газа-носителя (инерта):
G=Vн∙ρсмМсм∙1+Yн=0,00637∙30,1438,7∙1+0,08=0,00459кмольс.
Массовый расход газа на входе в аппарат:
Gm=Vн∙ρсм=0,00637∙30,14=0,192кгс.
Количество поглощенного брома при заданной степени извлечения:
М=G∙Yн∙η=0,00459∙0,08∙0,8=0,0003кмольс.
Относительная концентрация брома в газе, покидающем аппарат:
Yк=G∙Yн-МG=0,00459∙0,08-0,00030,00459=0,015кмолькмоль инерта.
Начальная концентрация брома в мольных долях:
ун=Yн1+Yн=0,081+0,08=0,074кмолькмоль смеси.
Конечная концентрация брома в газе:
Yн=Yн·(1-η)=0,08·(1-0,8)=0,016.
Конечная концентрация брома в мольных долях:
ук=Yк1+Yк=0,0161+0,016=0,0158кмолькмоль смеси.
Парциальное давление распределяемого компонента в газе на входе в аппарат составит:
рн=2∙ун=2∙0,074=0,148 МПа.
Равновесная концентрация распределяемого компонента в жидкости, соответствующая условиям газа на входе в аппарат, может быть определена согласно закону Генри:
хн*=рнЕ=0,14813,47=0,011 кмоль бромакмоль смеси,
где Е=0,101·106 мм рт.ст.=13,47 МПа – константа Генри для водного раствора брома при температуре 400С.
Переведем мольную концентрацию в относительную мольную:
Хн*=хн*1-хн*=0,0111-0,011=0,011кмолькмоль инерта.
Найдем минимальный расход орошающей жидкости:
Lmin=MХн*-Xн=0,00030,011-0=0,027кмольс.
Примем расход воды на орошение колонны с избытком 35%:
L=1,35∙Lmin=1,35∙0,027=0,036кмольс.
Массовый расход воды на входе в колонну:
Lm=L∙Мж=0,036∙18=0,648кгс,
где Мж=18 кг/кмоль – мольная масса воды.
Содержание брома в воде, покидающей аппарат, в соответствие с балансом составит:
Хк=М+L∙ХнL=0,0003+0,036∙00,036=0,0083
Принимаем насадку из керамических колец Рашига размером 15×15 мм, засыпаемую в навал и имеющую удельную поверхность а=330 м2/м3 и свободный объем ε = 0,7 .
Оцениваем скорость захлебывания по уравнению:
lgwпр2∙а∙ρгg∙ε3∙ρж∙μж0,16=А-В∙LmGm0,25∙ρгρж0,125,
где ρж=992 кг/м3 – плотность воды при температуре абсорбции 400С;
μж=0,6560∙10-3 Па∙с - вязкость воды при температуре абсорбции 400С;
А=0,02, В=1,62 – коэффициенты для керамических колец Рашига.
Подставив численные значения, получим:
lgwпр2∙330∙30,149,81∙0,73∙992∙(0,6560∙10-3)0,16=0,02-1,62∙0,6480,2470,25∙30,149920,125→wпр=0,193 м/с
Рабочую скорость газа в абсорбере определим по соотношению:
w=0,8∙wпр=0,8∙0,193=0,154 м/с
Диаметр абсорбера из уравнения расхода равен:
D=4∙Vнπ∙w=4∙0,006373,14∙0,154=0,230 м
Принимаем диаметр абсорбера из стандартного ряда D=0,4 м (400 мм) и уточняем рабочую скорость газа в аппарате:
wр=4∙Vнπ∙D2=4∙0,006373,14∙0,42=0,051 м/с
Плотность орошения в аппарате:
U=4∙L∙Mжρж∙π∙D2=4∙0,036∙18992∙3,14∙0,42=0,0082 м3м2∙с
Минимальная плотность орошения для насадочного абсорбера:
Umin=a∙qэф=330∙0,022∙10-3=0,0073м3м2∙с<U=0,0082 м3м2∙с,
где qэф - эффективная линейная плотность орошения, м2/с. Для большинства нерегулярных насадок qэф= 0,022⋅10–3 м2с.
Следовательно, насадка орошается нормально.
Доля активной поверхности насадки:
ψа=3600∙Uа∙b+3600∙r∙U=3600∙0,0082330∙0,0367+3600∙0,0086∙0,0082=0,308
Определим равновесные значения концентраций в газовой фазе на входе и выходе аппарата по формуле:
у*=mpx∙xP,
где mpx=14 МПа-константа фазового равновесия для водного раствора брома при температуре 400С.
у*н=mpx∙xкP=14∙0,00832=0,058;
у*к=mpx∙xнP=14∙02=0.
Равновесная линия для процесса абсорбции брома при заданной температуре близка к прямой, поэтому среднюю движущую силу процесса абсорбции определим по формуле:
∆уср=ун-у*н-ук-у*кlnун-у*нук-у*к=0,074-0,058-0,0158-0ln0,074-0,0580,0158-0=0,016