Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1

.pdf

Скачиваний:

266

Добавлен:

20.11.2023

Размер:

28.73 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2930 / 5830 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 > Следующая >>>

Здесь ф > 1 — коэффициент избытка поглотителя;	LMtm — теоретически
Минимальный расход поглотителя, определяемый графическим (см. рис. 6.3)
нли аналитическим путем:
LМ ИН —	(6.30)

Степенью поглощения (или извлечения) называется величина

			сп							(6.30а)
12.		Средняя движущая сила в абсорбере с непрерывным кон
тактом фаз.
В	общем уравнении массопередачи
				F			м			(6.31)
				F	Ку АКср					(6.31)
					Ку АКср
\|где	F — поверхность			массопередачи в абсорбере, м2;						М — рас
ход поглощаемого компонента,						кг/с;		Kg — коэффициент массо-
		_______ кг_______ \
передачи, м2>с______м______ } средняя движущая сила ДКср опре-
		кг инертного газа/
деляется		следующим		образом.
Если		в пределах от Х в до Хи					(рис.	6.3) линия равновесия пря
мая,	то
					АКН— АК-					(6.32)
					2,3 Ig (AKfl/AKв)				’	(6.32)
					2,3 Ig (AKfl/AKв)				’
где ДКн и_ДКв_— концевые^движущие силы; ДКН=									Ки — Ун	низу абсор
бера при X = Хп\			АКВ=	Кв — Y* — на верху абсорбера при X						= Х в*
Когда		отношение		ДКе и AYB находится в пределах
				0,5 <	АКН/АКВ <			2,
среднюю движущую силу в абсорбере можно рассчитывать по
более	простой		формуле:
				АКСр == (ДКя + А ^ » )/2 .						(6.3Э)
Если	же	линия	равновесия		не	прямая, то
				АКСр =	У н - У в					(6.34)
				АКСр =	Y„		_			(6.34)
					н		_
					г		d Y
					J		Ÿ - Ÿ *

Величину интеграла в знаменателе последнего уравнения на ходят графическим построением или методом графического ин тегрирования. Другой метод расчета при криволинейной линии

равновесия: разбивают равновесную линию на участки, принимае мые приближенно за отрезки прямых, и для каждого участка в от дельности определяют среднюю движущую силу по уравнению (6.32) или (6.33).

При расчетах абсорберов движущую силу часто выражают в единицах давления — см. пример 6.9.

13. Определение диаметра насадочного абсорбера.

Диаметр абсорбционной колонны D (в м) рассчитывают по уравнению расхода для газового потока:

где V — расход газа, проходящего через абсорбер, м3/с; ш — скорость газа, отнесенная к полному поперечному сечению колонны (фиктивная), м/с.

Скорость газа w находят следующим путем.

Сначала рассчитывают фиктивную скорость газа w3 в точке захлебывания (инверсии) по уравнению (при рж рр):

Здесь о — удельная поверхность насадки, м2/м8; g — ускорение свободного падения, м/с2;, VCB — свободный объем насадки, м^м3; рг и рж — плотности газа и жидкости, кг/м3; рж — динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа-с;

I и G — массовые расходы жидкости и газа,	кг/с;	А = 0.022 для насадки из
колец или спиралей [6.3], для рекгификации	А =	— 0,125.

Затем определяют рабочую скорость газа w (фиктивную),

принимая для абсорберов,	работающих	в пленочном режиме
w =	(0,75 ~ 0,9) wb	(6.37)

14. Определение высоты насадочного абсорбера, а) Через высоту единицы переноса (ВЕП).

Поверхность контакта фаз в абсорбере при пленочном режиме работы:

F = Ян5оф,

(6.38)

где Нн — высота слоя насадки, м; S = л 0 2/4 — площадь поперечного сечения колонны, м2; D — диаметр колонны, м; а — удельная поверхность сухой насадки, м2/м8; ф — коэффициент смоченности насадки, безразмерный — расчет вели чины этого коэффициента см. [6.3].

Высота слоя насадки:

Иа	G	{	dY	(6.39)
	KySoty	J	у - Г у * ** П°уп°у

Здесь G — постоянный по высоте колонны расход инертного газа, кг/с или

кмоль/с; Ку — средний коэффициент массопередачи, кг^ ^м2*с кг и^ёр^ного газа)

_		/(	кг		\
_	____ / > _		кг		\	h0y — высота	единицы переноса, м-
или	кмоль		кг инертного газа			h0y — высота	единицы переноса, м-
			кг инертного газа
				hoy = • KySoq ;			(6.40)

	н	_
		Ÿ# •	(6.40а)
Из уравнения (6.34)	следует:
у	— в	Кв)/АКср.	(6*41)

При прямолинейной равновесной зависимости среднюю движу

щую силу ДŸep рассчитывают по уравнению (6.32) или (6.33), при криволинейной равновесной зависимости число единиц пере носа п0у находят графическим построением или методом графи ческого интегрирования — см. пример 6.10.

Объемным коэффициентом массопередачи Kyv называют ве личину

	Kuv =	KyCty =	К уа9	(6.42)
где а =	оф — удельная смоченная	(активная)	поверхность	насадки, м2/м3; при
t) = 1	а — о.

Применяя объемный коэффициент массопередачи, получаем

для	высоты	единицы	переноса:
		и		G			G
			0 у ~	KySoq	”	~KyVS		'	(6‘43>
б)	Через	высоту,	эквивалентную				теоретической		тарелке
(ВЭТТ).
Высота слоя насадки				Я н может		быть		рассчитана	также по
уравнению:
где h9 — высота, эквивалентная				Я н =	М	т>			(6.44)
где h9 — высота, эквивалентная				теоретической			тарелке (ВЭТТ) или теоретиче

ской ступени (ВЭТС), м (определяется по экспериментальным данным); лт —• число теоретических тарелок (ступеней изменения, концентрации).

Число теоретических тарелок — ступеней изменения концентрации в абсорбере определяют обычно гра фическим путем (рис. 6.4). На этом рисунке АВ — рабочая линия, по строенная по уравнению (6.27) или (6.28), ОС — равновесная линия.

15. Критериальные формулы для' расчета коэффициентов массоотдачи в насадочных абсорберах с неупо рядоченной насадкой (навалом) при пленочном режиме.

Рис. 6.4. Графическое определение числа сту пеней изменения концентрации (теоретических тарелок) в абсорбере.

а) Для газовой фазы:
				N X -0 ,4 0 7 Re?’654 (Ргг')°’33.						(6.45)
Здесь		Nu:	Dr		Rer =	оцг	Prl — —		Рг — коэффициент мае-
		г	Dr		г	оцг	р	рги г
соотдачи для газа,-----*М0ЛЬ—						= — ; Dr — коэффициент диффузии				поглоща-
			«	кмоль		с	1
			ма-с-----=—
					м3
емого компонента			в газе,		м2/с. Остальные обозначения — см. формулы (6.36) и
(6.38).
Уравнение			(6.45)		справедливо		при	значениях Re, от		10 до
10 000.
б) Для жидкой фазы:
					=	0,0021 Re^75 (Рг;)0'5,				(6.46)
где	№ж	Dw	Re			рг'	в	; рж — коэффициент массост*
	ж	Dw					Рж^ж
дачи	для	жидкости,		м/с;	бпр :	( ± к	\1/3 -	так	называемая	приведен

\Рж« /

ная толщина жидкой пленки, м; Dm — коэффициент диффузии поглощаемого компонента в жидкости, мг/с; L — массовый расход жидкости, кг/с.

Выражение для критерия Re>b получено следующим путем.

Обозначения — см. уравнения (6.36)			и (6.38).
Омываемый жидкостью периметр сечения абсорбера находим
из уравнения (6 38)*
П =	F (И и «	5оф.		(6.47)
Скорость течения пленки	жидкости через насадку:
	I	L		(6.48)
Шж' ПЛ~	РжИб	РжSO W ’		(6.48)
Шж' ПЛ~	РжИб	РжSO W ’
где б —всредняя толщина пленки, м.
Эквивалентный диаметр	жидкой	пленки:
dDJÎ = 4П6/П = 46.				(6.49)
Подставляя эти значения в выражение для критерия Re,K,
получаем:
_ wm нл^нлРж		__	4/	(6 50)
ж	Рж		•	(6 50)
ж	Рж		•

16. Определение диаметра и высоты тарельчатой абсорбцион ной колонны проводится так же, как и для тарельчатых ректифи кационных колонн — см. гл. 7. Диаметр тарельчатого абсорбера рассчитывают по уравнениям (7.16) и (7.17), Высоту тарельчатой части абсорбера Итопределяют по уравнению (7.18). Требуемое число тарелок находят графически с применением кинетических зависимостей для расчета коэффициентов массопередачи или

ВЕГ1. При приближенных расчетах для определения числа таре лок находят графически число ступеней изменения концентрации (рис. 6.4) и затем число тарелок п по уравнению (7.19).

ПРИМЕРЫ

Пример 6.1. Жидкая смесь содержит 58,8% (мол.) толуола и 41,2% (мол.) четыреххлористого углерода (ч. х. у.). Определить

относительную массовую концентрацию толуола X (в к^гт°л^ °^ )

иего объемную массовую концентрацию Сх (в кг/м3).

Ре ш е н и е . Относительная массовая концентрация толуола.

■у_____МТПЛ*___

М ч . X. У( 1 — х) ’

где А'!тол — мольная масса толуола (92 кг/кмоль); М^. х у — то же четырекклористого углерода (154 кг/кмоль), х — мольная доля толуола.

Имеем:

v	92-0,588		п осо	кг толуола
Л ^	IC4 Л	А <Л “	V\|Ouv	* ~~ ~	t	у
	154	0,412		кг ч х		у

Чтобы рассчитать объемную массовую концентрацию толуола

С„, необходимо знать плотносгь смеси рсм

Для расчета плотности

предварительно найдем массовую долю толуола х.

Г1о

табл. 6.2:

_ _

0,853

0,461.

* "

1 + Х “

1.853

по табл.

находим:

плотность толуола

ртол =

870

кг/м3,

плотность

четыреххлористого углерода

рч#х „ =

1630 кг/м3.

Считая, что изменение объема при

смешении не происходит,

е объем

смеси

равен

сумме

объемов

компонентов,

находим

объем

1 кг

смеси

0,461

0,539

0,862-10’3 ы \

870

1630

откуда

плотность

смеси:

Рсм =

1160 кг/м3.

0,862-10“3

Можно

рассчитать

рсм и так'

Рсм

____1 + Х

1 + 0,853

1160 кг/м3.

0,853

1630

Рч х у

Ртол

870

Объемная

массовая концентрация

толуола:

Сх = рх = 1160 0,461 = 535 кг/м3.

Пример 6.2. Воздух атмосферного давления при температуре 34 °С насыщен водяным паром. Определить парциальное давление воздуха, объемный и массовый % пара в воздушно-паровой смеси и его относительную массовую концентрацию, считая оба компо

нента смеси	идеальными	газами. Атмосферное давление
745 мм рт. ст.	Определить	также плотность воздушно-паровой

смеси, сравнить ее с плотностью сухого воздуха.

Р е ш е н и е. По табл. XXXVIII находим, что при / = 34 °С давление насыщенного водяного пара составляет 39,9 мм рт. ст. Это давление является парциальным давлением водяного пара рп в воздушно-паровой смеси, а парциальное давление воздуха равняется:

	рв =		П — ри =			745 — 39,9 «		705 мм рт. ст.
Мольная	(объемная)				доля		водяного	пара в смеси:
			у = Рд/П =				39,9/745 =	0,0535.
Массовая	доля		пара:
у =		Миу______					18-0,0535		= 0,0339.
	+		Л4В (1 — .,)				18-0,0535 + 29.0,9465

Относительная			массовая			концентрация:
	F =	1	— У	-	Ш	£ - - 0,0351 - ^ пара ■■.
					0,9661			кг воздуха

Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении:

		МврвТо		M u P U T Q	То
Рем — Рв + Рп —		22,4ГП0		22\|47,П0	22,47П0 (Мврв + МцРп> =
		273	(29-705+ 18-39,9) « 1,105 кг/м3.
	22,4-307-760
Можно рассчитать плотность смеси иначе.
Мольная	масса смеси:
М см = Мяу +		Мв (1 — у) =		18-0,0535 + 29-0,9465 =		28,4 кг/кмоль.
Плотность смеси при П =				745 мм рг. ст. и t =		34 °С:
п	_	МсмР^О		28.4-	745-273
Рем -		22,4П0Г		22.4-	= 1,105 кг/м3.
					760-307

Плотность сухого воздуха при тех же давлении и температуре:

Ре. в	м ви т 0	29-745-273	= 1,13 кг/м3.
	22,4П10	22,4-307-760

Пример 6.3. При температуре 25 °С приведены в соприкосно вение: воздух атмосферного давления, содержащий 14% (об.) ацетилена (С2Н2), и вода, содержащая растворенный ацетилен

р количестве: a)		0,29 *10~3 кг на 1			кг	воды; б) 0,153-10~3		кг на
1 кг воды. Определить: 1) из какой					фазы в какую будет перехо
дить ацетилен; 2)		движущую силу этого процесса перехода в на
чальный момент времени (в относительных мольных концентра
циях). Атмосферное давление 765 мм рт. ст. Равновесные кон
центрации ацетилена в газовой и в жидкой фазах определяются
законом	Генри.	Закон Генри		[уравнение (6.2)1:
Р е ш е н и е .
			р* =	Ех.
По табл. XLI находим? что при t =						25 °С коэффициент Генри
Е = 1,01 • 10е мм		рт. ст.				в воздухе по уравнению
Парциальное		давление ацетилена
(6. 1):
		р = уП = 0,14-765 = 107 мм рт. ст.
а) Мольная доля ацетилена в воде при X = 0 ,2 9 -10 3 кг
(табл. 6.2):
			0,29.10*»			18-0,29-10“3 = 0,2-10-3.
	X + -^Ü L		0,29-10-» +	- g -		26
	At,
Ответы на вопросы примера могут быть получены двумя пу
тями.	В условиях		равновесия парциальное				давление	ацетилена
I.
в газовой фазе над жидкостью с х =						0,2-10~3	по закону	Генри
должно составлять:
	р* =	Ех — 1,01 - 106-0,2-10_3 =				202 мм рт. ст.
Имеющееся в действительности над этой жидкостью парциаль
ное давление ацетилена меньше: р =					107 мм рт. ст. Чтобы в про

цессе массопередачи система газ—жидкость приближалась к со стоянию равновесия, парциальное давление ацетилена в газовой

фазе должно увеличиваться, т. е. он						будет переходить из воды
в	воздух.
	Движущая сила этого процесса перехода (отклонение от со
стояния равновесия)			в начальный		момент времени будет равна:
в	единицах	парциального		давления		ацетилена
		Ар = р* — р =		202 — 107 =		95 мм рт. ст.;
в мольных долях					%
в мольных долях			202
			202				0,14 = 0,124;
		АУ= у*—У = -jçg- — о,14 = 0,264 -					0,14 = 0,124;
в	относительных мольных			концентрациях
	A V _ U*	V _	У* _	У	_ _	°.264	0,14
			1— у*	1— у		1 — 0,264	1— 0,14
		= 0,359 — 0,163 = 0,196			—0ЛЬ ацетилена
					кмоль воздуха

IL В условиях равновесия с газовой фазой, в которой пар циальное давление ацетилена равняется 107 мм рт. ст., вода по закону Генри должна иметь концентрацию ацетилена (в мольных долях):

X*	р_	107	0,106.10-».
	Е	1,01-10*

Имеющаяся в действительности мольная доля ацетилена в воде больше: х = 0,2-10_3. Для того чтобы в процессе массоперехода система приближалась к состоянию равновесия, мольная доля ацетилена в воде должна уменьшаться, т. е. ацетилен будет пере ходить из воды в воздух.

Движущая сила этого процесса перехода в начальный момент

времени (считая ее по	концентрации		в жидкой фазе):
в мольных долях
Ах = х — х* =	0,2- IQ"3 — 0,106* IQ-3 = 0,094-10“»;
в относительных мольных концентрациях
АХ = X — х*		х	X*
АХ = X — х*			1— х* •
			1— х* •

Так как в данном примере х и х* оба много меньше единицы, то в знаменателях последнего уравнения ими можно пренебречь

АХ = х — х* = 0,094- Ю-з «моль *Цетилена_ ^ кмоль воды

б) Мольная доля ацетилена в воде:

* » 18-0,153- Ю-з/26 = 0,106-10_3.

Перехода ацетилена из одной фазы в другую не будет, так как соприкасающиеся фазы находятся в равновесии:

х = х* = 0,106-Ю-з, = о,'Л.

Пример 6.4. В массообменном аппарате, работающем под дав

лением рабс = 3,1 кгс/см2, коэффициенты масахлдачи					имеют	сле
дующие значения:	ру =	1,07	> к^ пъ	р = 22	2 Кд°ЛЬ	п «
J	гу	9	м’Ч(Ау=1у	1х	м2-ч(Ддс=1)

Равновесные составы газовой и жидкой фаз характеризуются за коном Генри р* = 0,08‘10е х. Определить: а) коэффициенты массопередачи Ку и Кх\ б) во сколько раз диффузионное сопротив ление жидкой фазы отличается от диффузионного сопротивления газовой фазы:

Р е ш е н и е . Приведем уравнение равновесия к виду у* = тх:

0,08.10е

3,1-735

Находим коэффициенты массопередачи:
„	1	1	1	35,1	0 ,9 3 5 + 1 ,5 9 5
P»	+ Р*
		1,07	'	22
	: 0,396		кмоль
			м2-ч (ày =		1) *
к*			1			1
			1	+	1	0,0266 + 0,0455
mPu
		35,1 -1,07			22
	1 3 ,9 -		кмоль
			м2-ч (Дх =		1)
Проверка!
	KxfKy =	13,9/0,396 = 35,1 =				т.
Отношение диффузионных сопротивлений жидкой и газовой
фаз при движущей силе Ау:
	т	1	1,595		= 1,71.
	Рх *	Ру	0,935

Такое же отношение будет и при движущей силе Ах. Диффузионное сопротивление жидкой фазы в 1,71 раза больше

сопротивления		газовой		фазы.
Пример 6.5. В массообменном аппарате — абсорбере коэффи
циент массопередачи Ку = 10,4						о	кмоль	Инертный газ (не пе
					М2. ч ----- =—
реходящий	в	жидкость) — азот.					м3		аппарате
реходящий	в	жидкость) — азот.					Давление рабс в		аппарате
760 мм рт. ст.,		температура 20 °С. Определить значения коэффи
циента массопередачи Ку в следующих единицах: 1)									fy
кмоль	ст. ;				кг
2) м‘-ч-мм рт	ст. ;		3)	кг инертного газа
Р е ш е н и е .				кг инертного газа
Р е ш е н и е .			Напишем равенства:
			М ~ К у А С / = Ку AyF = K l ApF,
где М — мольный		расход переходящего в жидкость компонента,							кмоль/ч.
Отсюда:							*
Отсюда:
1) К АС„ =		Ку Ау’, т. е.
Из ггбл. 6.2:
			С,	Р	_		ИГ.
			С,	Л1СМ	У		22,4П 0Г	у*

В данном	примере	П =	П0 и
	АСу	Т0	273	0.0416;
	Ау	22,47’ “ 22,4-293"		0.0416;
	Ау	22,47’ “ 22,4-293"
Ку =	Ку			КМОЛЬ
Ку =	Ку	= 10,4.0,0416 = 0.433 м2-ч(Д р= 1)

2)	Ку Ау = Ку Ар.
'По уравнению (6.1):
				i/5=5 Р/П ;		Д^/ =		Др/П;1
	к ;				0,433		= 5,69.10-*		КМОЛЬ
	к ;		У Др	п	760		= 5,69.10-*		м2»ч-мм рт. ст.
				5,69.10“*				КМОЛЬ
			или	3600-133,3			1,19.10"® м2 ■с■Па
3)	Из равенств
			W = МКА1 =		МиК'у AyF = К "' AYF
(где	W — массовый			расход	переходящего				компонента,	кг/ч) на
ходим:
				Ку” = К м ь				АУ
				Ку” = К м ь				Â F '
По табл. 6.2:
				у _			МкУ
						М„. Г(1 -И *
Здесь		М„	и УИи. г — мольные массы					переходящего компонента		и инерт
ного газа.		При	малых	значениях	у:

Мк У Ми У-

Отсюда

Ау/АУ «w М„. ,./Л4к;

K J ' ~ Ky-—j=^ - = КуМи_д= 0,433-28 = 12,1

кг инертного газа

Пример 6.6. Вычислить коэффициент диффузии сероводорода в воде при 40 °С.

Р е ш е н и е . Сначала вычислим коэффициент диффузии при 20 °С по формуле (6.22):

п _	____ью-«	-,/■“ !	Г"
20	ABV» {? £' + v" Af	V МА +	Мв *

<<< < Предыдущая 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2930 / 5830 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги