Задание 1
В колонне с насадкой из колец Рашига 50*50*5 происходит водная абсорбция двуокиси серы из ее смеси с воздухом. Колонна работает при следующих условиях: расход газа V м3/ч, концентрация SO2 в газе: на выходе y1 м.д.; на выходе y2 м.д.; концентрация SO2 в растворе на выходе в колонну x2 = 0 м.д.; расход абсорбента L = 1,16*Lmin м3/ч; средняя температура в колонне t = 20?С; диаметр колонны dk м.
Определить концентрации SO2 на поверхности раздела в газовой и жидкой фазах по длине колонны, необходимую поверхность и высоту слоя насадки в колонне. Коэффициенты массоотдачи: в газовую фазу = 31,3 м/ч; в жидкую фазу = 0,438 м/ч. Для построения линии равновесия использовать следующие величины, полученные на основе экспериментальных данных при t = 20?С:
|
x |
5,63*10-5 |
1,405*10-4 |
2,80*10-4 |
4,21*10-4 |
5,62*10-4 |
8,43*10-4 |
1,405*10-3 |
|
|
y* |
6,60*10-4 |
1,580*10-3 |
4,21*10-3 |
7,63*10-3 |
1,12*10-2 |
1,855*10-2 |
3,42*10-2 |
|
Дано |
V |
y1 |
y2 |
dk |
|
|
2700 |
0,03 |
0,006 |
1 |
Составление материального баланса
Определение расхода инертного газа
= = 108,9 кмоль/ч.
Определение количества SO2 , абсорбируемого в колоне
= 108,9* = 2,71 кмоль/ч.
Определение минимального расхода абсорбирующей воды
где - равновесная концентрация SO2 в жидкой фазе, соответствующая концентрации в газовой фазе. Для определения необходимо построить линию равновесия. Из рисунка 1 получаем = 0,000997.
Подставив эту величину в предыдущее уравнение, получим
= 2737,37 кмоль/ч.
Определение действительно расхода воды
= 1,16* = 1,16*2737,37 = 3175,35 кмоль/ч.
Конечную концентрацию SO2 в растворе можно найти из соотношения
* =
Так как , то = = 0,00085 м.д.
Построение рабочей линии
Из уравнения материального баланса известно, что
=
=
Отбрасывая в знаменателе величину , пренебрежимо малую по сравнению с 1, получим уравнение рабочей линии
x = 0,0343* - 0,00021.
Равновесная и рабочая линии приведены на рисунке 1 (Приложение).
Определение концентрации SO2 на поверхности раздела фаз
Для любой точки с координатами y и x значения концентраций на поверхности раздела фаз находятся на пересечении линии равновесия с прямой, выходящей из этой точки и имеющей тангенс угла наклона
- = -
Так как концентрации выражены в мольных долях, то и коэффициенты массоотдачи необходимо пересчитать в соответствующие единицы
= = = 1,3 кмоль/(м2*ч*);
= 0,438* = 0,438* = 24,3 кмоль/(м2*ч*).
Тангенс угла наклона соответствующих прямых
m = - = - = -18,7.
На рисунке 2 (Приложение) из различных точек рабочей линии проводим прямые с угловым коэффициентом m = -18,7. На пересечении этих прямых с линией равновесия получаем соответствующие значения концентрации SO2 на поверхности раздела фаз. Полученные значения сводим в таблицу 2.1.
Для определения поверхности насадки воспользуемся уравнением
= **dy.
Интеграл можно вычислить либо графически, либо численно с помощью метода трапеций или метода Симпсона.
Проводим графическое интегрирование путем планирования площади под кривой на графике зависимости от (рисунок 2 (Приложение)), который построен по данным таблицы 2.1.
Таблица 2.1
Определение поверхности насадки методом графического интегрирования
|
x |
y |
xгр |
yгр |
1-y |
1-yгр |
(1-y)ср |
y-yгр |
(1-y)ср/((1-y)*(y-yгр)) |
ДS |
|
|
0,0 |
0,005 |
0,000122 |
0,0020 |
0,981 |
0,984 |
0,998 |
0,003 |
300,9 |
1,30 |
|
|
0,000122 |
0,0088 |
0,00035 |
0,0056 |
0,995 |
0,997 |
0,993 |
0,003 |
299,26 |
1,31 |
|
|
0,00035 |
0,013 |
0,00055 |
0,0097 |
0,991 |
0,995 |
0,991 |
0,003 |
298,09 |
1,35 |
|
|
0,00055 |
0,017 |
0,00069 |
0,0141 |
0,990 |
0,993 |
0,990 |
0,002 |
285,81 |
0,96 |
|
|
0,00069 |
0,022 |
0,00088 |
0,0188 |
0,987 |
0,991 |
0,989 |
0,002 |
279,60 |
0,98 |
|
|
0,00088 |
0,026 |
0,00100 |
0,0233 |
0,985 |
0,990 |
0,985 |
0,002 |
286,31 |
1,00 |
|
|
0,00100 |
0,030 |
0,00119 |
0,0270 |
0,982 |
0,986 |
0,980 |
0,003 |
294,31 |
1,00 |
|
|
0,00119 |
0,034 |
0,00135 |
0,0312 |
0,979 |
0,985 |
0,979 |
0,003 |
299,74 |
1,00 |
|
|
0,00135 |
0,0375 |
0,00142 |
0,0350 |
0,976 |
0,981 |
0,977 |
0,002 |
301,67 |
1,08 |
|
|
0,00142 |
0,0400 |
0,00165 |
0,0378 |
0,970 |
0,976 |
0,970 |
0,002 |
315,30 |
||
|
S |
9,98 |
Планирование площади под кривой в пределах между = 0,03 и = 0,006 дает = 9,98.
Воспользуемся методом трапеций
.
Расчеты приведены в таблице 2.1. Искомое значение равно 11,91. Таким образом, оба метода дают сравнимые результаты.
Поверхность насадки = = 9,98.
Средний расход газа в колонне находим, усредняя расходы газа на входе и выходе из колонны
= = = 124,8 кмоль/ч.
= - = 124,8 - 2,71 = 122,09 кмоль/ч.
= = = 123,45 кмоль/ч.
Усредняем также значения на входе и выходе из колонны по данным таблице 2.1:
= = 0,9789.
Следовательно= * 9,98 = * 9,98 = 985,63 м2.
Высота насадки H =
При диаметре колонны dk = 1,26 м площадь поперечного сечения колонны будет равна = = = 0,7854 м2, а удельная поверхность используемой насадки = 95 м2/ м3. Отсюда
H = = 13,21 м.