Решение задачи по абсорбции

3. Решение задачи по абсорбции

Условия задачи:

Рассчитать диаметр и высоту насадки абсорбера для улавливания из воздуха ацетона водой. Рассчитать также расход поглотителя в м³/ч, если расход газовой смеси в рабочих условиях 6000 (м³/ч) с концентрацией ацетона 8 (%, объемн.), степень улавливания составляет 90 (%). Концентрация ацетона в воде на входе в абсорбер Х_н = 0, а на выходе составляет 71 % от максимально возможной в данных условиях, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение линии равновесия имеет вид Y* = 1,68X, где Y[кмоль А/кмоль воздуха], X [кмоль А/кмоль В]. Скорость газа в абсорбере 1,1 (м/с), коэффициент массопередачи 0,3[кмоль А/(м²×ч×кмоль А/кмоль В)], коэффициент смачиваемости насадки φ = 0,88. В качестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25х25х3, давление в колонне 0,2 (МПа) и температура 20 ^оС. Дать принципиальную схему абсорбера и фазовую диаграмму Y-X.

Решение:

1.   Приведём расход газовой смеси к нормальным условиям:

2.   Определим количество (расход) паров ацетона в составе газовой смеси расчёте на 1 час:

Где V_M – молярный объём газа, кмоль/м³.

3.  Построение рабочей линии и линии равновесия.

Для построения рабочей линии процесса абсорбции необходимо определить координаты точек А и В, характеризующих состав газовой и водной фаз на входе и выходе из абсорбера.

а) Содержание паров ацетона во входящем воздухе (в отн. мольных долях) составляет:

б) Относительная мольная доля паров ацетона в газовой смеси на выходе из адсорбера:

в) Содержание ацетона в поглотителе-воде при входе в абсорбер по условию задачи составляет Х_в=0.

г) Находим координату Х_н.

По условию задачи координата Х_н, т.е. концентрация ацетона в поглотителе на выходе из абсорбера составляет n = 71% от равновесной с входящим газом. Поэтому необходимо сначала найти равновесную со входящим газом концентрацию Х^*.

Т.к. уравнение линии равновесия Y^* =1,68·Х и при входе в абсорбер отн. мольная доля ацетона составляла Y_н = , то:

 

Следовательно,

Таким образом координаты точек А и В составляют:

А(0; 0,08695) и В(0,03674; 0,008695)

На основе полученных данных строим линию равновесия и рабочую линию процесса АВ, а также схему абсорбера для противоточной абсорбции:

Построение рабочей линии АВ и линии равновесия ОС:

 

Схема движения абсорбата и абсорбента в абсорбере:

4.  Найдём среднюю движущую силу процесса по газовой фазе ∆Y_ср на входе в абсорбер и выходе из него:

Средняя движущая сила в абсорбере при прямой линии равновесия определяется по формуле:

5.  Из уравнения массопередачи:

при условии, что К_у = К_х/1,68, рассчитаем площадь контакта фаз в адсорбере F, необходимую для обеспечения перехода требуемого количества газа в жидкую фазу.

Площадь контакта в абсорбере создаётся с помощью керамических колец Рашига. Для колец формата 25х25х3,удельная поверхность насадки δ = 204 м²/м³.

6.  Рассчитаем габариты адсорбера:

Поскольку

F = H_н· S · δ · ψ,

где H_н – высота насадки колец Рашига;

S – площадь сечения абсорбера;

δ – удельная поверхность насадки ,

Ψ – коэффициент смачивания = 0.88,

то можно записать:

 – объём насадки,

где V_н – объём слоя колец Рашига, необходимый для создания данной поверхности F при коэффициенте смачивания

Таким образом, объём насадки колец Рашига должен составить:

Далее находим площадь поперечного сечения абсорбера S:

где V₀ – расход газовой смеси при н.у.,

w – линейная скорость газового потока (м/с).

Для цилиндрического абсорбера площадь сечения определяется из площади круга:

Откуда определяем диаметр абсорбера:

 - нормальные ряды колонных аппаратов, мм = 1400

и высоту насадки абсорбера Н_н:

7.  Требуемый для проведения процесса расход поглотителя–воды 𝑳 определяем из уравнения:

(кмоль В/кмоль А)

 

отсюда следует:

где М_ац. - расход поглощаемого компонента ; М(ацетона)=  кмоль/ч; М_в = 18 кг/кмоль (Н₂О) X_н=0,03674 – конечная концентрация ацетона в воде на выходе из абсорбера (отн.мольн.доли – кмоль А/кмоль В).

Поэтому расход воды L составит:

 

Выводы: для проведения процесса абсорбции необходимо использовать насадку с диаметром D=м и высотой Н_н= м, при этом расход поглотителя-воды составит  м³/час.

 

Заключение

Загрязнение окружающей среды является серьезной проблемой для всех стран мира. По мере роста народонаселения и масштабов производства экологические последствия становятся все более серьезными и распространенными, а нетронутые природные пространства непрерывно сокращаются. Стало ясно, что снижение качества окружающей среды уже нельзя считать приемлемым компромиссом.

Дальнейшее развитие инженерной защиты окружающей среды находится в направлении совершенствования основных технологий производства и минимизации их воздействия на окружающую среду, что потребует дальнейшего развития и повышения качества технических природоохранных методов и средств. Это, в свою очередь, ставит задачи углубления теоретических основ техники и технологии защиты окружающей среды.

По мере развития техники и совершенствования технологических процессов появляются новые виды веществ, выбрасываемых в атмосферу. В то же время происходит модернизация существующего и разработка новых видов технологического оборудования, в котором осуществлена полная герметизация, автоматизация, дистанционное управление. Внедряется безотходная технология, при которой исключаются выбросы в атмосферу, возникают новые методы очистки воздуха от вредных газов и паров, разрабатывается и применяется новое технологическое оборудование, в состав которого входят встроенные агрегаты для удаления и обезвреживания вредных веществ. Все это вселяет надежду, что недалеко то время, когда практически все технологические процессы станут безотходными и выброс вредных веществ в атмосферный воздух практически прекратится.

Решение проблемы очистки сточных вод от различных загрязнений требует специальных знаний различных дисциплин, в первую очередь, химической технологии. Мы должны знать основные методы обезвреживания наиболее распространенных загрязнений, их технико-экономические показатели, реальные возможности и перспективы в данной области.

При очистке приходится решать одновременно ряд проблем, связанных с многокомпонентностью очищаемых сред, и их необходимо подвергать различным методам очистки, расход выбросов по времени непостоянен, изменяется концентрация в них различных вредных веществ и т. д. Все это, конечно, осложняет очистку, требует принятия в каждом отдельном случае соответствующих решений.

Проблемы, возникающие при разработке и проектировании очистных систем, тесно связаны и со всеобщими законами (цикличность, безотходность и др.), и с конкретными закономерностями природных технологий. Вклад каждой из них в результирующее действие зависит от большого числа факторов, связанных с параметрами загрязнений, среды, конструктивными особенностями аппаратов. Многие из факторов взаимосвязаны, а результирующие зависимости имеют настолько сложный характер, что не всегда удается найти логическое объяснение полученным результатам. Поэтому даже в расчетах простейших очистных устройств приходится основываться на экспериментальные данные и производственный опыт.

 

Вопросы для теста

(правильные ответы помечены звёздочкой):

1)  Каков средний расход топлива при использовании огневого метода обезвреживания сточных вод на 1 тонну стоков?

А) 50-100 кг

Б) 150-200 кг

В) 250-300 кг *

Г) 350-400 кг

2)  Как называется процесс улавливания и возвращения в рабочий цикл материалов и полупродуктов для повторного использования в технологическом процессе?

А) Рекуперация *

Б) Теплообмен

В) Утилизация

Г) Сепарация

3)  Какой метод является наиболее удобным для обезвреживания особо опасных, ядовитых и неутилизируемых отходов?

А) Плазменный

Б) Огневой *

В) Гетерогенный катализ

Г) Жидкофазное окисление

4)  Какую температуру имеют топочные газы при огневом методе обезвреживания?

А) 300-400

Б) 500-600

В) 700-800

Г) 900-1000 *

5)  Какой вид установок является наиболее совершенным для сжигания жидких отходов?

А) Камерные печи

Б) Циклонные печи *

В) Шахтные печи

Г) Барабанные печи

6)  Какой из нижеприведённых недостатков не относится к методам термического обезвреживания сточных вод?

А) Высокая стоимость установок

Б) Неэффективность *

В) Сложность установок

Г) Большой расход топлива

7)  Какое преимущество есть у циклонных печей перед камерными и шахтными?

А) Меньший расход топлива

Б) Простота в обслуживании

В) Улучшенный механизм приготовления топливной смеси *

Г) Увеличенный объём топки

8)  Какой максимальный унос солевой массы допускается в циклонных печах?

А) 20%

Б) 40%

В) 60% *

Г) 80%

9)  Какой метод термического обезвреживания наиболее топливозатратен?

А) Огневой *

Б) Газификация

В) Пиролиз

Г) Жидкофазное окисление

10)   Каково важнейшее направление усовершенствования термических методов?

А) Увеличение эффективности

Б) Упрощение конструкции

В) Уменьшение расхода топлива

Г) Уменьшение себестоимости *

11)   К чему приводит недостаточная утилизация теплоты уходящих газов в циклонных печах?

А) Перерасходу топлива *

Б) Снижению эффективности очистки

В) Ни на что не влияет

Г) Нарушению технологических процессов обезвреживания

12)   Нужно ли и если нужно, то почему надо очищать жидкие отходы перед поступлением их в форсунки?

А) Во избежание засорения форсунок *

Б) Во избежание выброса их в окружающую среду не до конца обезвреженными

В) Жидкие отходы не нуждаются в предварительной очистке

13)   Для обезвреживания сточных вод какого характера загрязнения больше всего подходят циклонные печи?

А) Химическое и биологическое загрязнение

Б) Органическое и минеральное загрязнение *

В) Радиоактивное загрязнение

Г) Неорганическое загрязнение

14)   Как осуществляется подогрев сточных вод в комбинированных установках?

А) За счет теплоты печных газов *

Б) В специальных устройствах перед подачей сточных вод в топку

В) Никак не осуществляется

15)   Какой формы теплообменник в рекуперативной печи?

А) Прямой

Б) Змеевиковый *

В) Торообразный

Г) Цилиндрический

16)   Для сжигания каких сточных вод используется огневой метод?

А) Горючих

Б) Негорючих *

В) Всех видов

17)   Как сточные воды подводятся в камеру сгорания?

А) Заливаются в жидком виде

Б) Распрыскиваются форсунками *

В) Подаются нагретыми в виде пара

18)   Центробежные механические форсунки в циклонных печах расположены…:

А) Ниже уровня зоны горения топлива *

Б) Выше уровня зоны горения топлива

В) Примерно на одном уровне с зоной горения топлива

19)   Усложняется ли при понижении температуры окружающей среды процесс подачи сточных вод и их сжигания в печах?

А) Да *

Б) Нет

20)   С каким видом отходов при использовании огневого метода невозможна рекуперация?

А) Жидкие отходы

Б) Газообразные отходы

В) Твёрдые отходы *

21)   Методы очистки сточных вод делят на деструктивные и…

___________________ (вписать, правильный ответ «регенеративные»)

22)   Термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии это

___________________ (вписать, правильный ответ «энтальпия»)