Розрахунок за вихідними даними

Вихідні дані:

• 1) кількість газової суміші, що надходить до установки, V=43 200 м³/год;
• 2) температура газової суміші t=450°C;
• 3) початкова об'ємна концентрація аміаку у газовій фазі y_n=14%;
• 4) ступінь виокремлення ?=94%;

• 5) початкова масова концентрація аміаку у воді =0%;
• 6) ступінь насиченості води аміаком з=0,77;
• 7) початкова температура води, що надходить до абсорбера t_n =16°C;
• 8) початкова температура води, що охолоджує t_вп=19°C;
• 9) абсорбер працює при атмосферному тиску;
• 10) в установці передбачити (розрахувати та підібрати) насос для подавання води до абсорбера, холодильник для охолодження газу та газодувку для подавання газової суміші до абсорбера.
• 1. Матеріальний баланс

Кількість аміаку, що переходитьз газової суміші впоглинач — воду, визачаємо з рівняння матеріального балансу.

Початкові відносні мосові складові газової та рідкої фаз визначаємо по формулам.

_n = = = 0 води;

де — початкова масова концентрація аміаку у воді, %;

_n = = повітря;

де М_к, М_і.г — моляльні маси NH₃ і повітря (М_к=17 М_і.г=29.

y_n — початкова об'ємна концентрація аміаку в газовій фазі, %;

Концентрація аміаку в газовій суміші навиході з абсорберу (кг/кг повітря).

повітря.

де — ступінь подрібнення.

Знаходимо парціальний тиск NH₃ в газі, що надходить, (Па):

де P=1,013 Па — тиск;

y_n — початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі.

При такому парціальному тиску, рівноважна концентрація NH₃ в рідині, що витікає з абсорберу, становить. При ступені насичення води аміаком кінцева концентрація аміаку в рідині дорівнює (кг/кг води):

Приймаємо, що газова суміш, що надходить до установки з колони синтезу, перед подачею в колону охолоджується в холодильнику до С. В цьому випадку об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, дорівнює (м³/с):

де V — кількість газової суміші, що надходить до установки, м³/с;

T — абсолютна температура, К;

t — температура газової суміші,°C;

T₀=273 К.

Визначаємо кількість аміаку, що надходить у колону (кг/с):

де y_n — початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі;

с_а — густина аміаку при 20 °C (с_а=0,717 кг/м³).

Знаходимо кількість повітря, що надходить у колону (кг/с):

де с_п — густина повітря при 20 °C (с_п= 1,2 кг/м^3);

y — початкова об`ємна концентрація повітря в газовій фазі.

Густина газу, що надходить на абсорбцію (кг/м³):

де V_г — об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, м³/с.

Кількість поглинутого аміаку (кг/с):

де е — ступінь подрібнення.

Знаходимо витрату води в абсорбері (кг/с):

де X_n — початкова відносна масова складова рідкої фази, кг/кг води;

X_к — кінцева відносна масова концентрація аміаку в рідині, кг/кг води.

2. Визначення швидкості газу і діаметра абсорберу.

По ГОСТу 176 152−89 приймаємо в якості насадки керамічні кільця Рашіга розміром 50×50×5 мм f=110 м²/м³; V_в=0,735 м³/м³; d_e=0,027 м.

Підставивши всі значення у формулу визначаємо граничну швидкість газу в насадкових абсорберах (м/с):

де щ_інв — швидкість газу, при якій наступає інверсія фаз, м/с;

A=0,022 — коефіцієнт для насадки з кілець і спіралей;

=110^-3Пас — в’язкість води при 20 ;

_р=110^-3Пас — в’язкість рідини при температурі процесу;

с_г — густина газу, що абсорбцію, кг/м³;

с_р — густина води (с_р=1000 кг/м³);

— витрата газу, кг/с.

де — кількість поглинутого аміаку, кг/с;

— кількість повітря, що надходить у колону, кг/с.

Знаходимо робочу швидкість газу в колоні (м/с):

Визначаємо діаметр колони (м):

де V_г — об'єм газової суміші, що надходить в абсорбер, м³/с.

Вибираємо стандартний діаметр обичайки колони D=1,4 м (найближче більше значення) (табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Технічна характеристика тарілок.

Примітка F_c — вільний перетин тарілки; F_Т — робочий перетин тарілки;

F_сл — перетин злива; U — максимально допустиме навантаження по рідині;

n — число отворів зливу рідини.

Щільність зрошення колони, м³/(м²год):

Оптимальна щільність зрошення м³/(м²год):

де = м³/(м²/с) — коефіцієнт при абсорбції аміаку водою;

= 110 м²/м³ — питома поверхня.

Якщо > 1, то коефіцієнт змочування ??=1, тобто досягається максимальне змочування насади.

3. Визначення висоти насадкової колони Приймаємо відстань від шару насадки до кришки абсорбера h=1,2 м, відстань від насадки до днища абсорберу 2,7 м.

Висоту шару насадки визначаємо, виходячи з основного рівняння масо передачі.

Знаходимо рухому силу внизу абсорбера на вході газу, кг/кг повітря:

де — початкова відносна масова складова газової фази, кг/кг повітря;

0,044 кг/кг повітря — кінцева концентрація аміаку;

Зверху абсорбера на виході газу.

де — концентрація аміаку в газовій суміші на виході з абсорберу, кг/кг повітря;

0,0008 кг/кг повітря — початкова концентрація аміаку.

Оскільки />2, середню рухому силу визначаємо за формулою (кг/кг повітря):

Для визначення коефіцієнту масо передачі необхідно розрахувати ряд величин.

Мольна маса газової фази:

де , — мольні маси NH₃ і повітря (=17 кг/кмоль, =29 кг/кмоль); - початкова об`ємна концентрація аміаку в газовій фазі;

— початкова об`ємна концентрація повітря в газовій фазі;

Визначаємо в’язкість газової фази (Пас):

де , — динамічні коефіцієнти в’язкості відповідно аміаку і повітря при t=20°C (= Пас, = Пас).

Коефіцієнт дифузії NH₃, в повітрі при 20 °C визначаємо з рівняння (м²/с):

де = м/с — коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при тиску =10⁵Па.

і температурі =273 К;

— загальний тиск суміші газів чи парів, (=Па).

Знаходимо критерій Рейнольдса для газу:

де — робоча швидкість газу в колоні, м/с;

— густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³;

— питома поверхня, м²/м³;

— в'язкість газової фази, Пас, тобто режим руху газу — турбулентний.

Визначаємо критерій Прандтля для газу:

де — коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при 20 °C, м²/с.

Коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі для регулярних насадок визначається по формулі (м/с):

де = 0,167 — коефіцієнт,.

— товщина стінки насадкового тіла, м;

— еквівалентний діаметр насадки, м;

— критерій Рейнольдса для газу;

— критерій Прандтля для газу;

— коефіцієнт дифузії NH₃ в повітрі при 20 °C, м²/с.

Виразимо, у вибраній для розрахунку розмірності, кг/(м²с):

= ,.

де — густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³.

Для визначення коефіцієнту масовіддачі в рідкій фазі розрахуємо наступні величини:

1) приведена товщина стікаючої плівки рідини (м):

де =1 Пас — в’язкість рідини при температурі процесу;

— густина води (с_р=1000 кг/м³).

2) модифікований критерій Рейнольдса для стікаючої по насадці плівки рідини:

де — масова швидкість рідини;

— питома поверхня, м²/м³.

L — витрата поглинача (води в абсорбері), кг/с.

S — площа перерізу колони, м²:

де — діаметр колони, м;

3) дифузійний критерій Прантля для рідини:

де = м²/с — коефіцієнт дифузії аміаку у воді.

Знаходимо коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі (м/с):

де =0,0021, =0,77, =0,5 — коефіцієнти.

Виразимо у вибраній для розрахунку розмірності, кг/(м²с):

.

де — густина води (с_р=1000 кг/м³).

Знаходимо коефіцієнт масовіддачі по газовій фазі, кг/(м²с):

де — коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі для регулярних насадок, м/с;

— коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі, м/с;

— коефіцієнт.

де =0,044 кг/кг повітря — кінцева концентрація аміаку;

— кінцева відносна масова концентрація аміаку в рідині, кг/кг води.

Визначаємо площу поверхні масо передачі в абсорбері (м²):

де — кількість поглинутого аміаку, кг/с;

— середня рухома сила, кг/кг повітря.

Знаходимо висоту насадки, необхідну для створення цієї площі поверхні масо передачі (м):

де — питома поверхня, м²/м³;

— площа перерізу колони, м²;

=1 — коефіцієнт змочуваності насадки.

4. Розрахунок гідравлічного опору насадки.

Якщо критерій Рейнольдса для газу >40, коефіцієнт опору сухої наcадки визначається по формулі:

Якщо критерій Рейнольдса для газу <40, коефіцієнт опору сухої наcадки визначається по формулі:

Визначаємо опір сухої насадки (Па):

де — висота насадки, м;

— питома поверхня, м²/м³;

— вільний об'єм, м²/м³;

— робоча швидкість газу в колоні, м/с;

— густина газу, що надходить на абсорбцію, кг/м³.

Виразимо щільність зрошення колони U у вибраній для розрахунку розмірності (м³/(м²с)):

Знаходимо гідравлічний опір зрошувальної насадки (Па):

де b=169 — стала.

Визначаємо тиск, що створюється газодувкою (Па):

де 1,05 — коефіцієнт, що враховує втрати тиску при вході газового потоку в колону і в насадку, при виході газового потоку з насадки і колони, в підвідних газопроводах.