inny projekt

PROJEKT ABSORBERA

Temat:

Zaprojektować absorber służący do absorpcji CO₂ (składnik A) z mieszaniny gazowej zawierającej CO i powietrze. Jako absorbent zastosować wodę.

Dane:

Składnik A: CO_2, stężenie: 20 [% obj]

Składnik B: CO, stężenie: 20 [% obj]

Składnik C: powietrze, stężenie: 60 [% obj]

STOPIEŃ ABSORPCJI = 98%

Przepływ V= 0,6 [m³/h]

Temperatura T = 291 K

Ciśnienie P= 7,5∙10⁶ [Pa]

DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
y_co2 = 0, 2 y_co = 0, 2 y_pow = 0, 6 M_co2 = 40[g/mol] M_co=28[g/mol] M_pow = 29[g/mol] φ =0,98	Wybrano absorber który będzie pracował przeciwprądowo. Przeliczono procenty objętościowe fazy gazowej y, na ułamki wagowe y_w, ułamki molowe y_m, oraz stosunki masowe Y. y_w1,_co2 = $\frac{y_{co2}M_{co2}}{y_{co2}M_{co2} + y_{\text{co}}M_{\text{co}} + y_{\text{pow}}M_{\text{pow}}} =$ $\frac{0,240}{0,240 + 0,228 + 0,629} = 0,258$ y_w1,_co = 0,181 y_w1,_pow =0,561 Y_1,co2 = $\frac{y_{w1,co2}}{1 - y_{w1,co2}}$ = $\frac{0,258}{1 - 0,258}$ = 0,348 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ Y_2,co2 = (1-φ)* Y_1,co2 = (1-0,98)0,348 = 0,00696 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ y_w2,_co2 = $\frac{Y_{2,co2}}{1 + Y_{2,co2}}$ = $\frac{0,00696}{1 + 0,00696}$ = 0,00691 y_w2,_co = $\frac{y_{w1,co}(1 + Y_{1,co2})}{1 + Y_{2,co2}}$ = 0,242 y_w2,_pow = 1 - 0,0649 - 0,182 = 0,751	Y_1,co2 = 0,348 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ Y_2,co2 = 0,00696 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ y_w2,_co2 = 0,00691 y_w2,_co = 0,242 y_w2,_pow = 0,751
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
y_w2,_co2 = 0,0069 y_w2,_co = 0,242 y_w2,_pow = 0,751 M_co2 = 40[g/mol] M_co=28[g/mol] M_pow = 29[g/mol] Stała Henry’ego z danych literaturowych H=1,2410⁵ [Pa] P=7,510⁶[Pa] y_1,co2 = 0,347 x^_1,co2 =1,6110^-2 M_co2 = 40[g/mol] M_H₂O = 18[g/mol] Y_1,co2 = 0,348 Y_2,co2 = 0,00695 X_1, CO₂^* = 0, 0933 X_2CO₂^* = 0 $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = 3,65\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$	y₂,_{co2 =} $\frac{\frac{y_{w2,co2}}{M_{co2}}}{\frac{y_{w2,co2}}{M_{co2}} + \frac{y_{w2,co}}{M_{\text{co}}} + \frac{y_{w2,pow}}{M_{\text{pow}}}} = \ \frac{\frac{0,0069}{40}}{\frac{0,0069}{40} + \frac{0,242}{28} + \frac{0,751}{29}}$ = 0,00497 y₂,_co = 0,248 y₂,_pow = 0,746 Obliczono stężenia równowagowe w cieczy chłonnej (woda pozbawiona CO₂) na wylocie: $$X_{{1,CO}_{2}}^{} = \frac{}{1 -} \bullet \frac{M_{\text{CO}_{2}}}{M_{H_{2}O}} = \frac{1,6110\hat{} - 2}{1 -} \bullet \frac{40}{18} = 0,0933\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ Minimalne zużycie wody: $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = \frac{Y_{{1CO}_{2}} - Y_{{2CO}_{2}}}{X_{{1CO}_{2}}^{} - X_{{2CO}_{2}}^{}} = \frac{0,347 - 0,00695}{0,0933 - 0} = 3,65\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow.}}}\rbrack$$ Założono, że zużycie wody będzie 1,3 razy większe od minimalnego: $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 1,3 \bullet \left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right)_{\min} = 1,3 \bullet 3,65 = 4,75\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow.}}}\rbrack$$	y₂,_co2 =0,00497 y₂,_co = 0,248 y₂,_pow = 0,746 x^_1,co2 = 1,6110^-2 X_1, CO₂^* = 0, 0933 $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = 3,65\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$ $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 4,75\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Y_1,co2 = 0,348 Y_2,co2 = 0,00696 $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 4,75\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$ $$X_{{1,\text{CO}}_{2}}^{\ } = 0,0717\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ X_W1, CO₂ = 0, 0669 M_co2 = 40[g/mol] M_H₂O = 18[g/mol]	Jako wypełnienie dobrano pierścienie Raschiga ceramiczne uporządkowane o następujących parametrach: średnica: d_wyp = 38,1 [mm] wolna objętość: ε = 0,68 powierzchnia: a = 115 [m²/m³]	$$X_{{1,\text{CO}}_{2}}^{\ } = 0,0717\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ X_W1, CO₂ = 0, 0669 X_1CO₂ = 0, 0312
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
M_co2 = 40[g/mol] M_co=28[g/mol] M_pow = 29[g/mol] y₂,_co2 =0,00497 y₂,_co = 0,248 y₂,_pow = 0,746 y_co2 = 0, 2 y_co = 0, 2 y_pow = 0, 6	Obliczono średnicę absorbera w oparciu o korelację Kafarowa i Dytnierskiego: Obliczamy średnią masę molową mieszaniny między wlotem a wylotem z aparatu: na wylocie: $M_{m} = 0,0049740 + 280,248 + 0,746 \bullet 29 = 28,80\lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$ na wlocie: $M_{m} = 0,2 \bullet 40 + 0,2 \bullet 28 + 0,6 \bullet 29 = 31\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$ $$M_{m,sr} = 29,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$	$$M_{m,sr} = 29,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
P=7,5∙10⁶[Pa] $$M_{m,sr} = 29,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$ R=8,314[J/K•mol] T=291K $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 4,75$$ ρ_g=0,927[kg/m³] ρ_c=999[kg/m³] y=0,102 ε = 0,68 g=9,81[m/s²] ρ_g=0,927[kg/m³] ρ_c=999[kg/m³] a = 115 [m²/m³] w_ogkr=0,06[m/s] $\dot{V}$₀=0,6[m³/s] T=291 T₀=273,15K p=7,5∙10⁶[Pa] p₀=101325[Pa]	Przeliczono natężenie przepływu surowca na warunki pracy aparatu:	ρ_g=0,927[kg/m³] $\frac{\eta_{C}}{\eta_{W}}$=1 x=0,62 y=0,102 w_ogkr=0,06[m/s] w_rz=0,042[m/s] $\dot{V}$=0,00864[m³/s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$\dot{V}$=0,6[m³/s] w_rz=0,042[m/s]	Średnica aparatu: Obliczam współczynnik wnikania masy w fazie gazowej: Lepkość mieszaniny gazowej wyznaczono za pomocą metody Herninga i Zipperera oraz korzystając z wykresu Uyehary i Watsona. Na wlocie dla warunków normalnych: Na wylocie dla warunków normalnych:	D_obl=0,5 [m] η_m=1,5910^-5[Pas] η_m=1,6910^-5[Pas]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
	Średnia lepkość dla warunków normalnych: Parametry pseudo-zredukowane mieszaniny gazowej w warunkach normalnych: Dla wlotu: Dla wylotu:	η_msr=1,5810^-5[Pas] T_km=220,5[K] P_km=4,44[MPa]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
T=273[K] T_km=133,5[K] T_km=220,5[K] p₀=101325[Pa] P_km=3,72[MPa] P_km=4,44[MPa] η_msr=1,6410^-5[Pas] η_r=0,56 T=288K T_km=133,5[K] T_km=220,5[K] p=7,510⁶[Pa] p_km=3,72[MPa] p_km=4,44[MPa] η_r=0,62 η_k=2,9310^-5[Pa*s]	Wyznaczono lepkość krytyczną mieszaniny gazowej korzystając z wykresu: Parametry zredukowane mieszaniny gazowej w warunkach pracy absorbera: Dla tych wartości parametrów zredukowanych z wykresu odczytano: η_g=0,62 ^. =1, 82 * 10⁻⁵ [Pa^.s]	T_rm⁰=1,55[K] P_rm⁰=0,0248 [Pa] η_k=2,9410^-5[Pas] T_rm=1,62[K] p_rm=0,245[Pa] η_g=1,8210^-5[Pas]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
p₀=101325[Pa] R=8,314[J/K•mol] T=298[K] δ=6,2*10^-4 C=40,9[mol/m³] ρ_g=0,927[kg/m³] $\dot{V}$=0,00864[m³/s] D_obl=0,5[m]	Obliczam współczynnik dyfuzji CO₂ przez mieszaninę pod ciśnieniem atmosferycznym (mieszaninę traktuję jak powietrze): Współczynnik dyfuzji dla T=25 ^oC i P=atm: Współczynnik dyfuzji dla parametrów pracy absorbera: D = 1,48 *	C=40,9[mol/m³] D=1,5210⁵[m²/s] D=1,4810⁵[m²/s] w_g=0,389[kg/m²s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
w_g=0,389[kg/m²s] η_g=1,8210^-5[Pas] a = 115 [m²/m³] η_g=1,8210^-5[Pas] ρ_g=9,269[kg/m³] D_g=1,4810⁵[m²/s] Re_z=18,6 Sc=1,242 D=1,4810⁵[m²/s] Sh_g=84,7 d_wyp=0,0381[m]	Obliczono współczynnik wnikania masy w fazie ciekłej:	Re_z=18,6 Sc=1,242 Sh_g=1,223 β_g=4,6*10^-3[m/s] C_og=41,76[mol/m³] Β_g’= [mol/m²s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 4,75$$ w_g=0,0389[kg/m²s] w_c=0,185[kg/m²s] η_H2O=0,00115[Pas] a = 115 [m²/m³] η_H2O=0,00115[Pas] g=9,81[m/s²] ρ_c=999[kg/m³] T=291[K] η_H2O=0,00115[Pas] T=291[K] F =1,710¹⁴ [kg/N] η_H2O=0,00115[Pa*s]	w_c=4,75^.0,0389=0,185[kg/m²s] Założono, że lepkość nie jest funkcją ciśnienia (absorpcja prowadzona jest pod ciśnieniem atmosferycznym): Zastępczy wymiar liniowy: Aby obliczyć D_c w warunkach pracy absorbera korzystamy z wykresu Wilkiego: V_c dla wody wynosi 3410^-6 Φ dla wody wynosi 1 F = $\frac{T}{D\eta}$ = 1,710¹⁴ [kg/N] D_c = $\frac{T}{\etaF} = \ \frac{291}{0,001151,710^{14}\ } = 1,49*10^{- 9}\ $	w_c=0,185[kg/m²s] Re_z=1,398 ϑ_z=55,310⁵[m] V_c=3410^-6 Φ=1 F =1,710¹⁴ [kg/N] D_c=1, 49 10⁻⁹
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
η_H2O=0,00115[Pas] ρ_c=999[kg/m³] D_c=1, 47 10⁻⁹ Re_z=1,39 Sc=783 Sh_c=16,8 D_c=1, 47 * 10⁻⁹ ϑ_z=55,310^-6[m] ρ_c=999[kg/m³] M_H₂O = 18[g/mol] β_c=4,4110^-6[m/s] C_o=55500[mol/m³] H=1,2410⁵ [Pa] p=7,510⁵[Pa] β_c’=24,5[mol/m²s] Β_g’=0,019[mol/m²s] m=12,4	Współczynnik przenikania masy k_Y:	Sc=783 Sh_c=16,8 β_c=4,41*10^-6[m/s] C_o=55500[mol/m³] β_c’=24,5[mol/m²s] m=12,4 k_Y=0,0098[mol/m²s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Y_2,co2 = 0,00695 X_2CO₂^* = 0 Y_1,co2 = 0,347 Y₁^*=0,667 ΔY₁=0,00695 ΔY₂=0,79	Ilość masy wymienianej w kolumnie: Siła napędowa procesu: Natężenie przepływu inertu:	y₁^=0,400 Y₁^=0,600 ΔY₁=0,00695 ΔY₂=0,79 ΔY_śr=0,0626
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$\dot{V}$=0,6[m³/s] y_co = 0, 2 y_pow = 0, 6 $\dot{V}$_inertu=0,0069[m³/s] ρ_g=92,69[kg/m³] G_inertu=0,0064[kg/s] ΔY₁=0,00695 Y_1,co2 = 0,347 ṁ_co2=0,0022[kg/s] ṅ_CO2=0,546[mol/s] ΔY_śr=0,0626 A=88,38[m²] A_rz=115 [m²] a = 115 [m²/m³] d=0,5[m] H=4,86[m] D=0,5[m]	Ilość wymienionej masy CO₂: Powierzchnia wymiany masy: Zwiększono powierzchnię o 30 %: Wysokość absorbera: Sprawdzenie warunku smukłości kolumny: $$\ \ S\ = \frac{4,85}{0,5} = 9,48$$	$\dot{V}$_inertu=0,0069[m³/s] G_inertu=0,0064[kg/s] ṁ_CO2=0,0022[kg/s] ṅ_CO2=0,0546[mol/s] A=88,38[m²] A_rz=115[m²] H=4,86[m] S=9,48m

Zestawienie wyników:

średnica absorbera : D = 0,5 [m]

powierzchnia wymiany masy: A=115 [m²]

wysokość absorbera: H=4,86 [m]

LITERATURA

[1] „Tablice do obliczeń procesowych” Pod redakcją Leona Troniewskiego, wydanie V poprawione i uzupełnione.

[2] „Absorpcja i absorbery” Roman Zarzycki, Andrzej Chacuk, Maciej Starzak, wydanie drugie uaktualnione

[3] Zadanie rachunkowe z inżynierii chemicznej” Praca zbiorowa pod redakcja Romana Zarzyckiego, Warszawa 1980