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: 50 [% obj]

Składnik B: CO, stężenie: 10 [% obj]

Składnik C: powietrze, stężenie: 40 [% obj]

STOPIEŃ ABSORPCJI = 95%

Przepływ V= 0,5 [m³/h]

Temperatura T = 288 K

Ciśnienie P= 10⁵ [Pa]

DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
yco2 = 0, 5 yco = 0, 1 ypow = 0, 4 Mco2 = 40[g/mol] Mco=28[g/mol] Mpow = 29[g/mol] φ =0,95	Wybrano absorber który będzie pracował przeciwprądowo. Przeliczono procenty objętościowe fazy gazowej y, na ułamki wagowe yw, ułamki molowe ym, oraz stosunki masowe Y. yw1,co2 = $\frac{y_{co2}*M_{co2}}{y_{co2}*M_{co2} + y_{\text{co}}*M_{\text{co}} + y_{\text{pow}}*M_{\text{pow}}} =$ $\frac{0,5*40}{0,5*40 + 0,1*28 + 0,4*29} = 0,581$ yw1,co = 0,0814 yw1,pow =0,337 Y1,co2 = $\frac{y_{w1,co2}}{1 - y_{w1,co2}}$ = $\frac{0,581}{1 - 0,581}$ = 1,39 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ Y2,co2 = (1-φ)* Y1,co2 = (1-0,95)*1,39 = 0,0695 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ yw2,co2 = $\frac{Y_{2,co2}}{1 + Y_{2,co2}}$ = $\frac{0,0695}{1 + 0,0695}$ = 0,0649 yw2,co = $\frac{y_{w1,co}*(1 + Y_{1,co2})}{1 + Y_{2,co2}}$ = 0,182 yw2,pow = 1 - 0,0649 - 0,182 = 0,753	Y1,co2 = 1,39 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ Y2,co2 = 0,0695 $\left\lbrack \frac{\text{kg}\text{CO}_{2}}{\text{kgINERTU}} \right\rbrack$ yw2,co2 = 0,0649 yw2,co = 0,182 yw2,pow = 0,753
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
yw2,co2 = 0,0649 yw2,co = 0,182 yw2,pow = 0,753 Mco2 = 40[g/mol] Mco=28[g/mol] Mpow = 29[g/mol] Stała Henry’ego z danych literaturowych H=1,24*10^5 [Pa] P=10^5[Pa] y1,co2 = 1,39 x^*1,co2 = 4,03*10^-2 Mco2 = 40[g/mol] MH2O = 18[g/mol] Y1,co2 = 1,39 Y2,co2 = 0,0695 X1, CO2^* = 0, 0933 X2CO2^* = 0 $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = 14,2\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$	y2,co2 = $\frac{\frac{y_{w2,co2}}{M_{co2}}}{\frac{y_{w2,co2}}{M_{co2}} + \frac{y_{w2,co}}{M_{\text{co}}} + \frac{y_{w2,pow}}{M_{\text{pow}}}} = \ \frac{\frac{0,0649}{40}}{\frac{0,0649}{40} + \frac{0,182}{28} + \frac{0,7,53}{29}}$ = 0,0476 y2,co = 0,190 y2,pow = 0,762 Obliczono stężenia równowagowe w cieczy chłonnej (woda pozbawiona CO2) na wylocie: $$X_{{1,CO}_{2}}^{*} = \frac{}{1 -} \bullet \frac{M_{\text{CO}_{2}}}{M_{H_{2}O}} = \frac{}{1 -} \bullet \frac{40}{18} = 0,0933\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ Minimalne zużycie wody: $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = \frac{Y_{{1CO}_{2}} - Y_{{2CO}_{2}}}{X_{{1CO}_{2}}^{*} - X_{{2CO}_{2}}^{*}} = \frac{1,39 - 0,0695}{0,0933 - 0} = 14,2\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow.}}}\rbrack$$ Założono, że zużycie wody będzie 1,3 razy większe od minimalnego: $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 1,3 \bullet \left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right)_{\min} = 1,3 \bullet 14,2 = 18,5\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow.}}}\rbrack$$	y2,co2 =0,0476 y2,co = 0,190 y2,pow = 0,762 x^*1,co2 = 4,03*10^-2 X1, CO2^* = 0, 0933 $${(\frac{w_{C}}{w_{G}})}_{\min} = 14,2\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$ $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 18,5\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Y1,co2 = 1,39 Y2,co2 = 0,0695 $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 18,5\lbrack\frac{\text{kg}_{H_{2}O}}{\text{kg}_{\text{pow}.}}\rbrack$$ $$X_{{1,\text{CO}}_{2}}^{\ } = 0,0714\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ XW1, CO2 = 0, 0666 Mco2 = 40[g/mol] MH2O = 18[g/mol]	Jako wypełnienie dobrano pierścienie Raschiga ceramiczne uporządkowane o następujących parametrach: średnica: dwyp = 38,1 [mm] wolna objętość: ε = 0,68 powierzchnia: a = 115 [m^2/m^3]	$$X_{{1,\text{CO}}_{2}}^{\ } = 0,0714\lbrack\frac{\text{kg}_{\text{CO}_{2}}}{\text{kg}_{H_{2}O}}\rbrack$$ XW1, CO2 = 0, 0666 X1CO2 = 0, 0311
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Mco2 = 40[g/mol] Mco=28[g/mol] Mpow = 29[g/mol] y2,co2 =0,0476 y2,co = 0,190 y2,pow = 0,762 yco2 = 0, 5 yco = 0, 1 ypow = 0, 4	Obliczono średnicę absorbera w oparciu o korelację Kafarowa i Dytnierskiego: Obliczamy średnią masę molową mieszaniny między wlotem a wylotem z aparatu: na wylocie: $M_{m} = 0,0476*40 + 28*0,190 + 0,762 \bullet 29 = 29,3\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$ na wlocie: $M_{m} = 0,5 \bullet 40 + 0,1 \bullet 28 + 0,4 \bullet 29 = 34,4\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$ $$M_{m,sr} = 31,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$	$$M_{m,sr} = 31,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
P=10^5[Pa] $$M_{m,sr} = 31,9\ \lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$$ R=8,314[J/K•mol] T=288K $$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 18,5$$ ρg=1,33[kg/m^3] ρc=999[kg/m^3] y=0,0319 ε = 0,68 g=9,81[m/s^2] ρg=1,33[kg/m^3] ρc=999[kg/m^3] a = 115 [m^2/m^3] wogkr=0,801[m/s] $\dot{V}$0=0,5[m^3/s] T=288K T0=273,15K p=10^5[Pa] p0=101325[Pa]	Przeliczono natężenie przepływu surowca na warunki pracy aparatu:	ρg=1,33[kg/m^3] $\frac{\eta_{C}}{\eta_{W}}$=1 x=0,907 y=0,0319 wogkr=0,801[m/s] wrz=0,561[m/s] $\dot{V}$=0,534[m^3/s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$\dot{V}$=0,534[m^3/s] wrz=0,561[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:	Dobl=1,1[m] ηm=1,49*10^-5[Pa*s] ηm=1,67*10^-5[Pa*s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
	Średnia lepkość dla warunków normalnych: Parametry pseudo-zredukowane mieszaniny gazowej w warunkach normalnych: Dla wlotu: Dla wylotu:	ηmsr=1,58*10^-5[Pa*s] Tkm=298[K] Pkm=5,56[MPa]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
T=273[K] Tkm=141[K] Tkm=298[K] p0=101325[Pa] Pkm=3,89[MPa] Pkm=5,56[MPa] ηmsr=1,58*10^-5[Pa*s] ηr=0,56 T=288K Tkm=141[K] Tkm=298[K] p=10^5[Pa] pkm=3,89[MPa] pkm=5,56[MPa] ηr=0,62 ηk=2,82*10^-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: ηg=0,62 ^. =1, 75 * 10^−5  [Pa^.s]	Trm^0=1,24[K] Prm^0=0,214 [Pa] ηk=2,82*10^-5[Pa*s] Trm=1,31[K] prm=0,212[Pa] ηg=1,75*10^-5[Pa*s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
p0=101325[Pa] R=8,314[J/K•mol] T=298[K] δ=6,2*10^-4 C=40,9[mol/m^3] ρg=1,33[kg/m^3] $\dot{V}$=0,534[m^3/s] Dobl=1,1[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/m^3] D=1,52*10^5[m^2/s] D=1,48*10^5[m^2/s] wg=0,747[kg/m^2s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
wg=0,747[kg/m^2s] ηg=1,75*10^-5[Pa*s] a = 115 [m^2/m^3] ηg=1,75*10^-5[Pa*s] ρg=1,33[kg/m^3] Dg=1,48*10^5[m^2/s] Rez=371 Sc=0,889 D=1,48*10^5[m^2/s] Shg=12 dwyp=0,0381[m]	Obliczono współczynnik wnikania masy w fazie ciekłej:	Rez=371 Sc=0,889 Shg=12 βg=4,66*10^-3[m/s] Cog=41,8[mol/m^3] Βg’=0,195[mol/m^2s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$$\left( \frac{w_{C}}{w_{G}} \right) = 18,5$$ wg=0,747[kg/m^2s] wc=13,8[kg/m^2s] ηH2O=0,00115[Pa*s] a = 115 [m^2/m^3] ηH2O=0,00115[Pa*s] g=9,81[m/s^2] ρc=999[kg/m^3] T=288[K] ηH2O=0,00115[Pa*s] T=288[K] F =1,7*10^14 [kg/N] ηH2O=0,00115[Pa*s]	wc=18,5^.0,747=13,8[kg/m^2s] Założono, że lepkość nie jest funkcją ciśnienia (absorpcja prowadzona jest pod ciśnieniem atmosferycznym): Zastępczy wymiar liniowy: Aby obliczyć Dc w warunkach pracy absorbera korzystamy z wykresu Wilkiego: Vc dla wody wynosi 34*10^-6 Φ dla wody wynosi 1 F = $\frac{T}{D*\eta}$ = 1,7*10^14 [kg/N] Dc = $\frac{T}{\eta*F} = \ \frac{288}{0,00115*1,7*10^{14}\ } = 1,47*10^{- 9}\ $	wc=13,8[kg/m^2s] Rez=104 ϑz=55,3*10^5[m] Vc=34*10^-6 Φ=1 F =1,7*10^14 [kg/N] Dc=1, 47 * 10^−9
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
ηH2O=0,00115[Pa*s] ρc=999[kg/m^3] Dc=1, 47 * 10^−9 Rez=104 Sc=783 Shc=2,90 Dc=1, 47 * 10^−9 ϑz=55,3*10^-6[m] ρc=999[kg/m^3] MH2O = 18[g/mol] βc=77,1*10^-6[m/s] Co=55500[mol/m^3] H=1,24*10^5 [Pa] p=10^5[Pa] βc’=4,27[mol/m^2s] Βg’=0,195[mol/m^2s] m=12,4	Współczynnik przenikania masy kY:	Sc=783 Shc=2,90 βc=77,1*10^-6[m/s] Co=55500[mol/m^3] βc’=4,27[mol/m^2s] m=12,4 kY=0,125[mol/m^2s]
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
Y2,co2 = 0,0695 X2CO2^* = 0 Y1,co2 = 1,39 Y1^*=0,626 ΔY1=0,0695 ΔY2=0,764	Ilość masy wymienianej w kolumnie: Siła napędowa procesu: Natężenie przepływu inertu:	y1^*=0,385 Y1^*=0,626 ΔY1=0,0695 ΔY2=0,764 ΔYśr=0,290
DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
$\dot{V}$=0,534[m^3/s] yco = 0, 1 ypow = 0, 4 $\dot{V}$inertu=0,267[m^3/s] ρg=1,33[kg/m^3] Ginertu=0,355[kg/s] ΔY1=0,0695 Y1,co2 = 1,39 ṁco2=0,469[kg/s] ṅCO2=11,7[mol/s] ṅCO2=11,7[mol/s] ΔYśr=0,290 A=323[m^2] Arz=420[m^2] a = 115 [m^2/m^3] d=1,1[m] H=3,84[m] D=1,1[m]	Ilość wymienionej masy CO2: Powierzchnia wymiany masy: Zwiększono powierzchnię o 30 %: Wysokość absorbera: Sprawdzenie warunku smukłości kolumny: $$\ \ S\ = \frac{H}{D} = \frac{3,84}{1,1} = 3,49$$	$\dot{V}$inertu=0,267[m^3/s] Ginertu=0,355[kg/s] ṁCO2=0,469[kg/s] ṅCO2=11,7[mol/s] A=323[m^2] Arz=420[m^2] H=3,84[m] S=3,49m

Zestawienie wyników:

średnica absorbera : D = 1,1 [m]

powierzchnia wymiany masy: A=420 [m²]

wysokość absorbera: H=3,84 [m]

UWAGI/WNIOSKI:

Smukłość jest bliska przydziałowi wzorcowemu, jednak ze względu na wysokie ciśnienie przy odczytaniu wartości poprawek z wykresów mogą wynikać uzyskane niewielkie rozbieżności.

LITERATURA CYTOWANA

[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