Файл: Расчет и проектирование установки для абсорбции аммиака.docx

4.2 Расчет материального баланса

4.2.1 Расходы газовой смеси, абсорбата и инертного газа

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T₀=273K, P₀=1,01310⁵ Па ) в объемный расход при условиях абсорбции (Т=303К, Р=0,1510⁶ Па):

(4.4)

где V_см0 - расход при условиях абсорбции м³/ч ;

V₀ – расход при нормальных условиях, м³/ч.

По заданию объемный расход исходной газовой смеси при нормальных условиях V_см.0=16700 м³/ч

м³/ч

Переведем объемный расход газовой смеси в молярный по формуле:

(4.5)

где ρ_см – плотность газовой смеси, кг/ м³;

М_см – молярная масса смеси, кг/кмоль.

Плотность газовой смеси определяем по формуле :

(4.6)

где ρ₁ и ρ₂ – плотности NH₃ и азота соответственно при 30^◦С, кг/м³;

n₁ и n₂ – объемные доли аммиака и азота в газовой смеси соответственно, n₁=0,0145 , n₂= 0,9855 (из задания).

Плотности NH₃ и азота при 25^◦С определим по формуле:

(4.7)

где М_газа – молярная масса газа, кг/кмоль;





Подставляя значения в формулу (4.7), находим плотность газовой смеси:



Молярную массу газовой смеси определяем по формуле:

(4.8)

где М₁ и М₂ – молярные массы аммиака и азота соответственно, кг/кмоль



Полученные значения подставляем в формулу (4.6) и находим молярный расход газовой смеси:

---

Молярный расход азота определяется по уравнению :

(4.9)

где у_н ‑ исходная концентрация аммиака в газовой смеси,

G_в ‑ молярный расход азота, кмоль/с.

Из условия задания у_н=0,0145.



Относительная молярная доля абсорбата в газовой смеси на выходе из абсорбера (очищенной смеси) Y_к, :

, (4.10)

где  – степень извлечения, =0,98

Y_н – относительная молярная доля абсорбата в газовой смеси на входе в абсорбер (исходной газовой смеси), .

Значение Y_н определим по формуле:

(4.11)

Молярный расход абсорбата, поглощаемого в абсорбере, M, кмоль/с:

(4.12)

Молярную долю NH₃ для газовой смеси, покидающей абсорбер y_к, , вычисляем по формуле

(4.13)

4.2.2 Минимальный расход поглотителя

Минимальный расход поглотителя L_мин, кмоль/с, определяем из условия минимально возможной средней движущей силы процесса. Обычно условие выполняется, если содержание абсорбата в отработанном поглотителе соответствует равновесному. При этом:

---

, (4.14)

где X*_к‑ равновесная относительная молярная доля абсорбата в отработанном поглотителе, ;

X_н –относительная молярная доля абсорбата в поглотителе на входе в абсорбер (в свежем поглотителе), .

Используя значениеY_н =0,0147 на X-Y- диаграмме с выполненной на ней равновесной линией , находим значение X_к*=0,01), (см.рисунок 4.2).




Рисунок 4.2– X-Y-диаграмма процесса абсорбции NH₃водой при давлении P=0.15 МПа и температуре t=30C ( − рабочая линия при )
Проверим применимость формулы (4.14) графическим методом. На X-Y-диаграмме наносим точки A(X_н;Y_к) и B₁( ;Y_н) и соединяем их отрезком прямой (см.рисунок 4.2). Отрезок AB₁ – рабочая линия абсорбции, соответствующая L_мин при условии достижения равновесного состава отработанного поглотителя. Отрезок AB₁ не пересекает линию равновесия, следовательно, формула (4.14) применима.

По заданию в свежим поглотителем является чистая вода, поэтому . Тогда минимальный расход поглотителя:

4.2.3 Рабочий расход поглотителя. Рабочая линия

Рабочий молярный расход поглотителя L, кмоль/с, рассчитывают по формуле:

(4.15)

По заданию β=2,5, тогда рабочий расход поглотителя:



Молярный расход свежего поглотителя т.к. =0.

Молярный расход отработанного поглотителя , кмоль/с:

---

(4.16)

где − относительная молярная доля абсорбата в отработанном поглотителе, .

Значение рассчитывается по зависимости

(4.17)

Так как =0, то формула (4.17) приобретает вид

(4.18)





На X-Y-диаграмме (рисунок 4.3) с выполненной на ней равновесной линией Y=f(X^*) наносим точки А(Х_н;Y_к)и В(Х_к;Y_н)и соединяем их отрезком прямой.




КС – линия равновесия; AB− рабочая линия

Рисунок 4.3 − X−Y–диаграмма процесса абсорбции NH₃ водой при Р=0,15 МПа, t=30℃

4.2.4 Массовые и объемные расходы фаз через абсорбер

Массовые расходы фаз рассчитывают по уравнениям:

; (4.19)

, (4.20)

где и − массовые расходы жидкой и газовой фаз соответственно, кг/с;

Lx и Gy –молярные расходы жидкой и газовой фаз соответственно,кмоль/с;

Мх и My –молярные массы жидкой и газовой фаз соответственно,кг/кмоль.

Определим конечную массовую долю NH₃ в отработанном поглотителе , .по формуле:

(4.21)

где − молярная масса NH₃, кг/кмоль;

– молярная масса воды,кг/кмоль.

---

=17 кг/кмоль; =18 кг/кмоль.



Так как < 0,05 то массовый расход жидкой фазы через абсорбер можно определить приближённо по зависимости

(4.22)



Массовый расход газовой смеси на входе ее в абсорбер определим по формуле

(4.23)

где − молярная масса исходной газовой смеси, кг/кмоль.

Молярную массу исходной газовой смеси рассчитываем с использованием формулы

(4.24)

где − молярная масса азота

=28 кг/кмоль





Объемные расходы фаз, необходимые для дальнейших расчетов гидродинамических и кинетических характеристик абсорбера, определим по следующим зависимостям:

; (4.25)

, (4.26)

где и − объемные расходы жидкой и газовой фаз соответственно, м³/с;

и − плотности жидкой и газовой фаз соответственно, кг/м³.

Так как содержание NH₃ в растворе не превышает 0,05 , принимаем плотность жидкой фазы равной плотности поглотителя – воды.

При t= 30℃, =999,2 кг/м³.



Так как содержание NH₃ в исходной газовой смеси не превышает 0,03

---