Расчет процесса абсорбции диоксида углерода раствором “Карсол” в агрегате получения аммиака

G_k=ΣG_ci – ΣG_i                                                                                                    (17)

G_k=190685,02-89240,73=101444,29 кг/ч

14. Расход  насыщенного углекислым газом  и другими компонентами водного  раствора К₂СО₃ равен, кг/ч:

А_н=А_р+ G_k                                                                                                         (18)

А_н=361080,3 +101444,29 =462524,59 кг/ч.

15.Составим  таблицу материального баланса  абсорбера.

Таблица 13 - Материальный баланс абсорбера

Поток, поступающий в абсорбер	Количество, кг/ч	%	Поток, выводимый из абсорбера	Количество, кг/ч	%
Неочищенный газ	190685,02	9,77	Очищенный газ	89240,73	4,35
Н2	14705,79	0,75	Н2	14704,1	0,75
N2	68627	3,52	N2	68610,2	3,51
CO2	102450,3	5,25	CO2	1024,5	0,052
инерты	4901,93	0,25	инерты	4901,93	0,25
Регенерированный раствор К2СО3	361080,3	18,5	Насыщенный раствор К2СО3	462524,59	23,92
Непрореагировавший  раствор	1400294,7	71,73	Непрореагировавший  раствор	1400294,7	71,73
Всего	1952060,02	100	Всего	1952060,02	100

Вывод: В  результате расчета материального  баланса абсорбера был определен  состав очищенного технологического газа от  СО₂ на выходе из аппарата, количество регенерированного и насыщенного раствора К₂СО₃.

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Тепловой баланс абсорбера

Схема тепловых потоков аппарата представлена на рис.5.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Рисунок 5 - Схема для расчета теплового баланса абсорбера.

Цель  расчета: тепловой баланс абсорбера  составляется для определения температуры, при которой очищенный газ  выводится из аппарата.

Уравнение теплового  баланса абсорбера имеет вид:

Q_Vc+ Q_Aр+Q_a=Q_V+ Q_Aн+ Q_п,                                                                           (19)

Где Q_Vc , Q_V – количество тепла соответствующего газового потока, кДж/ч; Q_aн – приход тепла с насыщенным абсорбентом, кДж/ч, Q_п - потери тепла в окружающую среду, кДж/ч; Q_Aр- Приход тепла с регенерированным водным раствором К₂СО_3.

Расчет прихода теплоты.

1. Количество  тепла, вносимого в аппарат  газовым сырьем при температуре t_c=40^оС, равно:

Q_Vc= V_с ∙ ∙ t_с ,                                                                                                    (20)

где V_с – объем газового сырья на входе в аппарат, м³/ч; – средняя объемная теплоемкость газовой смеси кДж/( м³∙К). [8]

1.1. Рассчитаем  среднюю теплоемкость газовой  смеси при 65^оС (338К) в кДж/(кмоль∙К):

c(N₂)= ;                                                                  (21)

c(H₂)= ;                                                (22)          

c(CO₂)= ;                                                             (23) 

c(Ar)= ;                                                                                                       (24)

где R – универсальная газовая постоянная.

c(N₂)= кДж/(кмоль∙К);

c(H₂)= кДж/(кмоль∙К);

c(CO₂)= кДж/(кмоль∙К);                                                                                                                                                                       

 c(Ar)= кДж/(кмоль∙К);                                                                                                            

1.2. Пересчет  в кДж/(м³∙К) делаем по формуле:

  ^,                                             (25)

где =22,4 м³/кмоль – объем молярный.

c(N₂)= кДж/( м³∙К),

c(H₂)= кДж/( м³∙К),

c(CO₂)= кДж/( м³∙К),

c(Ar)= кДж/( м³∙К).

1.3. Рассчитаем  среднюю теплоемкость газовой  смеси по правилу аддитивности:

,                                                                    (26)

где – объем компонента в смеси газов, м³/ч;  – средняя объемная теплоемкость компонента в смеси газов, кДж/(м³∙К).

= кДж/(м³∙К).

 

1.4. Вычислим Q_Vc:

Q_Vc= 274508∙1,345∙65=23998861,9 кДж/ч.

2. Приход  тепла с регенерированным водным  раствором К₂СО₃ равен:

Q_Aр=А_р∙с∙t_а ,                                                      (27)

где А_р – количество регенерированного водного раствора К₂СО₃, кг/ч; с=0,906 кДж/(кг∙К) – теплоемкость раствора К₂СО₃ при температуре t_а=50^оС .

Q_Aр=361080,3 ∙0,906 ∙50=16356937,6 кДж/ч [13].

3. Количество  тепла, выделяемого в единицу  времени при абсорбции СО₂ в 20%-ном водном растворе К₂СО₃, рассчитываем по формуле:

Q_а= G_k ∙q_а ,                                                      (28)

где q_а=1675 кДж/кг – теплота хемосорбции СО₂ [13];

Q_а=105844,42 ∙1675 =177289403,5 кДж/ч.

4. Выразим  общий приход теплоты.

Q_прих=23998861,9 +16356937,6 +177289403,5 =217645203 кДж/ч.

Расчет расхода теплоты.

1. Расход  тепла с насыщенным абсорбентом  равен:

Q_Aн=А_н∙с∙t_вых ,                                                 (29)

где с=0,94 кДж/(кг∙К) – теплоемкость насыщенного раствора К₂СО₃ при температуре на выходе из аппарата t_вых=105^оС [13].

Q_Aн=462524,59 ∙0,94∙105=45651177,03 кДж/ч.

2. Потери  теплоты в окружающую среду  Q_п:

Q_п=0,01∙ Q_прих ,                                                     (30)

Q_п=0,02∙217645203=4352904,1 кДж/ч.

3. Расход  тепла Q_V с очищенным газом вычисляется из условия теплового баланса (19) :

Q_V=217645203– 45651177,03 - 4352904,1 =167641121,87 кДж/ч.

3.1. Это же  расход тепла Q_V можем выразить уравнением:

Q_V= V ∙ ∙ t_вых ,                                                            (31)

где V – объем очищенного газа на выходе из аппарата, м³/ч; – средняя объемная теплоемкость газовой смеси кДж/( м³∙К) [8].

3.2. Температуру   газового потока на выходе  из абсорбера определяем по  методу итераций (последовательных  приближений). Для этого зададимся  температурой выхода t_{вых(прин)}=85 ^оС(358К), вычислим при этой температуре среднюю теплоемкость очищенного газа по формулам (21) – (24):

c(N₂)= кДж/(кмоль∙К);

c(H₂)= кДж/(кмоль∙К);

c(CO₂)= кДж/(кмоль∙К);                                                                                                                                                                       

 c(Ar)= кДж/(кмоль∙К);                                                                                                            

3.3. Пересчет  в кДж/(м³∙К) делаем по формуле (25):

c(N₂)= кДж/( м³∙К),

c(H₂)= кДж/( м³∙К),

c(CO₂)= кДж/( м³∙К),

c(Ar)= кДж/( м³∙К).

= кДж/(м³∙К).

3.5. Определяем  температуру t_{вых(расч)} :

t_{вых(расч)}= =583 ^оС.

Нагрев  газа в аппарате до 583 ^оС при заданных условиях невозможен. Поэтому примем температуру К₂СО₃ на выходе из аппарата t_вых=270 ^оС .

3.6. Тогда  расход тепла с насыщенным абсорбентом по формуле (29) равен:

Q_Aн=462524,59 ∙1,67∙270=208552337,6 кДж/ч .

3.7. Расход  тепла Q_V по формуле :

Q_V=217645203 – 208552337,6– 4352904,1 =24578181,92 кДж/ч.

Снова зададимся  температурой выхода t_{вых(прин)}=85^оС (358К), средняя теплоемкость очищенного газа уже рассчитана =1,29 кДж/(м³∙К).

3.8. Определяем  температуру t_{вых(расч)} :

t_{вых(расч)}= =85,5^оС.

4. Проверим  выполнение условия:

  _^оС.                                      (32)

[85,5- 85,5]≤ 0,5 ^оС – условие выполняется

5. Составим  таблицу теплового баланса и  рассчитаем вклад каждого потока  прихода (расхода) теплоты в  общий приход (расход) теплоты. 

Таблица 14 - Тепловой баланс абсорбера

Приход			Расход
Статья	кДж	%	Статья	кДж	%
QVc QAр Qа Всего	23998861,9 16356937,6 177289403,5 217645203	11,03 7,52 81,45 100	QV QAн Qп Всего	167641121,87 45651177,03 4352904,1 217645203	76,82 21,17 2,01 100

 

Вывод: Самый большой поток в приходе теплоты Q_a, так как абсорбируется большое количество СО₂ и высокая теплота хемосорбции. Поток Q_Aн большой, так как раствор K₂CO₃ сильно насыщается углекислым газом и частично азотом, водородом.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Расчет основного и вспомогательного оборудования

 2.6.1Расчет абсорбера

Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

Для расчета  коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и       рассчитать скорости потоков в абсорбере.

Выбираем  неупорядоченные насадки:

Насадка: керамические кольца Палля 50х50х5 ;

Свободный объем - =0,78;

Эквивалентный диаметр – d_э=0,026 м;

Динамическая  вязкость поглотителя –μ_x=1,1∙10^-3 Па∙с

Удельная  поверхность – a=120  м²/м³;

Коэффициенты  – B=1,04, A = -0,49;[11]