Процессы и аппараты упаковочного производства

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ АБСОРБЦИИ

Материальный баланс и расход абсорбента. В Гл. 1 в качестве примера приложения законов сохранения массы к процессам химиче­ской технологии было получено уравнение (1.6) материального баланса процесса абсорбции:

S

Где G Расход инертного газа, кмоль/с; и У, начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L-расход абсорбсша, кмоль/с; Хн и Хк Начальная и конечная концентрации абсорбтива в поглотителе, кмоль/кмоль абсорбента.

Обычно из уравнения материального баланса определяют общий расход абсорбента:

L=G(YH- YK)/(XK-XJ (16.10)

Или его удельный расход / (кмоль/кмоль инертного газа):

(16.11)

Уравнение (16.11) можно записать следующим образом:

(16.12)

Это уравнение определяет зависимость между составами газа жидкости в произвольном сечении аппарата и поэтому носит название уравнения рабочей линии.

Из уравнения (16.12) следует, что рабочая линия абсорбции в координатах У— X Представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен / = L/G.

Рассмотрим понятие об удельном расходе абсорбента и выбор
размера аппарата для проведения этого процесса. Связь между
удельным расходом абсорбента и размером абсорбера показана на
рис. 16-2, А. В данном случае заданными являются начальная и ко-
нечная концентрации газа (Ун и Ук),' расход инертного газа G И
начальная концентрация абсорбента Хи. Таким образом, переменными в уравнении (16.12) являются расход абсорбента L и его конечная концентрация Хк, от которых зависит положение рабочих
линий на диаграмме Y— X И, следовательно, величина движущей
силы процесса и соответственно размер абсорбера [уравнение
(15.36)]. Через точку А (рис. 16-2, А) С координатами Ук и Хнв в соответствии с уравнением (16.12) проведены рабочие линии АВ,
У,, АВ2, АВ3, Отвечающие различным концентрациям абсорбента
или разным удельным его расходам Поскольку начальная концентрация газа задана, то точки будут лежать на одной горизонтальной прямой.

I

О

Рис. 16-2. К определению удель­ного (а) И оптимального удель­ного (б) Расходов абсорбента (S Затраты в руб.)

Движущая сила процесса абсорбции для любого значения X и Выбранной величины / будет выражаться разностью ординат Y— У*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия. Для всего абсорбера можно принять среднее значение АУср, величина которого, например для линии АВ1, Изображена на рис. 16-2, А Отрезком А7ср. Величина движущей силы будет тем больше, чем круче наклон рабочей линии и, следовательно, чем больше удель­ный расход абсорбента. При совпадении рабочей линии с верти­калью АУср будет иметь максимальное значение, и, следовательно, размеры аппарата при этом минимальны [так как число единиц переноса Пу = (АУб — АУм)/А7ср, то при постоянстве АУМ значения AF6 и АУср максимальны]. Удельный расход абсорбента при этом будет бесконечно большим, поскольку XК = XН И знаменатель в уравнении (16.11) будет равен 0.

Если же рабочая линия АВЪ Касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (т. е. / = /min), а величина АУср в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке Ун = У *; при этом Пу = Оо.

В технике в массообменных, в том числе и в абсорбционных, аппаратах равновесие между фазами не достигается и всегда ХК<Х* (где ^jf-концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом). Поэтому вели­чина / всегда должна быть больше минимального значения /min, отвечающего предельному положению рабочей линии, т. е. линии АВЪ На рис. 16-2. Заменив Хк На X* В уравнении (16.11), получим выражение для определения минимального расхода абсорбента:

Отметим, что увеличение удельного расхода / абсорбента одно­временно с уменьшением высоты абсорбера может привести к за­метному увеличению его диаметра. Это происходит потому, что

48

; увеличением / = L/C Возрастает также расход поглотителя L (G Остается постоянной величиной), а при этом снижаются допустимые •чсорости газа в абсорбере, по которым находят его диаметр. 1оэтому если удельный расход абсорбента не задан (т. е. не задана конечная концентрация Хк Абсорбента), следует выбирать та­кое соотношение между размерами абсорбера затратами на его эксплуатацию и величиной /, при котором величина удельного расхода абсорбента будет оптимальной. Величину оптимального расхода абсорбента /опт находят с помощью технико-экономиче-

Кого расчета. Затраты S (рис. 16-2,5) на поглощение в абсорбере 1 кмоль газа

Южно представить следующим образом:

S = S, + S2 + s3,

Где Sj затраты, не зависящие от размеров аппарата и расхода абсорбента (стои­мость газа, обслуживание и т. д.); S2 Капитальные вложения, зависящие от размеров абсорбера (стоимость энергии на преодоление гидравлического сопротивления при прохождении газа через абсорбер и т. д.); 53 затраты, зависящие от расхода абсорбента (стоимость перекачки абсорбента, расходы на десорбцию и т. д.).

Так как S{ Не зависит от расхода абсорбента, то функция 5 — /(/) на рис. 16-2,6 Выражается горизонтальной прямой линией. Построив по ряду точек зависимости 5"2 =/(/) и 53 = F(/), строим кривую S Общих расходов, которая имеет минимум, соответст­вующий оптимальному удельному расходу /opt абсорбента.