Моделирование системы управления абсорбцией

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ Лекция №6 . Моделирование системы управления абсорбцией. Описание процесса абсорбции Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных веществ. 2 Описание процесса абсорбции Применяемые для абсорбционных процессов массообменные аппараты принято подразделять на две группы: с непрерывным (насадочные колонны) и со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые колонны). Принципиальная схема противоточного аппарата со ступенчатым контактом фаз приведена на рис. 3 Описание процесса абсорбции При рассмотрении процесса абсорбции ограничимся простым случаем, когда в массопереносе участвует лишь один из компонентов. Тогда каждую из взаимодействующих фаз можно считать бинарным раствором, состоящим из распределяемого компонента (участвующее в массопереносе вещество) и инертного компонента (остальные компоненты данной фазы). Для характеристики состава раствора достаточно указать концентрацию распределяемого компонента. В качестве исходных данных при расчете абсорбционных процессов обычно задаются начальные составы разделяемой смеси и разделяющего агента (абсорбента), расход исходной газовой смеси, а также конечная концентрация в ней извлекаемого компонента. Результаты расчета: расход абсорбента, параметры конструкции и технологического режима аппарата. 4 Математическое описание процесса абсорбции Материальный баланс непрерывного процесса абсорбции в установившихся условиях может быть представлен следующей системой уравнений: 5 Математическое описание процесса абсорбции Полный массовый или мольный поток распределяемого компонента из одной фазы в другую во всем аппарате может быть найден из уравнений: Работу массообменного аппарата часто характеризуют степенью извлечения распределяемого компонента. Для абсорбции степень извлечения s равна: 6 Математическое описание процесса абсорбции Кроме уравнений, характеризующих работу всего аппарата, должны соблюдаться уравнения внутреннего материального баланса, описывающие работу отдельных ступеней аппарата. Для противоточных аппаратов со ступенчатым контактом фаз эти уравнения связывают концентрацию распределяемого компонента в фазе, выходящей из какой-либо ступени (yj), с его концентрацией в другой фазе, поступающей на ту же ступень (xj +1 ): 7 Математическое описание процесса абсорбции Если расходы существенно меняются внутри аппарата, т.е. если Lj +1 , Vj заметно зависят от номера ступени, то уравнения нелинейны и должны быть дополнены уравнениями: 8 Математическое описание процесса абсорбции 9 Математическое описание процесса абсорбции Для определения температуры фаз (которая должна быть одинаковой) систему уравнений материального баланса необходимо дополнить уравнениями теплового баланса для всего аппарата и для каждой ступени: 10 Математическое описание процесса абсорбции При расчете неизотермических процессов кроме параметров, характеризующих входные потоки, в качестве исходных данных обычно задаются числом ступеней разделения. Повторение расчетов при различном соотношении расходов фаз и числе ступеней позволяет найти условия, при которых могут быть получены определенные конечные составы. Возможная схема расчета для неизотермической абсорбции, проводимой в тарельчатом аппарате, показана на рис. 11 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз 12 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз В соответствии с этой схемой сначала задаются числом тарелок, кпд тарелки, составом и температурой газа на выходе из абсорбера. Затем из материального и теплового балансов для всего процесса определяют конечные расходы фаз, температуру и состав выходящей из абсорбера жидкости. После этого, используя уравнения балансов и равновесия, проводят последовательный расчет расходов, составов и температур для всех ступеней. Полученные значения температуры и концентрации в газе на последней ступени сопоставляют с yк и tг.к., которыми задавались в начале расчета. При значительном расхождении расчет повторяют, при этом за новые значения конечной концентрации и температуры газа принимают значения, полученные в предыдущей итерации. 13 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Мольные энтальпии жидкости и газа (кДж/кмоль) рассчитываются по следующим формулам: Мольная теплоемкость связана с массовой теплоемкостью с (кДж/(кг·град)) и молекулярной массой Mк (кг/кмоль): 14 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Температура газа, выходящего из абсорбера t(0)г.к. , задаваемая в качестве первого приближения, принимается большей начальной температуры абсорбента на 1÷3 оС. Первое приближение степени извлечения распределяемого компонента s(0) выбирается из диапазона 85÷98 %. На основе первого приближения рассчитываются параметры потоков на выходе аппарата: 15 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Энтальпия жидкости определяется с помощью уравнения: 16 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Определив величины yк и tж.к., необходимо провести потарелочный расчет с целью уточнения степени извлечения s. При этом для первой тарелки известны следующие величины: 17 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Расход газа, уходящий с первой тарелки, а также расход и состав жидкости, поступающей на первую тарелку со второй, находим с помощью уравнений: 18 Алгоритм расчета абсорбера со ступенчатым контактом фаз Из теплового баланса для первой ступени можно определить температуру поступающей на нее жидкости: Определяется концентрация распределяемого компонента в газовой фазе на второй тарелке и т.д. до нахождения tN и yN. После этого расчетные значения сравниваютсяс конечными. Если они равны с заданной точностью, то расчет прекращают, иначе процедуру потарелочного расчета повторяют, при этом приняв в качестве следующего приближения данные из предыдущей итерации. 19 Регулирование состава очищенного газа на выходе абсорбционной установки Отклонения качественных характеристик очищенного газа от требуемых значений возможны в результате наличия возмущений на входе установки (состав, расход, теплофизические свойства исходной газовой смеси и абсорбента), а также отклонений (температура и давление в аппарате). В этой связи целесообразно применение системы регулирования степени извлечения изменением расхода абсорбента и его температуры. 20 Регулирование состава очищенного газа на выходе абсорбционной установки Для поддержания температуры абсорбента его подают в холодильный аппарат, в котором он охлаждается в результате переноса тепла через поверхность стенок холодному теплоносителю (хладагенту). Необходимое количество хладагента G определяется путем расчета тепловой нагрузки на холодильник: 21