Расчет тарельчатого абсорбера

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае — хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.

В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т. д.

При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика — основными уравнениями массопередачи.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.

В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.

Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насадкой — твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличивается поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарелками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх.

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недостатки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками — дополнительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны — наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, насадка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным преимуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных абсорберах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидкости и при больших тепловыделениях.

Для поглощения NH3 водой; V = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас. %

Степень улавливания 96%. Температура 20? С.

Константа Генри 2070 мм рт. ст. = 0,276 МПа

1. Технологическая схема

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер, А с ситчатыми тарелками. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор аммиака при температуре 20 С° является коррозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 °C [4с59].

3. Материальный расчет абсорбера

3.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат

Мольная концентрация NH3 в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

где МВ = 17 — мол. масса NH3;

МА = 29 — мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

Мсм = МB + (1-)МA = 17•0,19+29•0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

0Н = Мсм/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м3,

при рабочих условиях: t = 20 C; Р = 0,1 МПа:

Н = ОНТ0Р/(ТР0) = 1,19 273/293 = 1,11 кг/м3.

3.2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат

GН = VН = 1,391,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м3/с.

3.4 Расход распределяемого компонента и инертного вещества

Gркн = GНн = 1,540,12 = 0,185 кг/с,

Gин = GН(1 — н) = 1,540,88 = 1,355 кг/с.

3.5 Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = Gркн0,96 = 0,1850,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

Gркк = Gркн — М = 0,185 — 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gн — М = 1,54- 0,178 = 1,362 кг/с.

3.6 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе

= Gркн / Gин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= Gркк / Gин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

3.7 Расход инертной фазы

С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где Мвод = 18 — молярная масса воды,

= 2070 мм рт. ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH3

0,136 = 170,276 /{290,1[17/18 + (1 — 0,276/0,1)]}.

Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку, А (= 0; = 0,005) и точку В (= 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды mmin:

mmin = tgmin = = (0,136−0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3mmin = 1,31,90 = 2,47 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:

,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

Через точки, А и С (;) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции.

Рис. 1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде.

Расход воды на входе:

Lин = mGин = 2,471,355= 3,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

LK = Lин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. Определение диаметра абсобера

4.1 Скорость газа в абсорбере

w = 0,05(сжг)0,5

где сж = 998 кг/м3 — плотность воды при 20? С [1c. 537];

сг — плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

yк = МВк/(МВкА) = 290,005/(290,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = МАу+(1 — у) МВ = 170,099+290,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

г = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,83 273•0,1/(22,4293•01) = 1,16 кг/м3.

w = 0,05(998/1,16)0,5 = 1,47 м/с

4. 2 Диаметр абсорбера

d =

где Gср — средний расход газовой фазы:

Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4•1,451/1,47•р•1,16)0,5 = 1,04 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

wг = 1,47(1,04/1,0)2 = 1,59 м/с.

4. 4 Характеристика стандартной тарелки

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки — 0,713 м2;

Диаметр отверстий — 5 мм;

Шаг отверстий — 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки — 10%

Сечение перелива — 0,036 м2;

Периметр слива, Lc — 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

5. Расчет высоты абсорбера

5.1 Высота светлого слоя жидкости

h0 = 0,787q0,2hпер0,56wгm[1 — 0,31exp (-0,11 мx)]

где hпер = 0,04 м — высота переливной перегородки;

q — линейная плотность орошения;

мх = 1,0 мПа•с — вязкость воды при 20? С [1c, 537]

m = 0,05 — 4,6hпер = 0,05 — 4,6•0,04 = -0,134

q = Q/Lc = 0,0034/0,8 = 0,0043 м3/м•с

Q = L/сж = 3,436/998 = 0,0034 м3/с — объемный расход воды

h0 = 0,787•0,00430,2•0,040,56•1,59-0,134[1 — 0,31exp (-0,11•1,0)] = 0,029 м

5.2 Плотность орошения

U = L/сжSк

где Sк = 0,785d2 — площадь колонны;

U = 3,436/998•0,785•1,02 = 0,0044 м32•с

5.3 Газосодержание барботажного слоя

е = Fr0,5/(1+Fr0,5)

где Fr — критери Фруда:

Fr = w2/gh0 = 1,592/9,8•0,029 = 8,9

е = 8,90,5/(1+8,90,5) = 0,75

5. 4 Вязкость газовой смеси

Вязкость воздуха при 20 С

,

где 0 = 17,310-6 Пас — вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],

c = 124 — вспомогательный коэффициент.

= 17,310-6(273+124)/(293+124)(293/273)3/2 = 18,310-6 Пас

Вязкость аммиака при 20 С

где 0 = 9,1810-6 Пас — вязкость воздуха при 0 С [1c. 513]

c = 626 — вспомогательный коэффициент

= 9,1810-6(273+626)/(293+626)(293/273)3/2 = 9,9810-6 Пас

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / см = 170,099/9,9810-6 + 290,901/18,310-6

откуда г = 17,410-6 Пас

5.5 Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,010-60,1(293/273)3/2/0,1 = 18,910-6 м2/с,

D0 = 17,010-6 м2/с — коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: Dж = 1,810-9 м2/с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

вжf = 6,24•105Dж0,5[U/(1-е)]0. 5h0г/(мгж)]0,5 =

= 6,24•105•(1,810-9)0,5[0,0044/(1−0,75)]0. 5•0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 0,013 м/с

вжf = 0,0013•сж = 0,0013•998 = 13,3 кг/м2•с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

вгf = 6,24•105Dг0,5(w/е)0. 5h0г/(мгж)]0,5 =

= 6,24•105•(18,910-6)0,5(1,59/0,75)0. 5•0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 14,98 м/с

вгf = 14,98•сг = 14,98•1,16 = 17,4 кг/м2•с.

5. 8 Коэффициент массопередачи

Kyf = 1/(1/вгf + m/вжf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м2•с

где m = 1,97 — коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9 Движущая сила процесса массопередачи:

Дм = к = 0,005 кг/кг

Дб = н — рн = 0,136 — 0,104 = 0,032 кг/кг

Дср = (б — м)/ln (б/м) =

(0,032 — 0,005)/ln (0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг

5. 10 Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/KyfДcp = 0,178/4,86•0,0145 = 2,53 м2

Рабочая площадь тарелки:

f = ц0,785d2 = 0,1•0,785•1,02 = 0,0785 м2

где ц = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5. 11 Высота колонны

Н = Нт(n-1)+Z1+Z2

где Нт = 0,5 м — расстояние между тарелками;

Z1 = 1,6 м — высота сепарационного пространства;

Z2 = 2,8 м — высота кубового пространства.

Н = 0,5(32−1)+1,6+2,8 = 19,9 м

6. Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

ДРс = жw2сг/2ц2

где ж = 1,5 — коэффициент сопротивления тарелки [2c. 44];

ц = 0,1 — относительное свободное сечение колонны.

ДРс = 1,5•1,592•1,16/2•0,12 = 220 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ДРу = 4у/dэ = 4•0,07/0,005 = 56 Па

где у = 0,07 Н/м — поверхностное натяжение воды;

dэ = 0,005 м — диаметр отверстий.

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

ДРсл = сжgh0 = 998•9,8•0,029 = 284 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки:

ДРт = ДРс+ДРу+ДРсл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5 Полное сопротивление колонны:

ДР = 560•32 = 17 920 Па.

6.7 Подбор газодувки и насоса для подачи воды

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80−1,2 [3c. 42], для которой V=1,67 м3/с, а ДР = 20 000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = Lинж = 3,347/998 = 0,0034 м3/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31 [3c. 38], для которого Q = 0,0055 м3/с и Н=25 м.

7. Конструктивный расчет

7.1 Толщина обечайки

= 1,00,1/21 380,8 + 0,001 = 0,003 м,

где д = 138 МН/м2 — допускаемое напряжение [3c 394],

= 0,8 — коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Ск = 0,001 м — поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки = 8 мм.

7.2 Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533– — 78 [3 c. 25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.

Масса днища mд = 74,3 кг.

Объем днища Vд = 0,162 м3.

7.3 Фланцы

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26−428−79 [4c36]:

7.4 Штуцера

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d1,2 = (3,436/0,7 851 998)0,5 = 0,066 м,

принимаем d1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d3,4 = (1,451/0,785 251,16)0,5 = 0,252 м,

принимаем d3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12 820–80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

dусл

D

D2

D1

h

n

d

65

160

130

110

14

4

14

250

370

335

312

21

12

18

7.5 Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,

размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2обс

где Dн = 1,016 м — наружный диаметр колонны;

Dвн = 1,0 м — внутренний диаметр колонны;

Ноб = 20 м — высота цилиндрической части колонны

с = 7900 кг/м3 — плотность стали

mоб = 0,785(1,0162-1,02)20,0·7900 = 4000 кг

Общая масса колонны. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т. д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = mоб + mт + 2mд = 1,1(4000+32•41,5+2·74,3) = 6024 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

mв = 1000(0,785D2Hц. об + 2Vд) = 1000(0,785·1,02·20 + 2·0,162) = 16 024 кг

Максимальный вес колонны

mmax = mк + mв = 6024 +16 024 =22 048 кг = 0,216 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0. 94 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 1,1 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D22 — D12) = 0,785(1,102 — 0,942) = 0,256 м2

Удельная нагрузка опоры на фундамент

= Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 МПа < [] = 15 МПа — для бетонного фундамента.

Литература

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л. :Химия, 1987, 576 с.

2. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. — Иваново. 1984.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю. И. Дытнерского. М. :Химия, 1983. 272 с.

4. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. — Иваново, 2004.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой