Розрахунок насадкового абсорбера для поглинання сірки оксиду (IV) водою

Размещено на http://allbest.ru/

236

Вступ

Абсорбцією називають процес поглинання газів і парів із газових чи парогазових сумішей рідкими поглиначами. В промисловості процеси абсорбції використовуються головним чином для видалення цінних компонентів з газових сумішей чи для очищення цих сумішей від шкідливих домішок. Можливість здійснення процесу абсорбції базується на розчиненні газів в рідині. Процес абсорбції оборотний, тому він використовується не тільки для отримання розчинів газів в рідинах, але і для розділення газових сумішей. При цьому після поглинання одного або декількох компонентів газу з газової суміші необхідно провести виділення з абсорбенту поглинених компонентів, тобто десорбцію.

За своєю природою розрізняють два види абсорбції: фізичну, при якій витягання компонентів з газу відбувається завдяки їх розчинності в абсорбентах і хімічну (хемосорбцію), засновану на хімічній взаємодії витягуваних компонентів з активною частиною абсорбенту. Швидкість фізичної абсорбції визначається дифузійними процесами, швидкість хемосорбції залежить від швидкості дифузії і хімічної реакції.

При виборі абсорбенту враховують склад газу, що розділяється, тиск і температуру процесу, продуктивність установки. Вибір абсорбенту визначається також його селективністю, поглинаючою здатністю, корозійною активністю, вартістю, токсичністю і іншими чинниками.

В абсорбційних процесах беруть участь дві фази - рідка і газова, і відбувається перехід речовини з газової фази в рідку. Рідка фаза складається з поглинача і абсорбуючого компонента.

В багатьох випадках поглинач представляє собою розчин активного компонента, який вступає в хімічну реакцію з абсорбером; при цьому речовина,в якій розчинений активний компонент, називають розчинником. Інертний газ і поглинач є носіями компонента відповідно в газовій і рідкій фазах.

Абсорбційні апарати широко розповсюджені в хімічній технології і являються основною технологічною стадією ряду важливіших виробництв( наприклад,абсорбція окисів азоту водою у виробництві нітратної кислоти;абсорбція аміаку ,парів бензолу, сірководню і інших компонентів з коксового газу; абсорбція парів різних вуглеводнів з газів переробки нафти і ін.). Крім того, абсорбційні процеси являються основними процесами при санітарній очистці газів від шкідливих домішок, під час викиду його в атмосферу( наприклад, очистка топкових газів від вуглекислого газу і ін.)

Апарати, в яких здійснюються абсорбційні процеси, називають абсорберами. Як і другі процеси масо передачі, абсорбція протікає на поверхні розподілу фаз. Тому абсорбери мають мати розвинену поверхню зіткнення між рідиною і газом. За способом утворення цієї поверхні абсорбери можна умовно поділити на наступні групи:

1. Поверхневі і плівкові;

2. Насадкові;

3. Тарілчасті;

4. Розпилювальні.

Апарати абсорбції класифікуються залежно від технологічного призначення, тиску і виду внутрішнього устрою, що забезпечує контакт газу (пара) і рідини.

Насадкові абсорбери являють собою колони, які загружені насадкою з тіл різної форми ( кільця, дерев'яні решітки ). Зіткнення газу з рідиною відбувається в основному на змоченій поверхні насадки, по якій стікає зрошувана рідина. Поверхня насадки в одиниці об'єму апарата може бути великою і тому в порівняно невеликих об'ємах можна створити значні поверхні масо передачі.



1. Опис конструкцій апарата та його робота

Насадковий абсорбер складається з колони, в якій поміщені підтримуючі решітки, на які викладені шар насадки. Зрошувана рідина подається на насадку за допомогою розподільного пристрою. Іноді насадку викладають кількома шарами, встановлюючи під кожним шаром окремі підтримуючи решітки. Рух газу і рідини в насадкових абсорберах зазвичай відбувається проти потоку.

Недостача насадкових абсорберів - важкість відводу тепла в процесі абсорбції. Зазвичай застосовують циркуляційне відведення тепла, використовуючи виносні холодильники.

Рис.1-Насадковий абсорбер.1 - насадка; 2- опорна решітка; 3- розподільник рідини; 4- пере розподілювачі рідини.

Насадка 1 вкладається на опорні решітки 2,які мають отвори чи щілини для проходження газу и потоку рідини. Останнє за допомогою розподільника 3 рівномірно зрошує насадкові тіла і стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілення рідини по перетину колони зазвичай не досягається, що пояснюється пристінковим ефектом - більшою щільністю укладання насадки в центральній частині колони, ніж біля її стінок. Внаслідок цього рідина має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметра насадку іноді викладають шарами( секціями) висотою 2 - 3 м і під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють пере розподілювачі рідини 4. В насадковій колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадкові апарати можна розглядати як різновид плівкових. Однак в останніх плівковий потік рідини відбувається по всій висоті апарата, а в насадкових абсорберах - тільки на висоті елемента насадки. При перетіканні рідини з одного елемента насадки на другій - плівка рідини руйнується і на елементі, що пролягає нижче, утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді струйок , крапель і бризок.

Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою(застійною) рідиною. Основними характеристиками насадки являється її питома поверхня а(м²/м³) і вільний об'єм е (м^3/м³). Величину вільного об'єму для непористої насадки зазвичай визначають дорогою заповнення насадки водою. Відношення об'єму води до об'єму, який займає насадка, дає величину е. Еквівалентний діаметр насадки знаходиться за формулою:

Гідродинамічні режими. Насадкові абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах.

Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликій щільності зрошення і малих швидкостях газу. Кількість затримуваної в насадці рідини при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.



Залежність гідравлічного опору насадки від швидкості газу в колоні: 1 - суха насадка; 2 - зрошувана насадка.

Другий режим - режим підвисання. При протитечії фаз унаслідок збільшення сил тертя газу з рідиною на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. В результаті цього швидкість потоку рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються. В режимі підвисання з збільшенням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно - інтенсивність процесу масо передачі. В режимі підвисання спокійна течія плівки порушується: з'являються завихрення,бризки, створюються умови переходу до барпотажу. Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.

Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини в вільному об'ємі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікаючою рідиною і що піднімається по колоні газом не зрівноважить силу тяжіння рідини ,що знаходиться в насадці. При цьому наступає перетворення чи інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою , а газ - дисперсною). Утворюється газорідка дисперсна система,що на вигляд нагадує барботажний шар (піну) чи газорідку емульсію. Режим емульгування починається в найвужчому січенні насадки, щільність засипки якої, як вказувалося, нерівномірна по січенню колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений по всій висоті насадки. Гідравлічний опір колони при цьому різко зростає.

Як правило, робота в режимі підвисання і емульгування доцільна лише у випадку, якщо підвищення гідравлічного опору апарату не має істотного значення (наприклад, якщо абсорбер працює при підвищеному тиску). Тому більшість адсорберів насадок працюють в плівковому режимі . Межею стійкої роботи колон насадок є швидкість газу, відповідна точці інверсії (або захлинання).

Насадки, вживані для заповнення насадкових абсорберів, мають володіти великою питомою поверхнею ( поверхнею на одиницю об'єму) і великим вільним об'ємом. Крім того насадка повинна чинити малий опір газовому потоку, добре розподіляти зрошувану рідину,бути стійкою до хімічної дії рідини і газу,які рухаються в колоні,володіти високою механічною міцністю,мати невисоку вартість і володіти корозійною здатністю у відповідних середовищах. Для зменшення тиску на підтримуючий пристрій і стінки насадка має мати малу питому вагу. Найбільш розповсюдженим видом насадки є спеціально виготовлені тіла різної форми,які забезпечують більш рівномірне зрошення насадок, які повністю задовольняють всі вказані вимоги, не існують, наприклад, збільшення питомої поверхні насадки, що веде за собою збільшення гідравлічного опору апарату і зниження граничних навантажень. В промисловості приймають різі по формі і розмірам насадки, які в тій чи іншій мірі відповідають вимогам, які являються основними при проведенні процесу абсорбції. Насадки виготовляються з різних матеріалів (кераміка, фарфор, сталь, пластмаса і інші), вибір яких залежить від питомої поверхні, змочуваністю і корозійною стійкістю.



Рис.2 - Типи насадок :

а- кільця Рашинга, безладно укладені (навалом); б- кільця з перегородками, правильно укладені; в- спіральні кільця,насадка «Гудлсе»; г- кулі Паля; д- насадка «Спрейпак»;е- сідлоподібна насадка,сідла «Берля», ж- хордова насадка, з- сідла «Інталокс».

Вживані в абсорберах насадки можна поділити на два типи : регулярні(правильно укладені) і безладні (що засипають в навал) насадки. До регулярних відносяться хордова, кільцева( при правильному укладанні) і блокова насадки. До безладних відносяться - кільцева(при завантаженні в навал), сідлоподібна і шматкова насадки.

Хордова дерев'яна насадка зазвичай використовується в абсорберах, які мають значний діаметр. Основна її перевага - простота у виготовленні, недоліки - відносно невелика питома поверхня і малий вільний об'єм. Під час вибору розмірів насадки треба враховувати, що чим більше розміри її елемента, тим вище допустима швидкість газу (і відповідно - продуктивність абсорбера) і нижче його гідравлічного опору. Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижче за рахунок зменшення діаметра апарата, не дивлячись на те, що його висота трошки збільшується у порівнянні з висотою апарата, який має насадку малих розмірів( як наслідок зниження величини питомої поверхні насадки і інтенсивності масо передачі).

При виборі розмірів насадки слід враховувати, що чим більше розміри її елементу, тим вище допустима швидкість газу (і відповідно - продуктивність абсорбера) і нижче його гідравлічний опір. Загальна вартість абсорбера з насадкою з елементів великих розмірів буде нижча за рахунок зменшення діаметру апарату, не дивлячись на те, що його висота декілька збільшиться в порівнянні з висотою апарату, що має насадку менших розмірів.

Мала насадка переважно також при проведенні процесу абсорбції під підвищеним тиском, в цьому випадку гідравлічний опір абсорбера не має істотного значення. Крім того, мала насадка, що володіє великою питомою поверхнею, має переваги перед великою тоді, коли для здійснення процесу абсорбції необхідно більше число одиниць переносу чи теоретичних рівнів зміни концентрації.



2. Технологічна схема та її опис

Рис. 1. Технологічна схема установки

Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в насадковий абсорбер А. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається вода. Вода стікає по насадці вниз, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. При взаємодії фаз діоксид сірки розчиняється у воді й повітря очищається. Вода, насичена SO₂, самопливом надходить у прийомну ємність ПЄ, а очищене повітря викидається в атмосферу.

У результаті абсорбції діоксиду сірки водою утворюється лужний розчин, що є корозійно-активним, тому вибираємо насадковий тип абсорбера з керамічною насадкою, а в якості конструкційного матеріалу для основних деталей - нержавіючу сталь Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), що є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600°С.



3. Технологічний розрахунок

Завдання. Розрахувати та запроектувати насадковий абсорбер для поглинання сірки оксиду (IV) водою продуктивністю 950 м³/год. по газовій суміші за нормальних умов. Початкова концентрація сірки оксиду (IV) у газоповітряній суміші 7,6 % об. Кількість газу поглинутого водою складає 92%. Тиск збільшений на 5 атм. Абсорбція проводиться при середній температурі 25⁰С. Насадка - хордова 10 х 100 мм.

1. Технологічний розрахунок

Мета технологічного розрахунку - визначення поверхні масопередачі і геометричних розмірів апарату.

Поверхня масопередачі може бути знайдена з основного рівняння масопередачі:

,(1)

де К_х і К_у - коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м²?с);

- середні рушійні сили по фазах, кг/кг; М - кількість аміаку, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с.

3.1 Маса сірки оксиду (IV), яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію

Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:

= L_min()(2)



де L, G - витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;

- початкова і кінцева концентрації аміаку у воді, кг SO₂/кг H₂O; , - початкова і кінцева концентрації аміаку в газі, кг SO₂/кг повітря; L_min - мінімальні витрати абсорбента за умови рівноважної кінцевої концентрації аміаку у воді .

Переводимо концентрацію поглинутого газу в рідині з мольної концентрації у масову концентрацію:

y?_n =

M_сум = М_{SO2 *} y _n + М_пов (1- y_n) = 64 * 0,076 + 29(1 - 0,076)= 31,66 кг/ моль

y?_n = (64 * 0,076)/ 31,66 = 0,154 кг SO₂/кг суміші

y?_к =

y?_к = (64 * (0,076* 0,08))/ 31,66 =0,012291 кг SO₂/кг суміші

Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і рідині у обраній для розрахунку розмірності:

= = 0,402 кг SO₂/кг повітря;(3)

= = 0,0275 кг SO₂/кг повітря;(4)

За умови = 0.

Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки. Густина SO₂ за робочих умов:

абсорбція газ рідкий поглинач



= 13,09 кг/м³. (5)

Густина повітря за робочих умов:

= 5,93 кг/м³, (6)

де M_SO2= 64 кг/кмоль - молекулярна маса SO₂; М_пов = 29 кг/кмоль - молекулярна маса повітря.

Початкова мольна концентрація SO₂ в газовій суміші:

= 0,0762,(7)

Густина газової суміші на вході в абсорбер:

с_сум = у_поч?+ (1 - у_п) с_пов=0,0762?13,09 + (1 -0,0762)?5,93=6,48 кг/м³.(8)

Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:

G_сум = V?с_сум = 950*6,48/3600 = 1,71 кг/с. (9)

Витрата повітря G:

G = G_сум(1 - ) = 1,71(1 -0,154) = 1,45 кг/с.

Маса SO₂, що поглинається водою за одиницю часу:



М = G = 1,45(0,402 - 0,0275) = 0,54 кг/с.(10)

Для визначення кінцевої рівноважної концентрації SO₂ у воді спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію SO₂ у воді в мольних частках:

= 0,093 кмоль SO₂ / кмоль H₂O,(11)

де П - тиск в абсорбері, мм. рт. ст.; Е = 3100 мм.рт. ст. - константа Генрі для системи SO₂ - вода.

Відносна масова концентрація:

= = 0,365 кг SO₂/ кг Н₂О, (12)

де М_в = 18 кг/кмоль - молекулярна маса води.

З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:

L_mіn = М/ = 0,54 / 0,365 = 1.479 кг/с.

Робоча витрата абсорбента [2]:

L = G_сум · L_mіn = 1,71?1,479 = 2,529 кг/с.

Кінцева концентрація SO₂ у воді на виході з абсорбера:

0,54 / 2,529 = 0,214 кг SO₂/ кг Н₂О. (13)



Питома витрата поглинача:

? = L/G = 2,529/1,45 = 1,74 кг/кг. (14)

Перевіримо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:

М = G(_п - _к) = L( - )=0,54 (15)

Баланс дотримується.

3.2 Рушійна сила масопередачі

Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази:

, (16)

де ; ; - концентрація сірки діоксиду на вході газу в абсорбер, рівноважна з концентрацією SO₂ у воді на виході рідини з абсорбера; - концентрація SO₂ на виході газу з абсорбера, рівноважна з концентрацією SO₂ у воді на вході рідини в абсорбер.

Враховуючи, що за умови = 0, також дорівнює нулю.

Рівняння рівноваги між фазами при концентраціях у відносних масових одиницях має вигляд:

=m (17)

Знайдемо коефіцієнт розподілу m і :



m = = 0,402/0,365 = 1,1; (18)

= m= 1,1? 0,214 = 0,235.

Тоді

0,402- 0,235 = 0,167;

0,0275 - 0 = 0,0275;

= (0,167- 0,0275)/?n(0,167/0,0275)=0,077 кгSO₂/кг повітря.

3.3 Швидкість газу і діаметр абсорбера

Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

d = , (19)

де V - об'ємні витрати газу за робочої температури t в абсорбері, м³ / с;

V₀ - об'ємні витрати газу за нормальної температури t₀;

w - швидкість газу, віднесена до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Для насадкових колон швидкість газу приймають на 15 - 30 % менше швидкості захлинання w_з, яку визначають із залежності [1]:

Rе_г = 0,045 Аr^0,57 (G/L)^0,43, (20)

де Аr = - критерій Архімеда; w_з = Rе_г?а?µ_г/4с_г;

а - питома поверхня насадки, м² / м³; м_г - в'язкість газа при температурі в абсорбері, Па?с; L, G - витрати фаз, кг / с; d_е - еквівалентний діаметр насадки,м; с_г і с_р - густина газу і рідини відповідно, кг/м³. L, G - витрати фаз, кг / с.

Характеристики хордової насадки насадкового абсорберу 10 х 100 (додаток 5.2).

а = 65 м²/м³; d_е = 0,042 м;е = 0,68 м³/м³;

Густина с_г = 1,45 кг/м³ (попередні розрахунки); с_р = 999 кг/м³.

Витрати фаз: L = 2,529 кг/с; G = G_сум = 1,71 кг/с.

Знайдемо в'язкість повітря і SO₂ при робочій температурі (25⁰С) за залежністю [3]:

, (21)

де µ₀ - в'язкість за нормальних умов, Па?с; Т - абсолютна температура, ⁰С; С - постійна.

µ_п = 18?10^-6 Па?с; в'язкість SO₂ µ_А = 14?10^-6 Па?с - взято з Інтернету.

Розрахуємо в'язкість газової суміші µ_г із залежності [3]:

, (22)

де М_с = - молекулярна масса суміші,кг/кмоль. (23)

М_с = 64?0,0762 + 29(1 - 0,0762) =31,66 кг/кмоль.

М_с/µ_г = 348342,86 + 1488344,44 = 1836687,3

звідки

µ_г = M_с / 1836687,3 = 17,24?10^-6 Па?с.

Число Архімеда

Аr = = 15,7?10⁹.

Число Рейнольдса

.

Фіктивна швидкість захлинання:

w_з = = 1,066 м/с.

Робоча швидкість:

w = 0,8?1,066 = 0,853 м/с.

Об'ємні витрати газу за робочих умов:

V = G_сум/с_сум = 1,71/6,48 = 0,264 м³/с. (24)

Діаметр абсорбера:

d =((4?0,264/(3,14?1,853))^0,5 = 0,628 м.

Приймемо діаметр абсорбера (з ряду стандартизованих діаметрів) d = 0,6 м.

Примітка:під час розрахунків для спрощення приймалося, що витрати газової і рідкої фаз по висоті абсорбера не змінюються. Для більш точного розрахунку потрібно врахувати зміну витрат за рахунок зміни концентрації SO₂, тобто розрахувати витрату на виході з апарату і визначити її середнє значення.

3.4 Розрахунок густини зрошування і коефіцієнта змочуваності насадки

Густину зрошування (швидкість рідини) розрахуємо за формулою (4.15) [1]:

U = L/(с_р?S),(25)



де S - площа поперечного перерізу абсорбера, м²; L - витрати абсорбенту, кг/с; с_р - густина рідини, кг/м³.

U = 2,529/(999?0,785?0,6²) = 8,96?10^-3 м/с.

Визначимо мінімальну ефективну густину зрошування U_min по залежності (4.16) [1] :

U_mіn = аq_еф,(26)

де q_еф - ефективна лінійна густина зрошування; а - питома поверхні насадки, м²/м³; для хордової насадки а = 65 м²/м³; q_еф = 0,033?10^-3 м²/с.

U_mіn = 65?0,033?10^-3 = 2,112?10^-3 м/с.

Таким чином U > U_mіn, тобто коефіцієнт змочення насадки Ш = 1.

Таким чином, можна вважати, що коефіцієнт змочуваності насадки Ш = 1.

3.5 Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі

а) У газовій фазі з рівняння (4.28) [1] (насадка нерегулярна):

Nu,(27)

де - Nu_г = ; в_г - коефіцієнт масовіддачі для газу,; D_г - коефіцієнт дифузії компоненту в газовій фазі, м²/с; у = 65 - питома поверхня насадки, м²/м³; с_г = 6,48 - густина газу, кг/м³; µ_г = 17,24?10^-6 - в'язкість газу, Па?с; w = 0,93 - фіктивна швидкість газу, м/с; d_е = 0,042 - еквівалентний діаметр насадки, м.

Коефіцієнт дифузії SO₂ у повітрі за нормальних умов

D₀ = 12,2?10^-6 м²/с.

Визначимо коефіцієнт дифузії при робочих умовах по залежності:

D_г = D₀= 12,2?10^-6?(760/3800)?(298/273)^3/2 = 2,78?10^-6 м²/с.

Критеріїї Rе_г і Рr_г:

Rе_г = 4?0,93?6,48/(65?17,24?10^-6) = 21511;

Рr_г = 17,24?10^-6/(6,48?2,78?10^-6) = 0,96.

Критерій Nu_г:

Nu = 0,407?21511^0,655?0,96^0,33 = 276,57

Коефіцієнт масовіддачі:

в_г = 276,57?2,78?10^-6 /0,042 = 0,018 м/с.

Перерахуємо в_г у обраній для розрахунку розмірності:

в_г = 0,018(с_г - ) = 0,018( 6,48 - 0,539) = 0,107 кг/(м²?с).

де = с_г?= 6,48?0,083 = 0,539 кг/м³ - об'ємна масова концентрація газу;

= ( = (0,154 + 0,012291)/2 = 0,083 кг SO₂/кг суміші.

б) У рідкій фазі по залежності (4.30):

Nu_р = 0,0021 ,(28)



де - Nu_р = ; в_р - коефіцієнт масовіддачі для рідини, м/с; - приведена товщина рідкої плівки, м; L = 2,04 - масова витрата рідини, кг/с;

D_р - коефіцієнт дифузії компоненту в рідині, м²/с;

µ_р = 1,14?10^-3 - в'язкість рідини, Па?с;

с_р =999 - густина рідини, кг/м³; S = Пd²/4=3,14*0,6²/4= 0,283 - площа поперечного перерізу колони, м²; у = 65 - питома поверхня насадки, м²/м³; Ш=1 - коефіцієнт змочуваності насадки.

Коефіцієнт дифузії SO₂ у воді при 20⁰С D₂₀ = 0,002?10^-6 м²/с.

Перерахуємо до робочих умов:

D_t = D₂₀⁰ [1 + 0,02(t - 20)] = 0,002?10^-6[1+0,02(25-20)] = 0,0022?10^-6 м²/с.

Число Рейнольдса:

Rе_р = 4?2,529/(0,283?65?1?1,14?10^-3) = 483,08

Число Прандтля:

Рr_р = 1,14?10^-3/(999?0,0022?10^-6) = 520

Приведена товщина плівки:

д_пл = [(1,14?10^-3)² / (999²?9,8)]^1/3 = 5,15?10^-5 м.

Число Нусельта:

Nu_р = 0,0021?483,08^0,75?520^0,5 = 4,93.

Коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі:

в_х = 4,93?0,0022?10^-6/(5,15?10^-5) = 0,21?10^-3 м/с.

Виразимо в_х в обраній для розрахунку розмірності:

в_х = 0,21?10^-3(с_р - ) =0,21?10^-3(999 - 96,56) = 0,1895 кг/(м²?с).



3.6 Коефіцієнт масопередачі, поверхня масообміну і висота абсорбера

Коефіцієнт масопередачі знайдемо з рівняння адитивності фазових дифузійних опорів:

К_у = 1/(1/в_у + m/в_х),(29)

де в_х і в_у - коефіцієнти масовіддачі відповідно у рідкій і газовій фазах, кг/(м²?с);

m = 0,24 - коефіцієнт розподілу.

К_у = 1/(1/0,107 + 1,1/0,1895) = 0,066 кг/(м²?с).

Поверхня масообміну з основного рівняння масопередачі:

F = М/(К_у?) = 0,54/(0,066?0,077) = 106,26 м².

Висота насадки:

Н_н = F/ (0,785 уd²Ш) = 106,26/(0,785?65?0,6²?1) = 5,785 м.

Загальна висота насадкової колони:

Н = Н_н + h₁ + h₂ ,(30)

де h₁ - відстань від верху насадки до кришки абсорбера; h₂ - відстань між днищем абсорбера і насадкою. За рекомендацією [2] приймаємо h₁ = 2 м; h₂ = (1?1,5)d = 1,5d = 1,5?0,6 = 0,9 м.

Відношення висоти насадки до діаметра колони

Н/d = 5,785/ 0,6 = 9,6

Над верхнім шаром насадки встановлюємо розподільну тарілку ТСН-III.

Тоді:

Н = 5,785+ 2 + 0,9 = 8,685 м.



4. Гідравлічний розрахунок

Опір зрошуваної насадки при плівковому русі розрахуємо за емпіричним рівнянням

ДР_зр= ДР_с?10^bU,(30)

де ДР_с - опір сухої насадки, Па; b - дослідний коефіцєнт; U = 8,96?10^-3 - густина зрошування, м³ / (м²·с). Постійна b залежить від типу насадки та її укладання; для неупорядкованої хордової насадки [1] b = 108 м.

Гідравлічний опір сухої насадки ДР_с визначимо за рівнянням:

ДР_с = л,(31)

де л - коефіцієнт опору; d_е = 0,042 - еквівалентний діаметр насадки, м; w₀ = w/е - швидкість газу у вільному січенні насадки (в м/с), w - фіктивна швидкість газу в колоні; е - питомий об'єм насадки м³/м³.

w₀ = w/е = 0,93/0,68 = 1,368 м/с.

При турбулентному русі (Rе_г > 40) :

л = 16/ = 16/21511^0,2 = 2,176.(32)

Гідравлічний опір сухої насадки:

ДР_с = 2,176=1817,3 Па.

Гідравлічний опір зрошуваної насадки:

ДР_зр = = 16960 Па = 16,96 кПа.



5. Конструктивний розрахунок

5.1 Товщина обичайки

,(33)

де D = 0,6 м - внутрішній діаметр апарату;р = 0,5 МПа - надлишковий тиск в апараті;

[у] = 230 МПа - граничне напруження для сталі Х18Н10Т;

ц = 0,8 - коефіцієнт послаблення обичайки із-за зварного шва;

С_к = 0,001 м - добавка на корозію.

= 0,00182 м.

Відповідно до рекомендацій [2 ] приймаємо товщину обичайки д = 6 мм.

5.2 Опорна решітка

Шар насадки розташовується на опорній решітці, конструкція якої показана на рис. 2:

Рис. 2. Конструкція опорної решітки



Для завантаження й вивантаження шару насадки в корпусі колони повинні бути передбачені два люки: один - під розподільною тарілкою, другий над опорною решіткою.

Діаметр люка для колон діаметром 600 і 800 мм - 250 мм.

5.3 Днища

Найбільше поширення в хімічному машинобудуванні одержали еліптичні відбортовані днища за ГОСТ 6533 - 78 [4], товщина стінки днища = 6 мм.

Рис. 3. Еліптичне днище

Маса днища m_д = 21 кг.

5.4 Фланці

Сполука царги із днищами здійснюється за допомогою плоских приварних фланців по ОСТ 26-428-79 [4]:



Рис. 4. Фланці

5.5 Штуцери

Діаметр штуцерів розраховується по формулі:

d = ,(34)

де G - масова витрата, кг/с

с - густина речовини, кг/м³

w - швидкість руху речовини в штуцері.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері w = 1 м/с, а для газової суміші w = 25 м/с, тоді :

діаметр штуцера для входу й виходу води:

d_1,2 = (2,529/0,7851999)^0,5 = 0,057 м,

приймаємо d_1,2 = 57мм.

діаметр штуцера для входу й виходу газової суміші:

d_3,4 = (1,71/0,785256,48)^0,5 = 0,116 м,

приймаємо d_3,4 = 116 мм.

Усі штуцери забезпечуються плоскими приварними фланцями за ГОСТ 12820-80, конструкція й розміри яких показані нижче:

Рис. 5. Фланці штуцерів

dусл	D	D2	D1	h	n	d
57	160	125	102	19	4	16
116	230	190	162	25	8	20

5.6 Розрахунок опори

Апарати вертикального типу із співвідношенням Н/D > 5, які розташовують на відкритих площадках, оснащують циліндричними опорами, конструкція яких показана на рис. 6.

Рис. 6. Циліндрична опора апарата



Розрахуємо орієнтовну масу апарата.

Маса обичайки:

m_об = 0,785()Н_зс,(35)

де D_з = 0,616 м - зовнішній діаметр колони; D_вн = 0,6 м - внутрішній діаметр колони;Н_з = 5,785 м - висота циліндричної частини колони; с = 7900 кг/м³ - густина сталі.

m_об = 0,785(0,616²-0,6²)5,785·7900 = 698 кг.

Позначимо: m₁ - маса тарілки ТСН - ІІІ, кг; m₂ -маса пари фланців, кг; m₃ - маса опорної решітки, кг; m₄ - маса днища, кг; m₅ - маса кришки, кг; m₆ - маса насадки, кг.

За даними [8]: m₁ = 7,6 кг; m₂ = 71,6кг; m₃ = 74 кг; m₄ = 21 кг; m₅ = 159 кг.

Підрахуємо масу насадки.

Насипна густина насадки с_н = 530 кг/м³;

m₆ = 0,785 d²Нс_н = 0,785?0,6²?5,785?530 = 866,5 кг.

Маса води у вільному об'ємі насадки при гідро випробовуванні

m₇ = 0,785 d²Н_н с_ве = 0,785?0,6²?5,785?1000?0,68 = 1111,7 кг. (с_в - густина води).

Орієнтовна маса води (при гідро випробовуванні) в об'ємі колони, не зайнятому насадкою:

m₈ = 0,785?d²(Н - Н_н)с_в = 0,785?0,6²?(9,6 - 5,785)?1000 = 1078,12 кг.



Загальна маса колони із запасом 10% (на люки, штуцери, вимірювальні прилади тощо):

m_к = 1,1(m_об + m₁ + m₂ + m₃ + m₄ + m₅ + m₆ + m₇ + m₈) =

= 1,1(698 + 7,6 + 71,6 + 74 + 21 + 159 +866,5 + 1111,7 + 1078,12) = 4496,3 кг.

Загальна вага колони:

G = m_кg = 4496,3?9,8 = 44063,5 Н.

Приймемо внутрішній діаметр опорного кільця D₁ = 0,5 м; зовнішній діаметр опорного кільця D₂ = 1,2 м.

Площа опорного кільця

S = 0,785(D₂² - D₁²) = 0,785(1,2² - 0,5²) = 0,934 м².

Питоме навантаження опори на фундамент

у = G/S = 44063,5/ 0,934= 47177,2 Па = 0,047 МПа.

Допустиме питоме навантаження на бетонний фундамент [2] у_ф = 15 - 25 МПа.

Таким чином, у < у_ф.



Висновок

В даній курсовій роботі був зроблений технологічний розрахунок абсорбційної установки неперервної дії для поглинання SO₂ з газової суміші і проектування насадкового абсорбера. Насадка хордова розміром 10х100 мм. Діаметр абсорбера 628 мм, висота насадки 5,785 м, висота над верхнім шаром розподільної насадки становить 8,685 м. Насадка вкладається в 2 шари по 2,8 м.

Абсорбційні методи характеризуються безперервністю і універсальністю процесу, економічністю і можливістю витягання великих кількостей домішок з газів. Недолік цього методу в тому, що скрубери насадок, барботажні і навіть пінні апарати забезпечують досить високу міру витягання шкідливих домішок (до ГДК) і повну регенерацію поглиначів лише при великому числі рівнів очищення. Тому технологічні схеми мокрого очищення, як правило, складні, багатоступінчасті і очисні реактори (особливо скрубери) мають великі об'єми.

Для реалізації процесу очищення застосовують абсорбери різних конструкцій (плівкові, насадки, трубчасті і ін.). Найбільш поширений скрубер насадки, вживаний для очищення газів від діоксиду сірки, сірко водня, соляної кислоти, хлору, оксиду і діоксиду вуглецю, фенолів і так далі У скруберах насадок швидкість масо обмінних процесів мала із-за мало інтенсивного гідродинамічного режиму цих реакторів, що працюють при швидкості газу 0,02-0,7 м/с. Об'єми апаратів тому великі і установки громіздкі. Ефективність роботи абсорбера насадки багато в чому залежить не лише від гідродинамічного режиму, але і від типа вибраної насадки. Різноманітність вживаних насадок пояснюється безліччю вимог, що пред'являються до них: велика питома поверхня і вільний об'єм, малий гідравлічний опір газовому потоку, рівномірний розподіл абсорбенту, хороша змочуваність, корозійна стійкість, мала насипна щільність і низька вартість. Основні достоїнства колон насадок є простота пристрою і низький гідравлічний опір. Недоліки: трудність відведення тепла і погана змочуваність насадки при низькій щільності зрошування. Відведення тепла з цих апаратів і поліпшення змочуваності досягаються шляхом рециркуляції абсорбенту, що ускладнює і здорожує установку абсорбції. Для проведення одного і того ж процесу потрібні колони насадок зазвичай більшого об'єму, чим барботажні.

Колони насадок малопридатні при роботі із забрудненими рідинами. Для таких рідин останнім часом стали застосовувати абсорбери з «плаваючою» насадкою. У цих абсорберах як насадка використовують головним чином легкі порожнисті або суцільні пластмасові кулі, які при досить високих швидкостях газу переходять в зважений стан.



Список літератури

К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков "Примеры и задачи по курсу ПАХТ" Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. чл. - корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 9-е издание, перераб. и доп. - Ленинград: Химия, 1981. - 560 с.

Пособие по проектированию "Основные ПАХТ" под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е издание, переработанное и дополненное; Москва: Химия,1983. - 272 с.

А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский "Основы расчета и конструирования химической аппаратуры" Москва: Физматгиз,1970 .- 725с.

Пособие по проектированию "Основные ПАХТ" под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е издание, переработанное и дополненное;Москва: Химия,1991. - 496 с.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Москва: Химия, 1971 - 832с.

Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. - Ленинград: Химия, 1991. - 352с.

Рамм В.М. Абсорбция газов. - Москва: Химия, 1976 - 655с.

Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты - Москва: Химия, 1978 - 277с.

Кувшинский А.Г., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности»: Учеб. Пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1980. - 223 с.

Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. - Киев: Наукова думка, 1987. - 830 с.

Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты: Методы расчета и основы конструирования. - М.: Химия, 1978. - 277 с.

Размещено на Allbest.ru

...