Разработка абсорбционной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс -- выделение растворенного газа из раствора -- носит название десорбции.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а непоглощаемые составные части -- инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, будем называть растворителем.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель по расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер -- десорбер -- абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. При этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Условия, благоприятные для десорбции, противоположны условиям, способствующим абсорбции. Для осуществления десорбции над раствором должно быть заметное давление компонента, чтобы он мог выделяться в газовую фазу. Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые, из этих областей указаны ниже:

1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т. д. При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.

2. Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси.

В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция).

При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т. п.

3.Очистка газа от примесей вредных компонентов.

Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от Н2S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от С12 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.).

В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента.

В данной проекте компонентом, который будет улавливаться из смеси будет выступать сероводород.

Сероводород (сернистый водород, сульфид водорода, дигидросульфид) -- бесцветный газ с запахом протухших яиц и сладковатым вкусом. Химическая формула -- H2S. Плохо растворим в воде, хорошо -- в этаноле. Ядовит. При больших концентрациях разъедает многие металлы. Концентрационные пределы воспламенения с воздухом составляют 4,5 -- 45 % сероводорода. В природе встречается очень редко в виде смешанных веществ нефти и газа. Также иногда содержится в воде. Входит в состав вулканических газов. Образуется при гниении белков. Термически устойчив.

Основные физико-химические свойства сероводорода:

Молекулярная масса: 34,076

Температура плавления (при 760 мм рт. ст.), °С: ?82,9

Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °C: ?60,33

Температура воспламенения, °С: 260

Предельная объемная концентрация воспламенения, %: 4,3

Плотность при 760 мм рт. ст. и 0 °С, кг/м3: 1,5392

Плотность жидкого газа при 760 мм рт. ст., кг/м3: 950

Теплоёмкость газа при 760 мм рт. ст. и 0 °С, ккал/(кг*°С):

при постоянном давлении: 0,254

при постоянном объеме: 0,192

Теплота сгорания при 760 мм рт. ст. и 15 °С, ккал/кг: 4156

В воде сероводород мало растворим, водный раствор H2S является очень слабой кислотой. Сероводород -- сильный восстановитель. На воздухе горит синим пламенем. Сероводород реагирует также со многими другими окислителями, при его окислении в растворах образуется свободная сера или SO42?.

В промышленности сероводород получают как побочный продукт при очистке нефти, природного и промышленного газов. Основные методы очистки этих газов с получением сероводорода - моноэтаноламиновый, вакуум-карбонатный, содовый. Принципиальная схема выделения сероводорода из природных и промышленных газов заключается в следующем: газ вводится в нижнюю часть абсорбера, который сверху орошается раствором абсорбента, затем насыщенный H2S раствор поступает в отгонную колонну, где при нагревании горячим паром происходит десорбция сероводород из раствора. В лаборатории сероводород получают действием Н2 SO4 на FeS; может быть получен из Н2 и паров S при 500-600 °С в присутствии катализатора (пемза); удобный метод получения H2S - нагревание серы с парафином.

Сероводород из-за своей токсичности находит ограниченное применение. В аналитической химии сероводород и сероводородная вода используются как реагенты для осаждения тяжёлых металлов, сульфиды которых очень слабо растворимы. В медицине -- в составе природных и искусственных сероводородных ванн, а также в составе некоторых минеральных вод. Сероводород применяют для получения серной кислоты, элементной серы, сульфидов. Используют в органическом синтезе для получения тиофена и меркаптанов.

Вода (оксид водорода) -- бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного -- кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном -- водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Физико-химические свойства. Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электро-отрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей -- две из них образует атом кислорода и две атомы водорода[9]. Комбинация этих связей между молекулами воды -- полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Вода -- химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Воздух. Вомздух -- естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода -- 98-99 % в сумме, а также углекислого газа, воды, водорода и пр.) образующая земную атмосферу.

Физические свойства воздуха:

Средняя относительная молярная масса-28,98 г/моль;

Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении cp-1,006 кДж/(кг·К);

Средняя удельная теплоемкость при постоянном объёме-0,717 кДж/(кг·К);

Показатель адиабаты-1,40;

Скорость звука (при н. у.)-331 м/с (1193 км/ч);

Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 0--100 °C-3,67·10?3 1/К;

Коэффициент динамической вязкости воздуха (при н. у.)-17,2 мкПа·с;

Растворимость воздуха в воде-29,18 см3/л;

Показатель преломления (при нормальных условиях)-1,0002926;

Коэффициент изменения показателя преломления-2,8·10?8 1/Pa;

Средняя поляризуемость молекулы -7·10?30;

Теоретические основы процесса

Растворимость газов в жидкостях зависит от свойств абсорбента и абсорбтива, от температуры и парциального давления газового компонента над раствором и характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное давление компонента рА * пропорционален мольной доле газа в растворе хА, кмоль

А / (А + В). , (1.1)

где Е - константа Генри, которая имеет размерность давления.

С учетом закона Дальтона можно записать:

, (1.2)

где Уа * - равновесная мольная (объемная) доля разделяемого компонента в газовой смеси, кмоль А / кмоль газ. смеси;

Р - общее давление в системе, единицы давления;

m - константа фазового равновесия.

Закон Генри справедлив для идеальных и малорастворимых газов.

Состав фаз, при необходимости, можно представить другими способами выражения концентраций. Для данного процесса растворения H2S водой закон Генри в относительных массовых концентрациях будет иметь следующий вид:

откуда по правилу пропорции:

,

, (1.3)

где Мп, , - молекулярные массы воздуха, углекислоты и воды соответственно, кг / кмоль;

- равновесная относительная массовая концентрация H2S в воздухе, кгH2S/кг воздуха;

- Относительная массовая концентрация Y2s в воде, кгH2S/кг Н2О.

В общем случае при представлены состав фаз в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость должна изображаться кривой линией.

Но для разбавленных растворов (малых концентраций газа в жидкости, имеющей место в данном случае) можно принять (1-m) ? 0.

Тогда уравнение (1.3) примет вид:

, (1.4)

где m '- приведенная константа фазового равновесия.

В таком виде равновесие графически изобразится прямой линией.

Основной задачей при расчете абсорбера является определение поверхности контакта фаз F, м2, согласно уравнению массопередачи:

, (1.5)

где М - массовый расход поглощенного H2S, кг / с;

- коэффициент массопередачи, кг/м2с ()

- Средняя движущая сила процесса абсорбции.

2. Выбор технологической схемы

Абсорбция - процесс поглощения газа или пара (абсорбтива) жидкими поглотителями (абсорбентами). Обратный процесс выделения газового компонента из полученного раствора называется десорбцией.

При физической абсорбции абсорбтив химически не взаимодействует с абсорбентом. В данном случае имеет место физическое абсорбция. Объединение в одной технологической схеме процессов абсорбции и десорбции позволяет выделить необходимый газовый компонент в чистом виде и регенерировать абсорбент для повторного применения (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - вентилятор (газодувки): 2 - абсорбер 3 - Каплеотбойники, 4, 6 - оросители, 5 - холодильник, 7 - десорбер, 8 - куб десорбера, 9, 13 - емкости для абсорбента; 10,12 - насосы, 11 - теплообменник-рекуператор.

Рисунок 1 - Технологическая схема абсорбционной установки.

3. Описание проектируемого аппарата

абсорбционный газовый жидкость установка

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с различного типа тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой.

В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Из различных типов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Основные размеры абсорбера (например, диаметр и высота) определяют путем расчета, исходя из заданных условий работы (производительность, требуемая степень извлечения компонента и т. д.). Для расчета необходимы сведения по статике и кинетике процесса. Данные по статике находят из справочных таблиц, рассчитывают при помощи термодинамических параметров или определяют опытным путем. Данные по кинетике в значительной степени зависят от типа аппарата и режима его работы. Наиболее надежны результаты экспериментов, проведенных при тех же условиях. В ряде случаев подобные данные отсутствуют и приходится прибегать к расчету или опытам.

В настоящее время еще нет вполне надежного метода, позволяющего определять коэффициент массопередачи путем расчета либо на основе лабораторных или модельных опытов. Однако для некоторых типов аппаратов можно найти коэффициенты массопередачи с достаточно большой точностью при помощи расчета или сравнительно простых опытов.

Размещено на Allbest.ru