Расчет абсорбционной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет электроники

Кафедра химической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Тема: Расчет абсорбционной установки

Автор: Кондрева Елена Алексеевна

Руководитель: Лызлова Марина Викторовна

Заведующий кафедрой: Трегулов Виктор Рауфович

Рязань, 2014 г.



Содержание

Введение

1. Описание принципа работы аппарата

2. Расчет насадочного абсорбера

2.1 Определение количества поглощаемого компонента в абсорбере

2.2 Определение расхода абсорбента

2.3 Определение диаметра абсорбера

2.4 Определение высоты колонны

2.4.1 Определение движущей силы внизу колонны

2.4.2 Определение движущей силы вверху колонны

2.4.3 Определение коэффициента массопередачи

2.4.4 Определение высоты насадки и высоты всей колонны

2.5 Гидравлическое сопротивление колонны с насадкой

2.6 Расчет вспомогательного оборудования

2.6.1 Расчет газодувки

2.6.2 Расчет насосной установки

2.7 Выбор конструкционного материала аппарата

Заключение

Литература

насадочный абсорбер аппарат гидравлический



Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким по-глотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодей-ствия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физи-ческой абсорб-цией, а во втором случае - хемосорбцией.

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента, и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента[1, 2].

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции [1, 2].



1. Описание принципа работы аппарата

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами.

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы [2]:

Поверхностные и пленочные

Насадочные

Барботажные (тарельчатые)

Распыливающие

Поверхностные и пленочные абсорберы

В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

Барботажные (тарельчатые) абсорберы

Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки. С помощью тарелок осуществляют направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

Распыливающие абсорберы

В абсорберах этого типа тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

Распыливающий абсорбер представляет собой колонну, в верхней части, корпуса которой имеются форсунки для распыливания жидкости. В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалисценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта.

Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т. д.). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

На рисунке 1 представлена схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5. Регенерация может осуществляться также другими методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышение температуры[3, с. 191].



1 - вентилятор (газодувка); 2 - абсорбер с насадкой; 3 - брызгоотбойник; 4, 6 - оросители; 5 - холодильник; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9 - емкости для абсорбен-та; 10, 12 - насосы; 11 - теплообменник-рекуператор.

Рисунок 1 - Принципиальная схема абсорбционной установки

Насадки

Насадки, применяемые для заполнения насадочных абсорберов, должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того, насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес, Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки.

Кольцевая насадка. Насадочные тела представляют собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 25 до 150 мм (кольца меньшего диаметра почти не находят применения в промышленной практике).

Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора, в некоторых случаях из углеграфитовых масс. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов. Стальные кольца, изготовленные путем разрезания стандартных труб, имеют большую толщину стенки; такая насадка обладает значительным объемным весом. Перспективно применение колец из пластических масс.

Кольца Рашига (Рисунок 2, а) представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

Рисунок 2 - Насадочные тела:

а -- кольца Рашига; б -- кольца с перегородкой; в -- кольца с крестообразной перегородкой; г -- кольца Палля; д -- седла Берля; е -- седла «Инталокс».

Из различных видов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные абсорберы [2].

Целью расчета является определение основных размеров абсорбера, размеров внутренних устройств, материальных потоков, диаметров, трубопроводов, гидравлических сопротивлений, выбор насосной установки и вентилятора. Подбор оборудования осуществляется по существующим ГОСТам и нормалям с соответствующей ссылкой на источник.

2. Расчет насадочного абсорбера

2.1 Определение количества поглощаемого компонента в абсорбере

Количество поглощаемого аммиака (NH3) определяется по формуле:

где начальная концентрация в газовой смеси, выраженная в мольных долях, молекулярная масса , ; б - коэффициент извлечения; 22,4 - объем, занимаемый 1 кмоль газа, .

Начальная концентрация в газовой смеси определяется по формуле:

где = 6,0 масс. % ? начальная концентрация в смеси (по заданию); молекулярная масса ? и молекулярная масса воздуха ? [4, c. 510].

Мольная концентрация аммиака в газовой смеси на выходе из аппарата:



где начальная концентрация в газовой смеси, ; б - коэффициент извлечения

Конечная концентрация в смеси:

Тогда количество поглощаемого NH3 по формуле равно:

2.2 Определение расхода абсорбента

Расход абсорбента определяется по формуле:

где , - начальная и конечная концентрации в абсорбенте, выраженные в относительных массовых единицах, ( е = 1,23 - свободный объем.

Конечная концентрация в абсорбенте определяется по формуле:

где в абсорбенте, равновесная с начальной концентрацией SO2 в газовой фазе, определяется выражением:

где K - коэффициент Генри для водных растворов [4, c. 539]. Для водного раствора при t = 25 °С коэффициент Генри K =297,259 кПа; П - давление абсорбции = 200 кПа (по условию).

Вначале определяем равновесную мольную долю в абсорбенте по формуле:

Затем определяем конечную равновесную концентрацию в абсорбенте:

И наконец, определяем расход абсорбента:

Действительная концентрация в абсорбенте на выходе из абсорбера определяется по формуле:

Тогда действительная концентрация в абсорбенте на выходе из абсорбера составит:



2.3 Определение диаметра абсорбера

Расчет абсорбера производят для работы при оптимальном гидродинамическом режиме. Рабочую скорость газа в абсорбере можно определить, используя критериальную зависимость:

Скорость газа определяется по формуле:

Скорость газа, соответствующая возникновению режима эмульгирования (считая на полное сечение колонны), определяется уравнением:

где средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях, ; вязкость воды при рабочих условиях, мПа*с; плотность воды при рабочих условиях, ; L - расход абсорбента, ; расход газа, .

Средняя плотность газовой смеси определяется по формуле:

где средняя плотность газовой смеси при рабочих условиях, ;(= 0°С = 273 К); Т - температура, К; П0 = 760 мм рт. ст. = 101300 Па.

Средняя концентрация определяется по формуле:

Средняя концентрация воздуха определяется по формуле:

Средняя плотность газовой смеси определяется по формуле:

Средняя молекулярная масса газовой смеси определяется по формуле:

Расход газа определяется по формуле:

Вязкость газовой смеси при рабочих условиях определяется по формуле:

Где коэффициенты динамической вязкости соответственно , воздуха при температуре абсорбции t=25°С [4, с. 556-557, рисунок V].

Определяем скорость газа, соответствующая возникновению режима эмульгирования (считая на полное сечение колонны):

откуда

Тогда рабочая скорость газа будет равна:

Расход смеси при рабочих условиях определяется по формуле:

где = 101300 Па, = 273 К.

Диаметр абсорбера определяется по формуле:



По каталогу [5, Т. 2, с. 874] принимаем стандартную колонну диаметром 5000 мм.

Действительная скорость потока газа определяется по выражению:

Определяем плотность орошения по формуле:

2.4 Определение высоты колонны

Для начала определения высоты колонны, необходимо определить: среднюю движущую силу, коэффициент массопередачи и высоту насадки.

2.4.1 Определение движущей силы внизу колонны

Движущая сила процесса внизу колонны определяется по формуле:

где на входе в абсорбер, давление в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера.

давление на входе в абсорбер определяется по формуле:

Конечная концентрация в жидкости, выраженная в мольных долях, определяется по выражению:

Парциальное давление в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера, определяется по формуле:

Тогда движущая сила внизу колонны составит:

2.4.2 Определение движущей силы вверху колонны

Движущая сила процесса вверху колонны определяется по формуле:

,

где в газе, выходящем вверху из абсорбера, давление в равновесном с водой газе.

давление на входе в газе, выходящем вверху из абсорбера, определяется по формуле:

Так как на орошение абсорбера подается чистая вода, то парциальное давление в равновесном с водой газе равно нулю (); отсюда движущая сила процесса абсорбции на верху колонны будет равна:

Средняя движущая сила абсорбции:

2.4.3 Определение коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи определяется по формуле:

Константа в этом уравнении ц определяется по формуле:

где К - коэффициент Генри для водных растворов, определяется по [5, с. 539] . Для водного раствора при t = 25 °С коэффициент Генри К = 277,3 кПа. Молекулярная масса и плотность воды: М = 18 кг/кмоль; .

Коэффициент массоотдачи со стороны газа определяется по формуле:

Критерий Рейнольдса в газовой фазе определяется по формуле:

Коэффициент диффузии при рабочих условиях определяется по формуле:



Критерий Прандтля - по формуле:

Критерий Нуссельта - по формуле:

Среднее парциальное давление инертного газа определяется по формуле:

Определяем коэффициент массоотдачи со стороны газа по формуле:



Коэффициент массоотдачи со стороны жидкости (жидкостной пленки) определяется по формуле:

Определяем критерии Re, Pr и Ga в жидкой фазе.

Критерий Рейнольдса определяем по формуле:

Критерий Прандтля - по формуле:



Критерий Галилея - по формуле:

Критерий Нуссельта - по формуле:

Находим коэффициент массоотдачи со стороны жидкости:

Находим коэффициент массопередачи:

2.4.4 Определение высоты насадки и высоты всей колонны

Находим высоту насадки:

Высоту колонны в целом определяем по формуле:

2.5 Гидравлическое сопротивление колонны с насадкой

Гидравлическое сопротивление насадочной колонны определяется по формуле:

Сопротивление орошаемой насадки определяется по формуле:



Сопротивление сухой насадки на один метр высоты составит:

Сопротивление орошаемой насадки для точки подвисания:

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений в колонне определяется по формуле:

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений входа и выхода газового потока в колонне определяется по формуле:

Согласно [4, с. 17, таблица 1.1], скорость газового потока принимается в пределах . Принимаем , тогда диаметр газопроводов по формуле:

По ГОСТ 8732-78 [4, Т. 1, с. 98] выбираем трубопровод со стандартным диаметром Dг = 200 мм.

Определяем Re - критерий Рейнольдса в газопроводах по формуле:

Отношение площадей сечений газопровода и колонны определяем по выражению:

Тогда потеря давления на преодоление местных сопротивлений входа и выхода газового потока в колонне составит:

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений - два входа и два выхода из насадки - рассчитывается по формуле:

Фактическая скорость газового потока в насадке определяется по формуле:

Определяем критерий Рейнольдса по формуле:



Определяем отношение площадей сечений насадки и колонны по выражению:

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений (два входа и два выхода из насадки) составит:

По формуле определяем потерю давления на преодоление местных сопротивлений в колонне:

Тогда общее гидравлическое сопротивление насадочной колонны по формуле будет равно:

2.6 Расчет вспомогательного оборудования

2.6.1 Расчет газодувки

Общее давление, развиваемое газодувкой (Р, Па) определяется по формуле:



Мощность, потребляемая газодувкой, определяется по формуле:

С запасом 30 %, согласно [3, с. 42, таблица 10], подбираем газодувку марки ТВ-250-1,12 со следующими характеристиками: производительность - 4,6 м3/с, давление 12000 Па, n = 49,3 c-1; электродвигатель типа АО2-92-2: мощность - 100 кВт. Устанавливаем две газодувки.

2.6.2 Расчет насосной установки

В соответствии с расчетом и необходимой высотой абсорбционной колонны принимаем следующие исходные данные для расчета насосной установки.

Производительность по абсорбенту - L = 0,5795 кг/с.

Высота подъема - Н = 9 м (принимается конструктивно).

Избыточное давление перед распылителем -

Плотность абсорбента (воды) - с = 1000 кг/м3

Общий КПД насосной установки - з = 0,6.

Трубопровод имеет два вентиля, четыре колена ?90° и общую длину l = 20 м.

Скорость жидкости в трубопроводах допускается в пределах от 0,8 до 2,5 м/с [5, с. 17]. Принимаем = 2 м/с.

Тогда диаметр трубопровода по формуле:

Уточняем скорость движения жидкости:

Давление, развиваемое насосом, определяется по формуле:

Затраты на создание скорости потока в трубопроводе определяется по формуле:



Потеря давления на преодоление местных сопротивлений и трения определяется по формуле:

Значения коэффициентов местных сопротивлений заносим в таблицу 2.

Определим режим движения воды:

Отношение площадей водопровода и колонны составит:

Тогда потеря давления на преодоление местных сопротивлений и трения составит:

Затрата давления на подъем жидкости определяются по формуле:

Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно:

Определяем мощность, потребляемую двигателем насоса, по формуле:

Устанавливаем центробежный насос [3, с. 38] марки Х45/54 со следующими характеристиками: производительность V = 1,25*10-2 м3/с; напор H = 54 м вод. ст. (расчетная 9 м вод. ст.); число оборотов n = 48,3 с-1; з = 0,6; тип электродвигателя АО2-72-2: мощность двигателя NД = 30 кВт.

2.7 Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор аммиака при температуре 20С° 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°С [6].

Заключение

1. На основании литературного обзора была выбрана абсорбционная колонна насадочного типа, т.к. такие аппараты по сравнению с другими типами абсорберов менее громоздки, имеют простую конструкцию, могут использоваться при работе с агрессивными средами, имеют низкое гидравлическое сопротивление.

2. В результате технологического расчета основного аппарата были получены следующие значения:

диаметр абсорбера 500 мм;

высота слоя насадки 9,26 м;

высота колонны 13,43 м;

гидравлическое сопротивление 10937,7 Па

3. Был проведен расчет следующего вспомогательного оборудования: насос подачи абсорбента марки Х45/54; газодувка для подачи аммиачно-воздушной смеси марки ТВ-250-1,12.

Таким образом, поставленная в курсовом проекте цель выполнена.



Литература

1. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. И доп. М., «Химия», 1976.

2. А. Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 15-е изд., стереотипное. Перепечатка с девятого издания 1973 г. - М.: ООО «ИД Альянс», 2009 - 753 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.-496с.

4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 12-е изд., стереотипное. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 576 с.

5. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчёта химико - технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Изд.2-е.

6. Лащинский, А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: справочник / под ред. инж. Н. Н. Логинова - 2-е изд. перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, 1970. - с.

Размещено на Allbest.ru

...