Сфери застосування процесів абсорбції в промисловості

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Завдання на проектування

Сфери застосування процесів абсорбції в промисловості вельми обширні: здобуття готового продукту шляхом поглинання газу рідиною, розділення газових сумішей на складові компоненти, очищення газів від шкідливих домішок, уловлювання важливих компонентів з газових викидів.

Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. При фізичній абсорбції розчинення газу в рідині не супроводжується хімічною реакцією або, принаймні, впливом цієї реакції на швидкість процесу можна знехтувати. Внаслідок цього фізична абсорбція не супроводжується тепловим ефектом. Якщо в цьому випадку початкові потоки газу і рідини незначно розрізняються по температурі, то таку абсорбцію можна розглядати як ізотермічну. З цього найбільш простого випадку розглядається розрахунок процесу абсорбції.

Основна складність при проектуванні абсорберів полягає в правильному виборі розрахункових закономірностей для визначення кінетичних коефіцієнтів з великого числа різних, інколи суперечливих залежностей, представлених в технічній літературі. Розрахунки за цими рівняннями, зазвичай справедливими для окремих випадків, призводять часто до таких, що розрізняються, а інколи до свідомо невірних результатів. Рівняння, що рекомендуються тут, вибрані після ретельного аналізу і порівняльних розрахунків в широкому інтервалі змінних, перевірки адекватності розрахункових даних з дослідними, отриманими на реальних системах.

На рис. 1.1 дана схема установки абсорбції. Газ на абсорбцію подається газодувкою 1 в нижню частину колони 2, де рівномірно розподіляється перед надходженням на контактний елемент (насадку або тарілку). Абсорбент з проміжної ємкості 9 насосом 10 подається у верхню частину колони і рівномірно розподіляється по поперечному перетину абсорбера за допомогою зрошувача 4. У колоні здійснюється протитечійна взаємодія газу і рідини. Очищений газ, пройшовши бризковідбійник 3, виходить з колони.

Абсорбент стікає через гідрозакрив в проміжну ємкість 13, звідки насосом 12 направляється на регенерацію в десорбер 7, після попереднього підігрівання в теплообміннику-рекуператорі 11. Вилучення поглиненого компонента з абсорбенту проводиться в кубі 8, що обігрівається, як правило, насиченою водяною парою. Перед подачею на зрошування колони абсорбент, пройшовши теплообмінник-рекуператор 11, додатково охолоджується в холодильнику 5.

1.1 Завдання

Розрахувати абсорбер насадки для уловлювання бензолових вуглеводнів з коксового газу кам'яновугільним маслом.

1.2 Початкові дані

V0 - продуктивність по газу за нормальних умов, м3/с;

yн - концентрація бензольних вуглеводнів в газі за нормальних умов на вході в абсорбер за нормальних умов, г/м3;

yк - концентрація бензольних вуглеводнів в газі за нормальних умов на виході з абсорбера за нормальних умов, г/м3;

хн - вміст вуглеводнів в поглинальному маслі, що подається в абсорбер, % мас;

t - середня температура потоків в абсорбері, °С;

р - тиск газу на вході в абсорбер, 0,119 Мпа

Вариант	V0	ун	ук	хн	T
2	15	35	4	0.20	30

1.3 Методичні вказівки та зміст завдання

Описати суть процесу абсорбції, навести основні схеми апаратів абсорбції;

Визначити масу речовини, що поглинається, і витрату поглинача;

Розрахувати рушійну силу процесу абсорбції;

Розрахувати швидкість газу і діаметр абсорбера;

Визначити щільність зрошування і діаметр насадки;

Визначити коефіцієнт масопередачі;

Знайти поверхню масопередачі та висоту абсорбера;

Графічна частина включає загальний вид абсорбера і деталювання по вказівці викладача.

Уловлювання бензольних вуглеводнів з коксового газу кам'яновугільним маслом - це процес багатокомпонентної абсорбції, коли з газу одночасно поглинається суміш компонентів - бензол, толуол, ксилол і сольвенти. Інертна частина коксового газу також складається з багатьох компонентів - Н2, СН4, СО, N2, CO2, О3, NН3 та ін. Складним є і вміст кам'яновугільного масла, що є сумішшю ароматичних вуглеводнів і гетероциклічних сполук з домішкою фенолів.

Для спрощення наведених нижче розрахунків газова суміш і поглинач розглядаються як бінарні, такі, що складаються з розподілюваного компонента (бензолові вуглеводні ) та інертної частини (носії); фізичні властивості їх прийняті усередненими.

Для лінеаризації рівняння робочої лінії абсорбції склади фаз виражають у відносних концентраціях розподілюваного компонента, а навантаження по фазах - у витратах інертного носія. У наведених нижче розрахунках концентрації виражені у відносних масових долях розподілюваного компонента, а навантаження - в масових витратах носіїв.

2. Розрахунок насадкового абсорбера

2.1 Основні умовні позначення

A	-	питома поверхня ,м2/м3;
D	-	коефіцієнт дифузії, м2/c;
D	-	діаметр, м;
F	-	поверхня масопередачі, м2;
G	-	витрата інертного газу, кг/с;
G	-	прискорення вільного падіння, м/с2;
H, h	-	висота, м;
K	-	коефіцієнт масопередачі;
L	-	витрата поглинача, кг/с;
M	-	маса речовини, передаваної через поверхню масопередачі в одиницю часу, кг/с;
Mбу	-	молярна маса бензолових вуглеводнів, кг/кмоль;
m	-	коефіцієнт розподілу;
P	-	тиск, МПа;
T	-	температура, К;
U	-	щільність зрошування, м3/(м2.c)
w	-	швидкість газу, м/с;
x	-	концентрація рідини;
y	-	концентрація газу;
	-	середня рушійна сила абсорбції по рідкій фазі, кг/кг;
	-	середня рушійна сила абсорбції по газовій фазі, кг/кг;
	-	коефіцієнт масовіддачі, кг/(м2.с);
	-	вільний об'єм, м3/м3;
	-	щільність, кг/м3;
	-	в'язкість, Па.с;
	-	коефіцієнт тертя;
	-	поверхневий натяг, Н/м;
	-	коефіцієнт змочуваності;
	-	коефіцієнт опору;
Re	-	критерій Рейнольдса;
Fr	-	критерій Фруда;
Гс	-	критерій гідравлічного опору;
Nu	-	дифузійний критерій Нуссельта;
Pr	-	дифузійний критерій Прандтля.
Індекси
к	-	кінцевий параметр;
н	-	початковий параметр;
х	-	рідка фаза;
у	-	газова фаза;
ср	-	середня величина;
0	-	за нормальних умов;
в	-	вода;
*	-	рівноважний склад.

2.2 Визначення маси речовини, що поглинається, і витрати поглинача

Масу перехідних з газової суміші в поглинач бензольних вуглеводнів М знаходять з рівняння матеріального балансу:

(1)

де L, G - витрати відповідно чистого поглинача і інертної частини газу, кг/с; - початкова і кінцева концентрації бензолових вуглеводнів у поглинальному маслі, кг БВ/кг М; - початкова і кінцева концентрації бензольних вуглеводнів в газі, кг БВ/кг Г.

Перерахуємо концентрації і навантаження по фазах для здобуття вибраної для розрахунку розмірності:

(2)

(3)

YH= ? кгБУ/кгМ?

XH= ?кгБУ/кгБ?

де 0у - середня густина коксового газу за нормальних умов (0,44 кг/м3).

Кінцева концентрація бензолових вуглеводнів у поглинальному маслі обумовлює його витрату, яка, у свою чергу, впливає на розміри абсорбера і частину енергетичних витрат, пов'язаних з перекачуванням рідини і її регенерацією. Тому вибирають, виходячи з оптимальної витрати поглинача. У коксохімічних виробництвах витрату поглинального кам'яновугільного масла L приймають в 1.5 разу більше мінімального Lmin. У цьому випадку кінцеву концентрацію визначають з рівняння матеріального балансу, використовуючи дані по рівновазі

(4)

XK= ?кгБУ/кгГ?

Витрата інертної частини газу

(5)

G=15*(1-0.0094)(0.44-0.035)=6.01 ?кг/с?

де уоб - об'ємна доля бензолових вуглеводнів в газі, рівна

(v0=22.4). (6)

Уоб= ? м3 БУ/м3 Г?

Продуктивність абсорбера по компоненту, що поглинається розраховуеться за формулою (1):

M=6.01*(0.086-0.012)=0.4628 ?кг/с?

Витрата поглинача (кам'яновугільного масла) рівна:

(7)

L==8.2643 ?кг/с?

Тоді співвідношення витрат фаз, або питома витрата поглинача рівна

(8)

l= ?кг/кг?

2.3 Розрахунок рушійної сили

У насадковому абсорбері рідка і газова фази рухаються протитечією. Приймаючи модель ідеального витіснення, рушійну силу визначають за формулою

(9)

де і - більша і менша рушійні сили на вході потоків в абсорбер і на виході з нього, кг БВ/кг Г (див. рис. 2.1а і 2.1б).

У даному завданні

і ,



де і - концентрації бензолових вуглеводнів у газі, рівноважні з концентраціями в рідкій фазі (поглиначі) відповідно на вході в абсорбер і на виході з нього

? кгБУ/кгГ?

?кгБУ/кгГ?

? кг/кг?

2.4 Розрахунок швидкості газу і діаметра абсорбера

Граничну швидкість газу в насадкових абсорберах можна розрахувати по рівнянню:

(10)

=0,7217

?м/с?

?м/с?

абсорбція вуглеводень кам'яновугільний



де wПР - гранична фіктивна швидкість газу, м/с; х, в - в'язкість відповідно поглинача і води при 20 °С; (х, в =16.5); А, В - коефіцієнти, залежні від типу насадки.

Значення коефіцієнтів А і В наведені нижче:

Плоско-паралельна, хордова	0	1.75

Перерахуємо щільність газу на умови в абсорбері:

. (11)

?кг/м3?

Вибір робочої швидкості газу обумовлений багатьма чинниками. У загальному випадку її знаходять шляхом техніко-економічного розрахунку для кожного конкретного процесу. Коксовий газ очищають від різних домішок в декількох послідовно з'єднаних апаратах. Транспортування великих об'ємів газу через них вимагає підвищеного надлишкового тиску і, отже, значних енерговитрат. Тому при уловлюванні бензолових вуглеводнів основним чинником, що визначає робочу швидкість, є гідравлічний опір насадки. З урахуванням цього робочу швидкість приймають рівною 0.2-0.5 від граничної.

Діаметр абсорбера знаходять з рівняння витрати:

(12)

?м?

де V - об'ємна витрата газу за умов в абсорбері, ?м3/с?.

Вибираємо стандартний діаметр обичайки абсорбера d=3,6 ?м.?

2.5 Розрахунок коефіцієнта масопередачі

Коефіцієнт масопередачі Ку знаходять по рівнянню адитивності фазових дифузійних опорів

(13)

де х і у - коефіцієнти масовіддачі відповідно в рідкій і газовій фазах, кг/(м2.с);

m - коефіцієнт розподілу, кг М/кг Г.

Для розрахунку коефіцієнтів масовіддачі необхідно вибрати тип насадки і розрахувати швидкість потоків в абсорбері. При виборі типу насадки для проведення масообмінних процесів керуються наступними міркуваннями:

по-перше, конкретними умовами проведення процесу - навантаженнями по парі і рідині, відмінностями у фізичних властивостях систем, наявністю в потоках рідини і газу механічних домішок, поверхнею контакту фаз в одиниці об'єму апарата і т.д.;

по-друге, особливими вимогами до технологічного процесу - необхідністю забезпечити невеликий перепад тиску в колоні, широкий інтервал зміни стійкої роботи, малий час перебування рідини в апараті і т.д.;

по-третє, особливими вимогами до апаратурного оформлення - створення одиничного або такого, що серійно випускається, апарата малої або великої одиничної потужності, забезпечення можливості роботи в умовах сильно корозійного середовища, створення умов підвищеної надійності і т. д.

У коксохімічній промисловості особливе значення при виборі насадки мають наступні чинники: малий гідравлічний опір абсорбера, можливість стійкої роботи при навантаженнях по газу, що сильно змінюються, можливість швидко і дешевими способами видаляти з поверхні насадки шлам, що відкладається, і т. д. Таким вимогам відповідають широко використовувані дерев'яна хордова і металева спіральна насадки.

У даному завданні можна рекомендувати дешевшу насадку, наприклад, дерев'яну хордову, розміром 10х100 мм з кроком по світлу 20 мм (див. табл. 2.1). Питома поверхня насадки а=65 м2/м3, вільний об'єм =0.68 м3/м3, еквівалентний діаметр dэ=0.042 м, насипна щільність =145 кг/м3. Характеристики пристрою наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 Характеристики насадок (розміри наведені в мм)

Насадки	а, м2/м3	, м3/м3	dэ, м	, кг/м3	Число штук в 1 м3
Дерев'яна хордова (10х100), крок у світлі
10	100	0,55	0,022	210	-
20	65	0,68		145	-
30	48	0,77	0,042	110	-

Примітка: а - питома поверхня насадки; - вільний об'єм; dэ- еквівалентний діаметр; - насипна щільність.

Для регулярних насадок, до яких відноситься і хордова, коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі у находять з рівняння:

(14)

де Nuy=уdэ/Dу = - дифузійний критерій Нуссельта для газової фази.

Звідси У (у м/с) дорівнює:

(15)

де Dy - коефіцієнт дифузії бензолових вуглеводнів у газовій фазі, ?м2/с?;

Rey=wdэу/у - критерій Рейнольдса для газової фази в насадці;

=y/yDy - дифузійний критерій Прандтля для газової фази;

у - в'язкість газу, ?Па•с?;

l - висота елемента насадки,? м?.

Коефіцієнт дифузії бензолових вуглеводнів у газі можна розрахувати по рівнянню

(16)

де МБУ, МГ - молярні маси відповідно бензолових вуглеводнів і коксового газу (83 і 10,5 кг/моль); vБУ, vГ - молярні об'єми бензолових вуглеводнів і коксового газу в рідкому стані при нормальній температурі кипіння (96 і 21,6 см3/моль).

* ?м2/с?

Следовательно:

?кг/м2с?

Коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі х знаходять з узагальненого рівняння стану, придатного як для регулярних (у тому числі і хордових), так і для неупорядкованих насадок:

(17)

де Nuх = = - дифузійний критерій Нуссельта для рідкої фази.

Звідси х у м/с дорівнює:

(18)

кам'яновугільному маслі, ?м2/с?;

пр= - зведена товщина стікаючої плівки рідини,? м?;

Re = 4Uх/ах - модифікований критерій Рейнольдса для рідини, що стікає по насадці плівки рідини;

= х/хDх - дифузійний критерій Прандтля для рідини.

У розбавлених розчинах коефіцієнт дифузії Dх може бути достатньо точно обчислений по рівнянню:

(19)

=7.4* ?м/с?

Т - температура масла, К;

х - в'язкість масла (16,5 мПа•с);

vБУ - молярний об'єм бензолових вуглеводнів, см3/моль;

- параметр, що враховує асоціацію молекул ( =1).

=2,9123* ?м?

30.8225

?м/с?

Виразимо х у вибраній для розрахунку розмірності:

=8.44212 ?кг/м2с?

Знаходимо коефіцієнт масопередачі по газовій фазі Ку:

?кг/м2с?

2.6 Визначення щільності зрошування і активної поверхні насадки

Щільність зрошування (швидкість рідини) розраховують за формулою

, м3/(м2 с) (20)

?м3/(м3с)?

Для насадкових абсорберів мінімальну ефективну щільність зрошування Umin знаходять по співвідношенню:

(21)

?м3/м2с?

qэф - ефективна лінійна щільність зрошування.

Для кілець Рашига розміром 75 мм і хордових насадок з кроком більше 50 мм qэф=0.033.10-3 ?м2/с?, а для решти всіх насадок qэф=0.022.10-3 ?м2/с?.

Доля активної поверхні насадки а може бути знайдена за формулою:

(22)



де p і q - коефіцієнти, залежні від типу насадки (p=0.0078, q=0.0146).

2.7 Визначення поверхні масопередачі та висоти абсорберів

Поверхню масопередачі в абсорбері знаходимо по рівнянню

(23)

?м2?

Висоту насадки, потрібну для створення цієї поверхні масопередачі, розрахуємо за формулою

(24)

?м?

Щоб уникнути значних навантажень на нижні ґратки насадки, її укладають в колоні ярусами, по 20-25 ґраток в кожному. Кожен ярус встановлюють на самостійні підтримуючі опори, конструкції яких наведені в літературі. Відстань між ярусами хордової насадки складає зазвичай 0.3-0.5м.

Приймаючи число ґраток в кожному ярусі 25, а відстань між ярусами 0.3 м, визначимо висоту частини насадки абсорбера:

(25)



?м?

Відстань між днищем абсорбера і насадкою визначається необхідністю рівномірного розподілу газу по поперечному перетину колони. Зазвичай цю відстань приймають рівною 1-1.5 ?м.?

Відстань від верху насадки до кришки абсорбера залежить від розмірів розподільного пристрою для зрошування насадки і від висоти простору сепарації, в якому часто встановлюють краплевідбійні пристрої для запобігання бризковиносу з колони. Приймемо цю відстань рівною 2.4 м. Тоді спільна висота одного абсорбера:

(26)

?м?

2.8 Розрахунок гідравлічного опору абсорберів

Необхідність розрахунку гідравлічного опору Р обумовлена тим, що він визначає енергетичні витрати на транспортування газового потоку через абсорбер. Величину Р знаходять за формулою:

, (27)

де Рс - гідравлічний опір сухої (незрошуваної рідиною) насадки, Па;
U - щільність зрошування, м3/(м2•с); b - коефіцієнт.b=119.

Гідравлічний опір сухої насадки Рс визначають по рівнянню

, (28)

де - коефіцієнт опору хордової насадки:

, (29)

w0 - швидкість газу у вільному перетині насадки (у м/с); w0=w/.

?Па?

?Па?

Размещено на Allbest.ru

...