Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

Введение

1. Принципиальная схема абсорбционной установки

2. Расчет насадочного абсорбера

2.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

2.2 Движущая сила массопередачи и число единиц переноса

2.3 Коэффициент массопередачи

2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

2.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

2.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

3. Расчет вспомогательного оборудования

3.1 Расчет теплообменника

3.2 Расчет трубопровода

3.3 Расчет вентилятора

Заключение

Библиографический список



Задание

Спроектировать абсорбционную установку для улавливания аммиака из смеси с воздухом.

Исходные данные

1) Количество воздуха проходящего через аппарат

;

2) Начальная концентрация аммиака (об.) в воздухе;

3) Конечная концентрация аммиака (об.) в воздухе;

4) Начальная концентрация аммиака (об.) в воде;

5) Удельный расход поглотителя ;

6) Начальная температура газа ;

7) Температура газа перед абсорбером ;

8) Начальная температура воды ;

9) Кольца Рашига размером ;

10) Давление в абсорбере ;

	,	0,01	0,02	0.03	0,04	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25
	,	0,0047	0,0096	0,0144	0,0199	0,0256	0,0691	0,103	0,164	0,25

Объем задания

1) Расчет абсорбера;

2) Расчет вентилятора;

3) Расчет теплообменника;

4) Расчет трубопровода;

5) Схема процесса;

6) Чертеж абсорбера

Введение

В последнее время с ускорением научно-технического прогресса, непрерывно растёт значение химической промышленности в жизни человечества. Особую роль здесь играют физико-химические процессы - массообмен и теплообмен. Получение тех или иных продуктов химической промышленности связано с проведением процессов абсорбции, ректификации. Перед данными процессами стоят широкие перспективы, особенно перед абсорбцией. Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения компонентов из газовой или паровой смеси жидким поглотителем, в котором данный компонент растворим. Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. Особенно это актуально в наше время, когда экологическая обстановка на планете становится всё хуже. Внедрение абсорбции во все отрасли народного хозяйства, в качестве метода очистки газов вызывает немедленное улучшение экологической обстановки. Получение таких веществ как ацетон, аммиак и других органических соединений идёт с применением процесса абсорбции. Перед последним открываются большие возможности улучшения интенсификации процесса.

Абсорбционные процессы являются основной технологической стадией ряда важнейших производств абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты, абсорбция NH3, паров C6H6, H2S и других компонентов из коксового газа и т.д.

При абсорбции процесс протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую межфазную поверхность. Исходя из способа создания этой поверхности, абсорберы условно делят на три группы

- Поверхностные абсорберы

- Барботажные абсорберы

- Распыливающие абсорберы

Необходимо отметить, что один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может работать в разных режимах. Так, например, насадочный колонный абсорбер может работать как в пленочном режиме, так и в барботажном.

Поверхность контакта фаз в поверхностных абсорберах создаётся за счёт фиксированной поверхности либо зеркала жидкости (собственно поверхностые абсорберы), либо текущей плёнки жидкости (плёночные абсорберы), то есть поверхность контакта фаз в аппарате в известной степени определяется площадью элемента аппарата (например, насадки), хотя обычно и не равна ей.

Эти аппараты можно разделить на следующие типы

- Поверхностные абсорберы с горизонтальным зеркалом жидкости;

- Насадочный абсорбер (с неподвижной насадкой);

- Пленочные абсорберы;

- Механические пленочные абсорберы.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом - большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости.

Преимуществом их является простота устройства, возможность работы с агрессивными средами (так как требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток. Насадка выполняется обычно из коррозионно-стойкого материала (керамика, фарфор, стекло). Другое преимущество насадочных колонн - более низкое, чем в барботажных абсорберах гидравлическое сопротивление.

Недостатки насадочные колонны мало пригодны для работы с загрязненными жидкостями и при малой плотности орошения. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод тепла, выделяющегося при поглощении газа. Для стабильной работы насадочной колонны необходимо обеспечить равномерное распределение жидкости по сечению, с помощью оросителей.



1. Принципиальная схема абсорбционной установки

Принципиальная схема абсорбционной установки приведена на рисунке 1

Рисунок 1 - Схема абсорбционной установки

Газ на абсорбцию, перед тем как пройти через газодувку 2, попадает в холодильник 1. После газодувки газ направляется в нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент - насадку. Абсорбент из промежуточной емкости 10 насосом 11 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 5. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 4, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 14, откуда насосом 13 направляется на регенерацию в десорбер 8 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 12. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 9, обогреваемом насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 12, дополнительно охлаждается в холодильнике 6.



2. Расчет насадочного абсорбера

Геометрические размеры массообменного аппарата определяются, в основном, поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи

;

где

и - коэффициенты массопередачи, соответственно, по жидкой и газовой фазам, ;

и -средние движущие силы;

- масса поглощаемого вещества (аммиака), ;

2.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу аммиака, переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса

; (2)

где

и - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, ;

и - начальная и конечная концентрация аммиака в поглотителе воде, ;

и - начальная и конечная концентрация аммиака в газе, ;

Найдем начальную концентрацию аммиака в газе, для этого переведем объемные доли в относительные массовые концентрации (доли) [2._таб. 6.1 и 6.2_ст. 282-283], тогда

;

Где

и

- мольные массы компонентов в смеси, соответственно аммиака и воздуха [2];

,

объемная доля аммиака в смеси на входе в абсорбер [по заданию];

Подставив данные в формулу (3.1), находим

;

Найдем конечную концентрацию аммиака в газе, для этого переведем объемные доли в относительные массовые концентрации (доли)[2], тогда

;



где

и

- мольные массы компонентов в смеси, соответственно аммиака и воздуха[2];

,

объемная доля аммиака в смеси на выходе из абсорбера [по заданию];

Подставив данные в формулу (4), находим

;

Определим расход инертной части газа по формуле

;

где

- объемный расход аммиачно-воздушной смеси [по заданию];

- плотность смеси, ;

Плотность смеси определяется по формуле

;

Где



,

объемная доля аммиака в смеси на входе в абсорбер [по заданию];

и плотности, соответственно, аммиака и воздуха, ;

Плотности аммиака и воздуха находим по формуле

;

где

- температура при нормальных условиях;

- давление в абсорбере [по заданию];

- температура газа перед абсорбером [по заданию];

- давление при нормальных условиях;

- плотность газа при нормальных условиях,

, [2];

;

;

Подставим найденные значения в формулу (5)

;

Подставим данные в формулу (4) найдем расход инертной части газа

;



Подставим данные в формулу (2) найдем массу поглощаемого вещества (аммиака)

;

Фактический расход абсорбента больше минимального и определяется из соотношения

;

где

- коэффициент избытка поглотителя, [по заданию];

-Минимальный расход абсорбента, ;

Минимальный расход абсорбента, определяется из уравнения материального баланса по формуле

;

где

-начальная концентрация аммиака в поглотителе, воде [по заданию];

- масса поглощаемого вещества (аммиака);

равновесная конечная массовая концентрация аммиака в поглотителе (воде), находится по графику [приложение А];

;



Подставим данные в формулу (9) получим

;

Конечная концентрация аммиака в поглотителе равна

;

где

- масса поглощаемого вещества (аммиака);

-фактический расход абсорбента;

Соотношение фаз или удельный расход поглотителя составит

;

где

-фактический расход абсорбента;

-расход инертной части газа;

;

2.2 Движущая сила массопередачи и число единиц переноса

Средняя движущая сила рассчитывается по формуле

;



и - большая и меньшая движущие силы на входе и на выходе абсорбера, ;

;;

где

и

начальная и конечная массовая концентрация аммиака (воздухе)[по заданию];

и

равновесная начальная и конечная массовая концентрация аммиака (воздухе), находится по графику[приложение А];

;

;

Подставляя данные в формулу (11), получим

;

Число единиц переносапо графику [приложение А].Аналитически, число единиц переноса определяется по формуле



;

Принимаем ;

2.3 Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений

;

где

и - коэффициенты массотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах,;

- коэффициент распределения, ;

2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Диаметр абсорбционной колонны D (в м)рассчитывают по уравнению расхода для газового потока

;

где

- объемный расход аммиачно-воздушной смеси [по заданию];

- скорость газа, отнесенного к полному поперечному сечению колонны (фиктивная), ;

Скорость газа находят следующим путем. Сначала рассчитывают фиктивную скорость газа w3 в точке захлебывания по уравнению (при)

;

где

-удельная поверхность насадки [2];

- ускорение свободного падения;

-свободный объем насадки [2];

- плотность газовой смеси при [2];

-плотность жидкой смеси при [2];

- динамический коэффициент вязкости жидкости, [2];

-фактический расход абсорбента;

-расход инертной части газа;

для насадки из колец или спиралей [1];

Отсюда скорость газа

;

Определяем рабочую скорость газа (фиктивную), принимая для насадочных абсорберов

;

Подставляем данные в формулу

;

Выбираем стандартный диаметр абсорбционной колонны, .

Пересчитаем скорость с учетом выбранного диаметра

;

;

2.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывается по формуле

;

где

- плотность воды при [2];

- площадь поперечного сечения абсорбера, ;

Площадь поперечного сечения абсорбера рассчитывается по формуле

;

где

-диаметр абсорбционной колонны;

Подставляя данные в формулу (19), получим



;

Подставляя полученные данные в формулу (18), получим

;

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения находят по соотношению

;

где

-удельная поверхность насадки [1];

- эффективная линейная плотность орошения [1];

Подставляя данные в формулу (20), получим

;

Коэффициент смачиваемости насадки для колей Рашига при заполнении колонны в навал можно определить из следующего эмпирического уравнения

;

где

-плотность орошения;

-коэффициент распределения, ;

- плотность воды при[2];

- диаметр насадки[по заданию];

-поверхностное натяжение воды при [2];

коэффициент распределения, который находится по формуле

; (

Подставляя данные в формулу (21), получим

;

Доля активной поверхности насадки может быть найдена по формуле

;

где

и - коэффициенты, зависящие от типа насадки, и [3];

-плотность орошения;

-удельная поверхность насадки [1];

;

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для колон с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи можно найти из уравнения

;

где

- диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

Отсюда

;

где

- средний коэффициент диффузии аммиака в газовой фазе, ;

- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

-эквивалентный диаметр насадки [2];

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе можно рассчитать по уравнению

;

Где

и

- мольные объемы в жидком состоянии при нормальной температуре кипения [2];

- давление в абсорбере [по заданию];

- температура газа перед абсорбером [по заданию];

и -мольные массы аммиака и воздуха [2];

Подставив, получим

;

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке рассчитывается по формуле

;

где

-рабочая скорость газа в колонне;

- плотность газовой смеси при [2];

- поверхностное натяжение воды при [2];

-динамический коэффициент вязкости газовой смеси, ;

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси определяется по формуле

;

, и

мольные массы аммиака и воздуха [2];

и



динамические коэффициенты вязкости соответственно аммиака, воздуха [2];

Мольная масса смеси газов рассчитывается по формуле

;

Где

-

объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

Подставив данные в формулу (28), находим

;

По формуле (27) находим динамический коэффициент вязкости

;

;

;

Подставляя полученные данные в формулу (26), получим

;

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы рассчитывается по формуле



;

где

- ;

- ;

-плотность газовой смеси при [2];

;

Подставляя полученные данные в формулу (24), получим

;

Выразим в выбранной для расчета размерности

;

где

-плотность газовой смеси при [2._таб. IV_стр. 512];

- средняя концентрация аммиака в газовой смеси, ;

Средняя концентрация аммиака в газовой смеси находится из выражения

;



где

и

объемная доля аммиака в смеси на входе в абсорбер и на выходе из абсорбера [по заданию];

;

Подставляя данные в формулу (30), получим

;

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят из обобщенного уравнения, пригодного для регулярных, так и для неупорядоченных насадок

;

где

- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;

Отсюда

;

где

- средний коэффициент диффузии, ;

- приведенная толщина стекающей пленки жидкости, ;

- модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

- диффузионный критерий Прандтля для жидкости

В разбавленных растворах коэффициент диффузии может быть достаточно вычислен по уравнению

;

где

- мольная масса воды [2];

- температура воды [по заданию];

- мольный объем аммиака [2];

- параметр учитывающий ассоциацию молекул[2];

-динамический коэффициент вязкости воды при [2._таб. IX_ст.516];

Подставив, получим

;

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости рассчитывается по формуле

;

где

- ускорение свободного падения;

-динамический коэффициент вязкости воды при [2._таб. IX_ст.516];

-плотность жидкой смеси при [2._таб. IV_стр. 512];

Подставив, получим

;

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости найдем по формуле

;

где

-плотность орошения;

-плотность жидкой смеси при [2._таб. IV_стр. 512];

-удельная поверхность насадки [1._таб. 5.1_ст.196];

-динамический коэффициент вязкости воды при [2._таб. IX_ст.516];

Подставляя данные в формулу, получим

;

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости рассчитывается по формуле

;

где

-динамический коэффициент вязкости воды при [2._таб. IX_ст.516];

-плотность жидкой смеси при [2._таб. IV_стр. 512];

- средний коэффициент диффузии аммиака в воде;

Подставляя данные в формулу (37), получим

;

Подставляя полученные данные в формулу (33), получим

;

Выразим в выбранной для расчета размерности

;

где

-плотность жидкой смеси при [2._таб. IV_стр. 512];

- средняя объемная концентрация аммиака в поглотителе (воде), . Рассчитывается по формуле

;

где

- плотность газовой смеси при ;

- конечная концентрация аммиака в поглотителе

-мольные массы аммиака [2._таб. I_ст. 510];

Подставляя данные в формулу (39), получим

;

Подставляя полученные данные в формулу (38), получим

;

Подставляем данные в формулу (14) для рассчета коэффициентамассопередачи в газовой фазе

;

2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере равна

;

- масса поглощаемого вещества (аммиака);

-коэффициент массопередачи в газовой фазе;

-средняя движущая сила;

Подставляя данные в формулу получим



;

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле

;

где

- поверхность массопередачи в абсорбере;

-удельная поверхность насадки [1._таб. 5.1_ст.196];

-диаметр абсорбционной колонны;

- доля активной поверхности насадки;

Подставляя данные в формулу (41), получим

;

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газов по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Принимаем эти расстояния равными соответственно 0,6 и 1,5 м[1._ст. 235]. Тогда общая высота абсорбера рассчитывается по формуле

;



2.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле

,

где

- гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, ;

-плотность орошения;

- коэффициент, значения которого для различных насадок разный.Для колец Рашигавнавал диаметром [1._ст. 201];

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению абсорбционный установка гидравлический насадка

;

где

- коэффициент сопротивления;

- скорость газа в свободном сечении насадки, ;

- высота насадки;

- плотность газовой смеси при ;

- эквивалентный диаметр насадки [1._таб. 5.1_ст. 196];

Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок можно рассчитать по формуле



;

где

- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

Подставляя данные в формулу (45), получим

;

Скорость газа в свободном сечении насадки определяют по формуле

,

где

- рабочая скорость газа в колонне;

- свободный объем насадки [1._таб. 5.1_ст. 196];

Подставляя данные в формулу (46), получим

;

Подставляя данные в формулу (44), получим

;

Подставляя данные в формулу (43), получим

;



3. Расчет вспомогательного оборудования

3.1 Расчет теплообменника

Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (газовая смесь), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды

;

Составляем температурную схему

,

,

;;

;

Определяем среднюю температуру газовой смеси по формуле

;

где

- средняя температура воды;

- средняя разность температур;

Подставляя данные в формулу (47), получим

;



С учетом потерь холода в размере расход теплоты рассчитывается по формуле

;

где

-расход инертной части газа;

- удельная теплоемкость смеси при , ;

, - начальная и конечная температура газа [по заданию];

Удельная теплоемкость смеси определяется по формуле

;

Где

,

- удельная теплоемкость аммиака и воздуха при ;

- конечная концентрация аммиака в поглотителе (воде);

Подставляя данные в формулу (49), получим

;

Подставляя полученные данные в формулу (48), получим

;

Расход воды определяется по формуле

;

где

- расход теплоты;

- удельная теплоемкость воды при t = 25єC [2];

, - начальная и конечная температура воды;

Подставляя данные в формулу (50), получим

;

Объемный расход газовой смеси определяется по формуле

;

где

-расход инертной части газа;

-плотность газовой смеси при ;

Плотность газовой смеси определяется по формуле

;

Где

,

объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

, - плотности, соответственно, аммиака и воздуха при , ;

Плотности аммиака и воздуха найдем по формуле

;

где

- температура при нормальных условиях;

- давление в абсорбере [по заданию];

- температура газа перед абсорбером [по заданию];

- давление при нормальных условиях;

- плотность газа при нормальных условиях,

, [2];

;

;

Подставим найденные значения

;

Подставляя данные в формулу (51), получим

;

Объемный расход воды определяется по формуле



;

где

- массовый расход воды;

- плотность воды при [2];

Подставляя данные в формулу (52), получим

;

Наметим варианты теплообменных аппаратов.

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая что [2] по формуле

;

где

- расход теплоты;

[2._таб. 4.8_ст. 172];

- средняя разность температур;

Подставляя данные в формулу (53), получим

;

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Воду направим в трубное пространство, так как она дает загрязнения, газовую смесь - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах холодильников по ГОСТ 15120 - 79 скорость течения воды при должна быть не более

;

где

- динамический коэффициент вязкости воды при [2];

- внутренний диаметр труб;

- плотность воды при [2];

Подставляя данные в формулу (54), получим

;

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть менее

;

По таблице 4.12 [2] подбираем кожухотрубчатый одноходовой холодильник с запасом поверхности теплообмена Характеристики этого холодильника , ,.

Скорость воды для кожухотрубчатого холодильника рассчитывается по формуле

;



где

- объемный расход воды;

- число труб в холодильнике, шт. [2];

- внутренний диаметр труб;

Подставляя данные в формулу, получим

;

Критерий Рейнольдса для воды рассчитывается по формуле

,

где

- скорость воды в кожухотрубчатом холодильнике, м/с;

- внутренний диаметр труб;

- плотность воды при [2];

- динамический коэффициент вязкости воды при [2];

Подставляя данные в формулу (56), получим

;

Критерий Прандтля для воды при рассчитывается по формуле

;



где

- удельная теплоемкость воды при [2];

- динамический коэффициент вязкости воды при [2];

- коэффициент теплопроводности воды при [2];

Подставляя данные в формулу получим

;

Скорость газовой смеси для кожухотрубчатого холодильника рассчитывается по формуле

;

где

- объемный расход газовой смеси;

- проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120 - 79 [2];

Подставляя данные в формулу (62), получим

;

Критерий Рейнольдса для газовой смеси рассчитывается по формуле

;

где

- скорость газовой смеси в кожухотрубчатом холодильнике;

- наружный диаметр труб, определяющий линейный размер поперечном обтекании;

- плотность газовой смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси определяется по формуле

;

где

, ;

- мольные массы соответственно смеси газов, аммиака и воздуха [2._ таб. I_ст. 510];

, -

динамические коэффициенты вязкости соответственно аммиака, воздуха [2]

Мольная масса смеси газов рассчитывается по формуле

;

где

- объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

Подставив данные в формулу, находим

;

По формуле находим динамический коэффициент вязкости

;

;

;

Подставив данные в формулу, находим

;

Критерий Прандтля для газовой смеси при рассчитывается по формуле

;

где

- удельная теплоемкость смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

- коэффициент теплопроводности газовой смеси при , ;

Коэффициент теплопроводности газовой смеси определяется по формуле

;

где

- удельная теплоемкость смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при ;

; - показатель адиабаты; и - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении и при постоянном объеме, соответственно, Дж/(кг·К) [2._табл. V_ст. 513];

В = 0,25·(9·k - 5) = 1,72;

Подставляя данные в формулу, получим

Подставляя полученные данные в формулу получим

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для газовой смеси.

Коэффициент теплоотдачи для газовой смеси () рассчитывается по формуле

где Nu1 - критерий Нуссельта для газовой смеси при t = 52єС;

л1 = лсм = 0,033 - коэффициент теплопроводности газовой смеси при t = 52єС, Вт/(м·К);

d1 = 0,025 - наружный диаметр труб, определяющий линейный размер поперечном обтекании, м.

Критерий Нуссельта для газовой смеси определяется по формуле

где еl = 1 [1, стр. 154];

- критерий Рейнольдса для газовой смеси при t = 75єС;

- критерий Прандтля для газовой смеси при t = 75єC;

[1].

Подставляя данные в формулу (69), получим

Подставляя полученные данные в формулу (68), получим

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды.

Коэффициент теплоотдачи для воды рассчитывается по формуле



где Nu2 - критерий Нуссельта для воды;

л2 = 0,52 - коэффициент теплопроводности воды при t = 25єС, Вт/(м·К) [1, рис. Х, стр.561];

d2 = 0,021 - внутренний диаметр труб, м.

Критерий Нуссельта для воды при горизонтальном расположении труб (Re< 3500) рассчитывается по формуле

Для газов не учитывают, поэтому

.

Формула (71) выведена при значениях 20 ? ? 120; 106 ? ? 1,3·107; 2 ? Pr ? 10.

При ? 10 значение Nu определяют по уравнению



Проверим, выполняется ли условие ? 10.

Критерий Пекле (Pe) рассчитывается по формуле

где щ = 0,004 - скорость воды в кожухотрубчатом холодильнике, м/с;

l = 0,021 - внутренний диаметр труб, м;

с = 4190 - удельная теплоемкость воды при t = 25єC, Дж/(кг·К) [1, рис. XI, стр.562];

с = 996,5 - плотность воды при t = 25єC, кг/м3 [1, табл.IV, стр. 512];

л = 0,52 - коэффициент теплопроводности воды при t = 25єС, Вт/(м·К) [1, рис. Х, стр.561].

Подставляя данные в формулу (73), получим

В условии ? 10 d = 0,021 м (внутренний диаметр труб), L = 3 м [1, табл. 4.12, стр. 215], отсюда

Так как условие ? 10 выполняется, то значение Nu определяют по уравнению



Подставляя полученные данные в формулу (70), получим

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

где б1 = 49, б2 = 52 - коэффициенты теплоотдачи, соответственно, для газовой смеси и воды, ;

?rст- термическое сопротивление стенки и загрязнений, м2·К/Вт.

Термическое сопротивление стенки и загрязнений определяется по формуле

где == 5800 - тепловая проводимость загрязнений стенки, Вт/(м2·К) [1, табл. ХХХI, стр.531];

дст = 0,002 - толщина стенки, м;

лст = 46,5 - коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·К) [1, табл. XXVIII, стр.529].

Подставляя данные в формулу, получим

Подставляя полученные данные в формулу (73), получим

Рассчитаем плотность теплового потока по формуле

где - коэффициент теплопередачи, ;

Дtср = 27 - средняя разность температур, К.

Подставляя данные в формулу (75), получим

Расчет площади поверхности теплопередачи.

Площадь поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле

где Q = 85990 - расход теплоты, Вт;

плотность теплового потока, Вт/м2.

Подставляя данные в формулу (76), получим



С запасом 10%

Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79). Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб

Необходимое число аппаратов

Примем N = 1. Запас поверхности составляет при этом

Гидравлическое сопротивление теплообменника в межтрубном пространстве рассчитывается по формуле

,

где - коэффициент теплопроводности газовой смеси, Вт/(м·К);

n = 1 - число ходов;

L = 3 - длина одного хода, м;

- скорость газа в межтрубном пространстве, м/с;

с1 = ссм = 1,072 - плотность газовой смеси при t = 52єC, кг/м3.

dэ - наружный эквивалентный диаметр трубопровода, м;

?ж= 5 - сумма коэффициентов местных сопротивлений [1, стр. 26].

Наружный эквивалентный диаметр трубопровода рассчитывается по формуле

,

где D = 1000 - внутренний диаметр кожуха, мм2;

n = 747 - число труб;

d = 25 - наружный диаметр труб, мм.

Подставляя данные в формулу (78), получим

Коэффициенты местного сопротивления

Вид сопротивления	ж	?ж
Вход в межтрубное пространство и выход из него Поворот на 900 в межтрубном пространстве	1,5 1,0	1,5·2 = 3 1,0·2 = 2 5

Подставив данные в формулу, находим гидравлическое сопротивление теплообменника

.

3.2 Расчет трубопровода

Расчет трубопровода начинаем с расчета диаметра трубопровода.

Диаметр трубопровода рассчитывается по формуле

;

где

- объемный расход аммиачно-воздушной смеси [по заданию];

- скорость газовой смеси в трубопроводе в пределах ;

Принимаем .

Подставляя данные в формулу, получим

;

Подбираем стандартный наружный диаметр трубопровода [2], , толщина стенки которого , ;

Уточняем скорость газа в трубопроводе по формуле

;

где

- объемный расход аммиачно-воздушной смеси [по заданию];

- внутренний диаметр трубопровода;

Подставляя данные в формулу (80), получим



;

Разобьем наш трубопровод на две части. Первая часть трубопровода будет располагаться до теплообменника, вторая - после теплообменника. Примем индекс «I» для первой части трубопровода, индекс «II» - для второй части.

Принимаем длину первой части трубопровода , второй части ;

Определим гидравлическое сопротивление трубопровода для I и II части.

Гидравлическое сопротивление I части трубопровода определяется по формуле

;

где

- плотность газовой смеси при , ;

- скорость газа в трубопроводе;

- коэффициент трения в трубопроводе;

- длина первой части трубопровода;

- внутренний диаметр трубопровода;

?ж= 11,5 - сумма коэффициентов местных сопротивлений [2._ст. 520].

Коэффициенты местного сопротивления

Вид сопротивления	ж	?ж
Вход в трубу с острыми краями Вентиль (2 шт.)	0,5 5,5	0,5 5,5·2=11 11,5



Плотность газовой смеси рассчитывается по формуле

;

где

- объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

, - плотности, соответственно, аммиака и воздуха при, ;

Плотности аммиака и воздуха найдем по формуле

;

где

- температура при нормальных условиях;

- давление в абсорбере [по заданию];

- температура газа перед абсорбером [по заданию];

- давление при нормальных условиях;

- плотность газа при нормальных условиях,

, [2];

Плотность аммиака и воздуха при определяется по формуле

;

;

Подставим найденные значения

;

Коэффициент трения в трубопроводе определяется по рис. 1.5 [2]. Для этого определим критерий Рейнольдса для I части трубопровода по формуле

; ()

где

- скорость газа в трубопроводе;

- внутренний диаметр трубопровода;

- плотность газовой смеси при ;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси при , ;

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси рассчитывается по формуле

;

где

, ;

,

- мольные массы соответственно смеси газов, аммиака и воздуха [2];

, - динамические коэффициенты вязкости соответственно аммиака, воздуха при [2];

Мольная масса смеси газов рассчитывается по формуле



;

где

- объемная доля аммиака в смеси [по заданию];

;

По формуле находим динамический коэффициент вязкости

;

;

;

Подставляя полученные данные в формулу, получим

;

Определяем коэффициент трения. Принимаем шероховатость стальных труб с незначительной коррозией [2].Для и находим [2].

Полученные данные подставляем в формулу

;

Гидравлическое сопротивление II части трубопровода определяется по формуле

,

где

- плотность газовой смеси при ;

- скорость газа в трубопроводе;

- коэффициент трения в трубопроводе;

- длина первой части трубопровода;

- внутренний диаметр трубопровода;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений [2]

Коэффициенты местного сопротивления

Вид сопротивления	ж	?ж
Выход из трубы Вентиль Отвод под < 90є	1 5,5 0,11	1 5,5 0,11 6,61

Коэффициент трения в трубопроводе определяется по рис. 1.5 [1, стр.22]. Для этого определим критерий Рейнольдса для II части трубопровода по формуле

;

где

- плотность газовой смеси при ;

- скорость газа в трубопроводе;

- динамический коэффициент вязкости газовой смеси;

Подставляя полученные данные в формулу (88), получим

;

Определяем коэффициент трения. Принимаем шероховатость стальных труб с незначительной коррозией [2._стр. 519].Для и находим [2._ рис. 1.5_ст. 22].

Полученные данные подставляем в формулу (81)

;

Общее сопротивление трубопровода

;

3.3 Расчет вентилятора

Для выбора вентилятора необходимо знать общее гидравлическое сопротивление сети, состоящее из сумм гидравлических сопротивлений всех аппаратов и гидравлического сопротивления трубопровода.

Общее гидравлическое сопротивление определяется по формуле

,

где

- гидравлическое сопротивление абсорбера;

- гидравлическое сопротивление теплообменника;

- гидравлическое сопротивление трубопровода;

Подставляя данные в формулу (89), получим



;

Исходя из общего гидравлического сопротивления сети и объемного расхода газовой смеси, подбираем вентилятор или газодувку. Определяем необходимую мощность на перемещение газовой смеси, кВт, по формуле

,

гдеV = 3- объемный расход аммиачно-воздушной смеси при нормальных условиях, м3/с (см.задание);

- общее гидравлическое сопротивление сети, Па;

з - к.п.д. вентилятора, выбирается по каталогу в зависимости от типа вентилятора.

Подставляя данные в формулу (90), получим

Принимаем вентилятор [1 стр. 42] марки В-Ц14-46-5К-02 со следующими характеристиками

Производительность 3,67 м3/с;

Давление 2360 Па;

Число оборотов 24,1 с-1;

Мощность 13 кВт.



Заключение

В курсовом проекте рассчитаны и подобраны абсорбционная установка и вспомогательное оборудование.

Приведено описание технологической схемы для очистки газа. После описания технологического процесса приведен подробный расчёт насадочного абсорбера. По итогам расчётов получен аппарат со следующими характеристиками:

- диаметр абсорбера -,

- высота насадочной части абсорбера - ,

- поверхность массопередачи в абсорбере -,

- гидравлическое сопротивление абсорбера - .

Также проведён расчёт вспомогательного оборудования - теплообменника и вентилятора.

В итоге, из выбранного ряда, больше всего подходит теплообменник с трубами длиной и номинальной поверхностью , диаметром кожуха , , , имеют соотношение .

По результатам расчётов был выбран вентилятор В-Ц14-46-5К-02, для которого при оптимальных условиях работы , , с двигателем А02-61-4 со следующими характеристиками , .



Библиографический список

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для студентов вузов/ Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А.. - 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987г. М. ООО ТИД «Альянс», 2005. - 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию для студентов втузов/ Г. С. Борисов [и др.] ; ред. Ю. И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. - 272 с.

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 доп.. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для студентов вузов/ Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А.. - 10-е изд., перераб. и доп.. - Л.: Химия, Ленингр. отд-ние, 1987. - 575 с.

Размещено на Allbest.ru

...