Процессы и аппараты химической технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

барботажный абсорбер гидродинамический узел

Введение

1. Барботажные (тарельчатые) абсорберы

2. Расчетная часть

Заключение

Список используемых источников



Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяют многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию необязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств. Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу газов от вредных примесей.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорбера можно условно разделить нА следующие группы: поверхностные и пленочные; насадочные; барботажные (тарельчатые); распыливающие.

1. Барботажные (тарельчатые) абсорберы

Общие сведения

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

В настоящее время в промышленности применяется в разнообразной конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с тарелок барботжные абсорберы можно подразделить на колонны:

с тарелками со сливными устройствами;

с тарелками без сливных устройств.

Рассмотрим тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на ниже расположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Принцип работы колонн такого типа виден из рисунка 1 [ 1 ], где в качестве примера показан абсорбер с колпачковыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющейся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ уделяется с верху колонны.



Переливные трубки располагаются на тарелках таким образом, чтобы жидкость на соседних тарелка протекала во взаимопротивоположных направлениях. Тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.

Гидродинамические режим работа тарелок

Эффективность тарелок любых конструкций в значительный степени зависит от гидродинамических режимов работы. В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамических режима работа барботажных тарелок: пузырьковый, пенный и струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя которая в основном определяет его гидродинамическое сопротивление и высоту, а так же поверхность контакта фаз.

Пузырьковый режим. Такой режим наблюдаются при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке, работающей в пузырьковом режим, не велика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается в следствии сопротивления барботажного слоя с образование большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газо-жидкостная дисперсная система-пена, которая является не стабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит н поверхности пузырьков и струй газа, а так же на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботжным слоем при выходе пузырьков газа из барботжного слоя и разрушения их оболочек. При пенном режиме поверхность контакта фаз на барботжных тарелках максимальна.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условия такого гидродинамического режима резко снижется.

Следует отметить, что переход от данного режима к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов ( критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему приделом работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.

Колпачковые тарелки

Менее чувствительны к загрязнениям, колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками ( рисунок 2). Газ на тарелку 1 поступает по парубкам 2, разбрызгиваясь за тем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются виде зубцов треугольной и прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающий по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

На рисунке 3 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно. Сечение и форма колпачка имеют второстепенное значение, о желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ разбрызгивается на более мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхностью контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.



Колпачковые тарелки изготавливают с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с радиальным переливом жидкости (рисунок 4, а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется центру и сливается на следующую тарелку по центральной рубке 7, затем снова течет к периферии и т.д.

Тарелка с диаметром переливом жидкости (рисунок 4. Б) представляет собой срезанный с двух сторон диск 1. Установленный на опорном листе 2. С одной стороны, тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой - сливным порогом 4 со сменой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

На рисунке 5 показана распространенная конструкция штампового капсюльного колпачка. Он состоит из патрубка 1, который развальцован в отверстии тарелки 2, и планки 3, приваренной к верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80-150 мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

2. Расчетная часть

Материальный баланс

Массу SO2, переходящую в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

M = G(н-в) = L(в-н), (1)

где L, G-расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

н, в - нижняя (начальная) и верхняя (конечная) концентрация SO2 в поглотительной воде соответственно, кг SO2/кг воды;

н, в - нижняя (начальная) и верхняя (конечная) концентрация SO2 в газе соответственно, кг SO2/кг газа.

Начальная концентрация SO2 в воздухе, кг/кг [2]:

, (2)

где Ун - мольная доля начальной концентрации SO2 в газе.

кг SO2/кг газа.

Конечная концентрация SO2 в воздухе, кг/кг:

в находим из формулы степени поглощения [2]:

, (3)

Где Сn- степень поглощения;

в = н(1-Cn) = 0.12(1-0.9) = 0.012кг SO2/кг газа.

Конечная концентрация SO2 в поглотительной воде (по условию):

Начальная концентрация SO2 в поглотительной воде:

Для того чтобы найти н, построим график зависимости между содержанием SO2 в газе и воде при 20°С (рисунок1).

Точки для линии равновесия:

= р/П- закон Дальтона [2], (4)

Где р- парциальное давление газовой смеси;

П- атмосферное давление.

39/760=0.0513 кмоль/кмоль;

=26/760=0.034 кмоль/кмоль;

Тогда



кг/кг;

=0.08 кг/кг;

кг/кг;

кг/кг.

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

М = G (н-в), (5)

Где G = 800 кг/ч = 0.222 кг/с.

М = 0.222 (0.12 - 0.012) = 0.024 кг/с.

Минимальный расход поглотителя [2]:

кг/с, (6)

Расход поглотителя [2]:

L = Lmin?1.2 = 4.236 кг/с. (7)

Найдем н из материального баланса:

М = G(н-в) = L(н -в)

Отсюда:

кг/кг. (8)

Удельный расход поглотителя [2]:

кг/кг. (9)

Движущая сила массопередачи

Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы [4]:

кг/кг (10)

Расчет основных конструктивных размеров

Выбор оптимальной конструкции тарелок

Рассмотрим возможность применения для данного процесса колпачковой тарелки с круглыми колпачками. Как следует из таблицы 2 [3], наряду с несомненными достоинствами большая область устойчивой работы, большая эффективность, легкость пуска установки) такая тарелка обладает рядом недостатков (большое гидравлическое соединение, большой брызгоунос, необходимость иметь большой запас жидкости, трудности: монтаж, обработки взвесей, отвода тепла). Но в данном случае эти недостатки несущественны, так как по условию поглотитель предусматривается чистым, а теплоотводить обязательно. Кроме того, следует иметь ввиду, что тарелки этого типа широко используются в промышленности, процессы в них хорошо изучены. Исходя из вышеуказанного, применяем для данного процесса колпачковую тарелку с круглыми колпачками.

Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

Скорость газа рассчитывают по уравнению, м/с [3]:

, (11)

где - плотность жидкого поглотителя и инертного газа, соответственно, при рабочих условиях.

=998 кг/м3;

с - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между ними, условий процесса. Примем расстояние между тарелками hт = 350 мм [4], тогда с = 0,05 [2];

, (12)

где - плотность азота при 0°С, = 1.25 кг/м3;

- абсолютная температура при 0°С, = 273°К;

Т - абсолютная температура процесса (20°С), Т = 300°К;

- атмосферное давление, равное 1 атм.;

Р - атмосферное давление процесса, равное 1 атм.

кг/м3

Тогда скорость газа будет ровна:

м/c.

Объемный расход газа при условия в абсорбере:

V = G/= 0,222/1,16 = 0,19 м3/с. (13)

Тогда диаметр абсорбера [3]:

м. (14)

Принимаем колонный аппарат диаметром dст = 500 мм с тарелками ТСК = I [4].

Фактическая скорость газа в свободном сечении колонны [3]:

щ?=, (15)

где = 0,5 м [3]- стандартый диаметр обечайки.

щ? = щ(0,41/0,5)2 = 0,98 м/с

расстояние от верхнего края колпачка до выше расположено тарелки для исполнения 1 определяется, м [5]:

hk = hт - Н1, (16)

где Н1 =0,005 м [4];

м.

Диаметр колпачка dk = 0,06 м [4]. Тогда предельно допустимая скорость газа [3]:

м/с. (17)

Поскольку фактическая скорость газа меньше, тарелка работает в равномерном режиме.

Скорость газа в паровых патрубках, м/с [3]:

, (18)

Где Sann - площадь поперечного сечения аппарата:



м2; (19)

Snamp = площадь паровых патрубков, Snamp = 0,015 м2 [4];

м/с.

Если принять высоту прорези h= 20 мм при числе их n = 13 [4] и стандартной ширине прорезей b = 0,004м [4], то общее сечение прорезей [3]:

Snp = b?h?n = 0,004?0,02?24 = 0,00192 м2 (20)

Тогда скорость газа в прорезях при числе колпачков nk = 13 [4], м/с [3]:

м/с. (21)

Барботаж газа через жидкость начинается при некотором начальном открытии прорези, м [3]:

(22)

Где - поверхностное натяжение воды, при 20°С = 72,8?10-3 Н/м [2];

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;

f1 - коэффициент, зависящий от формы прорезей, для прямоугольных прорезей f1 = 2 [3];

f2 - поправочный множитель для прямоугольных прорезей [3]:

(23)

м.

Скорость газа, при которой происходит полное открытие прорезей, м/с [3]:

, (24)

где =0,88 [3];

- для прямоугольных прорезей [3]:

; (25)

м/с.

Скорость газа = 5,35 м/с меньше скорости газа в прорезях = 7,704 м/с, то есть полное открытие прорезей в колпачках обеспечивается.

Определение числа тарелок и высоты абсорбера

Для определения числа тарелок строим график (рисунок2)

Теоретическое число тарелок [3]:

(26)

Задаем КПД тарелки = 0,6. Тогда число действительных тарелок [3]:

(27)



Округляем до = 8 тарелок.

Высота тарельчатой части абсорбера [3]:

м. (28)

Общая высота аппарата с учетом расстояния от днища до нижней тарелки и от верхней тарелки до крышки составит [3]:

м. (29)



Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

Для определения сопротивления сухой тарелки принимаем коэффициент местного сопротивления = 4,75 [3]. Тогда сопротивление сухой тарелки [3]:

Па (30)



Эквивалентный диаметр отверстия для данного колпачка [3]:

(31)

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного напряжения [3]:

(32)

Сопротивление газожидкостного слоя, Па [3]:

(33)

где к - относительная плотность газожидкостного слоя, к = 0,5 [3];

- расстояние от верхнего края прорези до сливного порога,

= 20?10-3 м [4];

= высота уровня жидкости над сливным порогом, м [3]:

(34)

где Lc - периметр слива, Lc = 0,4 м [4];

Vж - объемный расход жидкости [3]:

м3/с; (35)



м;

Па

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки [3]:

Па (36)

Гидравлическое сопротивление абсорбера [3]:

Па (37)

Механические расчеты основных узлов и деталей

Расчет толщины обечайки и днища

Процесс абсорбции проводится под атмосферным давлением. Для диаметра 0,5 м толщину обечайки можно принять равной 6 мм (таблица 3 [3]). Такую же толщину принимаем для днища и крышки аппарата [3].

Расчет фланцевых соединений и крышек

Примем резиновую прокладку с внутренним диаметром равным наружному диаметру аппарата (Db = 0,5+2?0,006=0,62), а ее ширину b = 0,001 м [3]. Тогда растягивающее усилие для болтов, МН [3];

(38)

где Р - рабочее давление, Р = 0,1 МН/м2;

Dn - средний размер прокладки:

м; (39)

k -коэффициент, зависящий от материала прокладки, для плоских прокладок из резины k = 1 [3];

МН.

Диаметр болтовой окружности приближенно определить по формуле, м [3]:

(40)

где Dв - внутренний диаметр фланца, он обычно равен наружному диаметру обечайки Dв = 0,62 м [3];

м.

Задаемся диаметром болтов dб = 10 мм. Тогда число болтов [3]:

(41)

где - допускаемое напряжение на растяжение в болтах, = 138 МН/м2 для стали Ст. 3 (рисунок 4 [3]);

Принимаем 8 болтов диаметром 10 мм.

Наружный диаметр фланца [3]:

м. (42)

Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях, МН [3]:



(43)

Для нахождения вспомогательных Ф и А определяем коэффициенты и . Отношение

(44)

Из графиков на рисунке 5 [3] следует, что = 1,07 и = 8.

Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях, м2 [3]:

(45)

где - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, для сталей Ст.3 можно принять = 240 МН/м2 [3]4

м2

Вспомогательная величина А, м2 [3]:

(46)

где l - толщина обечайки, l = 0,006 м;

м2.

Поскольку выполняется условие, то высоту фланца в метрах определяем по формулам [3]:



м; (47)

м. (48)

Из полученных значений выбираем наибольшее и принимаем высоту фланца h = 10 мм.

Толщина плоских крышек, закрывающих люки, принимаем равной толщине обечайки (6 мм) [3].

Расчет опоры аппарата

1. Примем в качестве подвески лапы. До расчета толщины ребра по формуле (55) предварительно определим некоторые величины. Максимальный вес аппарата можно принять равным удвоенному весу воды, полностью заполняющей корпус. Объем корпуса аппарата [3]:

м3. (49)

Тогда вес воды, кг [3]:

Н. (50)

Вес аппарата [3]:

Н = 0,014 МН. (51)

Для аппарата весом 0,014 МН примем две двухреберные лапы с вылетом 0,1 м [5]. Тогда толщина ребра рассчитывается по формуле, м [4]:

, (52)

где n - число лап, n = 2;

z -число ребер в лапе, z = 2;

- допускаемое напряжение на сжатие, = 100 МН/м2 [5];

L -вылет опоры, l =0,1 м;

k -коэффициент, примем равным k =0,3;

Сk, Сокр - коэффициенты Сk = 0,001 и Сокр = 0,001;

м.

Отношение = 0,1/0,0046 = 21,7. По графику на рисунке 7 [3] для такого отношения k = 0,31. Это значение не сильно отличается от принятого нами ранее, поэтому пересчет толщины ребра не требуется.

Высота лапы [5]:

м (53)

Общая длина сварного шва [5]:

м. (54)

Прочность сварных швов должна отвечать условию [4]:

, (55)

где hш - катет сварного шва, hш = 8 мм [4];

- допускаемое напряжение материала шва на срез, = 80 МН/м2 [5];

,

то есть условие прочности выполняется.



Заключение

В данной работе были рассмотрены барботажные абсорберы. Их классификация, назначение, устройство, принцип работы, а также гидродинамические режимы работы тарелок. Для заданных значений6 расход газа 800 кг/ч, давление 1 атм., температура воды 20°С, степень поглощения 90%, начальное содержание SO2 5% об. Выполнили материальный баланс, механический расчет, расчет основных конструктивных размеров гидравлического сопротивления абсорбера. В материальном балансе нашли расход поглотителя (4,236 кг/с) и удельный расход поглотителя (19,08 кг/кг). В расчете основных конструктивных размеров выбрали оптимальную конструкцию тарелки - колпачковая с круглыми колпачками; нашли: диаметр абсорбера (0,5 м), скорость газа, при которой происходит полное открытие прорезей (5,35 мc) она меньше скорости газа в прорезях (7,704 м/с), то есть полное открытие прорезей в колпачках обеспечивает, число тарелок (8) и высоту абсорбера (5730,17 ПА). В механическом расчете выбрали толщину обечайки, днища и крышки аппарата (6мм) толщину плоских крышек, закрывающих люки (6 мм); нашли наружный диаметр фланца (0,7292), высоту фланца (10 мм), вес аппарата (0,014 МН); приняли две двухреберные лапы с вылетом 0,1 м высотой 0,2 м.



Список использованных источников

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973. - 750 с.

2. Павлов И. Ф., Романков П.Г., Носков А. А. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ Под ред. П.Г. Романкова. - 10-е изд. Перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

3. Крутский Ю.Л., Громова О. Б. расчет барботажного абсорбера. Методические указания к выполнению курсовых проектов по курсу процессы и аппараты химической технологии. - Новокузнецк: изд. СибМИ, 1994. - 30 с.

4. Александров И. А. Ректифицированные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1978. - 280 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю. И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru

...