Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Факультет химических технологий

Кафедра промышленной экологии процессов и аппаратов химических производств

Пояснительная записка

Проект абсорбционной установки

Разработал

Калинин А.И.

Руководитель

Ушанова В.М.

Красноярск 2014



Реферат

В данной курсовой работе рассчитано и подобрано по каталогам основное (абсорбер) и вспомогательное (теплообменник, вентилятор) оборудование для насадочной абсорбционной установки. Выполнено два чертежа в формате А1 технологическая схема процесса и общий вид тарельчатого абсорбера. Данный курсовой проект состоит из 42 страниц машинописного текста, 1 рисунок, 2 литературных источника, 3 приложения



Содержание

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



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

;

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



;

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

;

,

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

;

где

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];

Отсюда

;

;

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 (14)

;

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

;

где

, 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 (36), 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 (воде);

-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

;

где

- масса поглощаемого вещества (аммиака);

-коэффициент массопередачи в газовой фазе;

-средняя движущая сила;

Подставляя данные в формулу (42), 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

;

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 (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]; абсорбер орошение насадка трубопровод

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 (59), 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 (57), 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 (27) находим динамический коэффициент вязкости

;

;



;

Подставив данные в формулу (63), 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 (67), получим

Подставляя полученные данные в формулу (66), 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 (74), 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 (77), 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 (81)

;

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.

,

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.

Размещено на Allbest.ru

...