Процесс абсорбции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева

Кафедра энергоресурсосберегающих процессов в химической и нефтегазовой технологиях

Курсовой проект

По дисциплине "Процессы и аппараты химической технологии"

На тему " Абсорбция"

Мак В.Н.

Кемерово 2018

Содержание

Введение

1 Обоснование базовой конструкции аппарата

2. Описание технологической схемы

3. Расчет колонного аппарата

4. Конструктивный расчет

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае - хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса. В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д. При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика - основными уравнениями массопередачи. При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие. В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки. Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насадкой - твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличивается поверхности соприкосновения газа и жидкости. Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки[2].

Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарелками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в насадочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх.

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недостатки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление[3].

1. Обоснование выбора базовой конструкции аппарата

Количество конструктивных разновидностей тарелок весьма велико. Они отличаются друг от друга формой и расположением контактных элементов и переливных устройств, а также схемой движения жидкости на тарелках и по высоте колонны.

Колпачковые тарелки могут работать в большом диапазоне нагрузок, но имеют высокое гидравлическое сопротивление, сложность монтажа, высокий расход металла и высокие капитальные затраты.

Ситчатые тарелки относительно просты по устройству, дешевы, обладают низким гидравлическим сопротивлением, простотой монтажа, низким расходом металла и малые капитальные затраты. В качестве недостатков для колонн с ситчатыми тарелками обычно указываются: жесткость режима и невозможность колебания производительности в значительных пределах, быстрое стекание жидкости с тарелок в случае остановки колонны, существенное снижение эффективности действия тарелок при нарушении горизонтальности их установки и подверженность малых отверстий засорению и разъеданию. Однако некоторые исследования показывают, что при рациональной конструкции ситчатой тарелки допустимы колебания нагрузки по газу в 2 - 2,5 раза, что во многих случаях вполне достаточно. Поэтому основными причинами отказа от использования ситчатых тарелок можно считать засоряемость и коррозию отверстий, а также способность некоторых смесей образовывать устойчивую пену.

Клапанные тарелки позволяют сохранять высокую интенсивность массопередачи почти во всем допустимом интервале изменения нагрузок колонны при приблизительной стабильности сопротивления тарелок. Наиболее устойчивые в работе балластные клапаны. К. п. д. клапанных тарелок выше к. п. д. обычных колпачковых тарелок и довольно стабилен. Съем продукции с единицы объема таких колонн также значительно выше. Преимуществами клапанных тарелок являются высокие относительные

скорости газа и жидкости, обусловливающие высокую интенсивность массообмена, низкий перепад давлений на сухой тарелке, устойчивость рабочего режима в широком интервале изменения нагрузок по газу.

Еще более перспективными, чем клапанные, являются комбинированные тарелки: ситчато-клапанные и жалюзийно-клапанные.

Ситчато-клапанные тарелки представляют собой новый тип высокоэффективных устройств и рекомендуются для установки в колонных аппаратах, работающих под разрежением или атмосферном давлении, в случаях, когда требуется высокая четкость разделения компонентов. Они просты и технологичны в изготовлении, имеют широкий диапазон устойчивость работы, низкую металлоемкость, высокую эффективность разделения во всем интервале нагрузок, низкое гидравлическое сопротивление, отсутствие градиента уровня жидкости, надежность в работе.

Жалюзийно-клапанные тарелки характеризуются высокой разделяющей способностью при больших нагрузках по пару и жидкости. К преимуществам таких тарелок следует отнести высокий к. п. д. во всем интервале нагрузок, более высокие допустимые скорости газа в сечении колонны по сравнению с колпачковыми и клапанными тарелками, малый объем сварочных работ при изготовлении, легкость монтажа и демонтажа тарелок.

Решетчатые тарелки весьма эффективны, просты по устройству, в 2 - 2,5 раза дешевле колпачковых. Они могут работать в агрессивных средах и с твердыми примесями, имеют низкую металлоемкость, малые капитальные затраты.

В результате анализа литературных данных принимаем ситчатые тарелки. Они дешевы, просты в устройстве, монтаже и ремонте, имеют низкое гидравлическое сопротивление[4].

2. Описание технологической схемы

Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5. регенерация может осуществляться также другими методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышением температуры. Выбор метода регенерации существенно сказывается на технико-экономических показателях абсорбционной установки в целом.

3. Расчет колонного аппарата

Технологический расчет

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются поверхностью массопередачи, необходимой для проведения процесса абсорбции, и скоростью перемещения фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из уравнения массопередачи:

где: К_х, К_у коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газообразной фазам, кг/м²·с.

Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

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

где: L, G-расход чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;, начальная и конечная концентрация в поглотителе, кг /кг

начальная и конечная концентрация в газовой смеси.

Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранных для расчета размерностей, т.е. выразим заданные концентрации по поглощаемому газу в относительных массовых долях, а нагрузки по газу и поглотителю в массовых расходах:

Для исходной газовой смеси:

Для газа на выходе из абсорбера:

По условию задания сероводород в воде, поступающей сверху абсорбера, отсутствует т.е. . Конечная концентрация сероводорода в воде может быть рассчитана из уравнения материального баланса:

,

Где - массовый расход абсорбируемого газа водой,

L - Расход жидкого поглотителя

Для этого определяем неизвестные величины M, L. Рассчитаем начальное количество сероводорода в газовой смеси:

V_н.H2S=V₀*y_н=1,53*0,21=0,32 нм³/с

Где V_{0 .}-начальный объем газовой смеси при нормальных условиях,

V₀=5500/3600=1,53 м³/с

Количество сероводорода в выходящем газе (в верхней части абсорбера):

Поглощается водой сероводорода:

Плотность сероводорода при рабочих условиях (P=1 МПа, Т=(273+20) К)

Плотность сероводорода при н.у.:

Массовый расход абсорбируемого газа водой:

Расход жидкого поглотителя:

Где L_min- теоретически минимальный расход поглотителя, кг/с;

-коэффициент избытка поглотителя; принимаем =1,3.

Теоретически минимальный расход поглотителя рассчитывается по уравнению:

Где - концентрация сероводорода в воде в низу абсорбера, равновесная с концентрацией сероводорода в газе .

В относительных массовых концентрациях уравнение равновесия будет иметь вид:

Где: m- коэффициент распределения, который равен:

Где Е-константа Генри, при t=20єC E=0,367·10⁶ мм рт. ст.=48,92·10⁶ Па

Коэффициент распределения:

m=48,92·10⁶/1·10⁶=48,92

Подставив, получим:

При значении

При этом:

Расход жидкого поглотителя:

L=1,3·902=1172 кг/с

Конечная концентрация сероводорода в поглотителе:

Расход инертного газа из уравнения материального баланса:

Соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя равен:

Строим график равновесной и рабочей линии абсорбции в координатах x-y:

Рисунок 1 - x-y диаграмма

Расчет движущей силы

Большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него ,

где концентрации сероводорода в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе соответственно на выходе из абсорбера и на входе, рисунок 1.

Среднюю движущую силу рассчитаем по уравнению:

Тогда:

Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Выбираем в качестве тарельчатого контактного устройства ситчатые тарелки типа ТС согласно ГОСТ 26-805-73, так как тарелки этого типа соответствуют многим характеристикам, учитывающим стабильную работу тарелок: большая область стабильной работы, малое гидравлическое сопротивление, малый брызгоунос, большая эффективность и интенсивность работы, малые капитальные затраты, возможность использования при больших нагрузках по жидкости и газу.

Для ситчатых тарелок рабочую скорость газа можно рассчитать по уравнению:

где: плотность воды при t=20єC

плотность сероводорода при р.у

Скорость газа равна:

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

Принимаем ближайший стандартный диаметр обечайки d=2,2 м, при этом действующая скорость газа в абсорбере равна:

Для колонны диаметром d=2,2 м принимаем к исполнению ситчатую тарелку типа ТС-Р с основными конструктивными размерами представленными в таблице 1:

Таблица 1

Основные размеры тарелки

Диаметр отверстий в тарелке	d0=8 мм
Шаг между отверстиями	t=16 мм
Свободное сечение в тарелке	Fc=18,6%
Высота переливного порога	hп=0,035м
Ширина переливного порога	b=0,8м
Рабочее сечение тарелки	Sт=5,64 м2

Скорость газа в рабочем сечении тарелки:

Расчет коэффициентов массопередачи и числа тарелок абсорбера

Коэффициент массопередачи по газовой фазе определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:



барботажный абсорбер поглотитель газ

где коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для газовой и жидкой фаз, кг/м²·с. m- коэффициент распределения (тангенс угла наклона равновесной линии к оси абсцисс).

Для нахождения коэффициентов массоотдачи необходимо рассчитать высоту светлого слоя жидкости и коэффициенты молекулярной диффузии сероводорода в жидкой и газовой фазах.

Высоту светлого слоя жидкости на ситчатых тарелках определяют по уравнению:

Где m- показатель степени, равный

линейная плотность орошения, м³/м³·с.

; поверхностное натяжение. 1861,493

Подставив, получим:

Определим коэффициенты молекулярной диффузии.

Коэффициент молекулярной диффузии сероводорода в газе рассчитаем по уравнению:

Здесь мольные объемы сероводорода и воздуха в жидком состоянии при нормальной температуре кипения.

В разбавленных растворах коэффициент диффузии D_x может быть достаточно точно вычислен по уравнению:

Здесь в=2,6- параметр, учитывающий ассоциацию молекул поглотителя.

Расчеты коэффициентов массопередачи. Жидкая фаза.

Fr- критерий Фруда.

При этом:

Плотность орошения U рассчитывается:

Коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

,где ,

Газовая фаза:

=

Выразим коэффициенты массопередачи в выбранной для расчета размерности:

Коэффициент массопередачи K_yf по газовой фазе:

Необходимое число тарелок n определяют делением суммарной площади тарелок F на рабочую площадь одной тарелки:

Суммарная поверхность тарелок равна:

Рабочая площадь тарелок определим с учетом площади, занятой переливными устройствами:

Где ц- доля рабочей площади тарелки, м²/м²; принимаем ц=0,9.

Требуемое число тарелок:

n=70,49/3,42=20,61

Принимаем n=21 шт.

Согласно рекомендациям выберем расстояние между тарелками абсорбера равным h=0.5 м, при этом высота тарельчатой части колонны абсорбера определяется:

Расстояние между верхней тарелкой и крышкой абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения тарелок и от высоты сепарационного пространства. Принимаем это расстояние равным 0,8 м.

Расстояние между днищем абсорбера и нижней тарелкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Принимаем это расстояние равным 1,5 м.

Общая высота абсорбера:

H=10+1,5+0,8=12,3 м

Расчет гидравлического сопротивления

Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера определяют по формуле:

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где о=1,5- коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки.

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя на тарелке:

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

Полное гидравлическое сопротивление:

P=57,71+716+36.35=810,10 Па

P_a=551,85*21=11588,85 Па

Расчт диаметров штуцеров и подбор фланцев

Диаметры штуцеров для входа и выхода материальных потоков в абсорбере рассчитывают по уравнению расхода:

Где G- массовый расход среды, кг/с.

Вход и выход в колонне поглотителя.

Диаметр штуцеров:

Принимаем d_шт=150 мм

Вход и выход газа.

Принимаем скорость перемещения газового потока по трубопроводу

При этом:

Принимаем d_шт=500 мм.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ГОСТ 26-428-79.

4. Конструктивный расчет

Расчет цилиндрической обечайки

Принимаем, что данный аппарат является тонкостенной оболочкой, у аппарата эллиптическая днище и крышка. Принимаем рекомендованную для данной среды Сталь 20 К для изготовления аппарата.

Исполнительная толщина:

S=S_p+c+C₀

S=6,5+1+0,5=8мм

Подбор опор для аппарата

Опору аппарата подбираем в зависимости от его нагрузки Q.

Масса аппарата:



Боковая поверхность цилиндрической части:

Боковые поверхности крышки и днища равны:

Тогда:

Масса тарелки:

Масса среды:



Рассчитаем минимальную нагрузку аппарата:

При Q=0.30 МН подбираем стандартную цилиндрическую опору для стальных сварных аппаратов с кольцевым опорным поясом с Q=0.5 МН по ОСТ 26-467-78 [7] (Опора 3-1600-50-63-1200).

Заключение

В данной работе бала спроектирована тарельчатая абсорбционная колонна для разделения сероводорода из воздуха водой.

Изучена технологическая схема абсорбции. В обосновании базовой конструкции были приняты ситчатые тарелки.

В расчетной части произведен материальный расчет абсорбера , подбор стандартного диаметра и расчет высоты колонны непрерывного действия. А так же колона была рассчитана на гидравлическое сопротивление.

В прочностном расчете было рассчитана толщина стенки обечайки и расчет штуцеров и подбор опоры.

Список используемой литературы

1. Михайлов Г.С. МУ по выполнению курсового проекта «Процессы и аппараты химической технологии. Химические процессы и аппараты.» / Михайлов Г.С., Петрик П.Т., Плотников В.А.//Кемерово, 2017.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.:Химия,1987, 576 с.

3. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. - Иваново. 1984.

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

5. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. - Иваново, 2004.

6. Основы расчета и конструирования массообменных колонн/ А.Б. Тютюнников, Л.Л. Товажнянский, А.П. Готлинская.

7. Ректификационные и абсорбционные аппараты/ И.А. Александров.

8. Химическое сопротивление материалов/ А.М. Сухотин, В.С. Зотиков.

9. Конструирование сварных химических аппаратов/ А.А. Лащинский.

10. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры/ А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский.

Размещено на Allbest.ru

...