Технологический расчет абсорбционной установки непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения	3
Введение	5
1	Расчетная часть	6
1.1	Технологическая схема абсорбционной установки и ее описание	6
1.2	Выбор конструкционного материала	7
1.3	Технологический расчет абсорбционной установки непрерывного действия	8
1.3.1	Определение массы вещества и расход поглотителя	8
1.3.2	Определение движущей силы массопередачи	9
1.3.3	Определение коэффициента массопередачи	10
1.3.4	Определение скорости газа и диаметра абсорбера	11
1.3.5	Расчет коэффициентов массоотдачи	12
1.3.6	Плотность орошения и активная поверхность насадки	15
1.3.7	Поверхность массопередачи и высота абсорбера	16
1.3.8	Гидравлическое сопротивление абсорберов	16
2	Расчет и подбор вспомогательного оборудования	19
Заключение	20
Список использованных источников	21
Приложение А	22

абсорбционный установка гидравлический



ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - удельная поверхность, м2/м3;

D - коэффициент диффузии, м2/с;

d - диаметр, м;

dэ - диаметр эквивалентный, м;

F - поверхность массопередачи, м2;

G - расход инертного газа, кг/с;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

H, h - высота, м;

K - коэффициент массопередачи;

L - расход поглотителя, кг/с;

M - Масса вещества, передаваемого через поверхность массопередачи

в единицу времени, кг/с;

Mвоз - мольная масса воздуха, кг/кмоль;

МА - мольная масса хлора

МВ - мольная масса воды

m - коэффициент распределения;

P - давление, МПа;

T - температура, К;

U - плотность орошения, м3/(м2*с);

w - скорость газа, м/с;

y - концентрация газа;

л - теплопроводность, Вт/(м*К);

- средняя движущая сила абсорбции по жидкой фазе, кг/кг;

- средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, кг/кг;

Я - коэффициент массоотдачи;

л - коэффициент трения;

м - вязкость, Па*с;

с - плотность, кг/м3;

у - поверхность натяжения, Н/м;

ш - коэффициент смачивоемости;

Re - критерий Рейнольса;

Fr - критерий Фруда;

- диффузионный критерий Нуссельта;

- диффузный критерий Прандтля.

Индексы :

к - конечный параметр;

н - начальный параметр;

x - жидкая фаза;

y - газовая фаза;

в - вода;

* -равновесный состав.



ВВЕДЕНИЕ

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

В промышленности процессы абсорбции применются в основном для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворние газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами. Если при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую.

Все образующиеся при производстве хлора вредные выбросы, в том числе выбросы в результате возможных неполадок оборудования, должны собираться и направляться в систему очистки газа. Поэтому абсорбционная установка является основным компонентом стандартного оборудования. В целом, мы можем выделить четыре типа вредных выбросов:

В процессе нормального режима эксплуатации любые постоянные утечки газа, например в наливной установке, отсасываются.

При запуске блока электролизеров весь производимый в данных электролизерах хлор должен поглощаться и абсорбироваться до тех пор, пока они не будут производить хлор, практически не содержащий инертного газа.

В случае поломки компрессора хлора или установки для дополнительной обработки хлорсодержащего газа все произведенное количество хлорсодержащего газа должно пропускаться через абсорбционную установку.

При наличии мест утечки в емкостях или в случае неплотного соединения трубопроводов и арматуры абсорбционная установка работает как аварийная установка.

С этого наиболее простого случая начнем рассмотрение расчета процесса абсорбции.



1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Технологическая схема абсорбционной установки и ее описание

Газ на абсорбацию подается колмпрессором (В) в теплообменник (Т), охлаждаемый водой, имеющий начальную температуру 40 оС. За тем газ нагнетается в нижнюю часть колонны абсорбера (А), где равномерно распределяетсяи перед поступлением на насадку. В колонне осуществляется противоточное взаимодейсвтия газа и жидкости (вода), при помощи насосом подается из емкости (Е2) и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя.

Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость (Е1). В дальнейшем смесь может поступать в ректификационную колонну. При этом вторым продуктом является кубовый остаток, содержащий преимущественно воду. Вода может вновь направляться на абсорбцию. Очищенный газ выбрасывается в атмосферу.

Рисунок 1 - Технологическая схема абсорбционной установки



1.2 Выбор конструкционного материала

Выбор конструкционных материалов для проектируемого аппарата определяется особенностями протекающего в нем процесса, а так же свойствами рабочих веществ, их парамметрами и физическими свойствами.

Для поглощения паров диоксида серы чистой водой выбираем сталь Х18Н10Т.

для жидкости принимаем 1 м/с, для газа 15 м/с. Принимаем, что патрубки для подачи и отвода жидкости (d1, d2) будут иметь одинаковый диаметр, так же как и газовые патрубки (d3, d4 ).

Для абсорбционной установки непрерывного действия берем стандартные штуцера по диаметру, рассчитанному по формуле:

.

Принимаем стандартный размер штуцера 159 х 4,5 мм. Тип исполнения: штуцер с фланцами стальными плоскими приварками с соединительным выступом. Обозначение стандарта: ОСТ 26-1404-76.

Рассчитаем жидкостные штуцера.

d1м.

Принимаем стандартный размер штуцера 325 х 12 мм. Тип исполнения: штуцер с фланцами стальными плоскими приварками с соединительным выступом. Обозначение стандарта: ОСТ 26-1404-76.



1.3 Технологический расчет абсорбционной установки непрерывного действия

1.3.1 Масса поглощаемоrо вещества и расход поглотителя

Уравнения материальнoгo баланса:

М= G (н -к) = L (к-н)

где L, G - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части

Yн, Yк - начальная и конечная концентрация хлора в воздухе.

н = yн/ (0y - yн)

оу - средняя плотность хлора при нормальных условиях.

н = = 0,016

к= =0,0000311

Уравнение материального баланса:

M = Lmin(*Yн -н ) = 1,5Lmin (к-н )

Рисунок 1.1 - Зависимость между содержанием хлора в воздухе и в воде при температуре 20єС

X*к = 0,00063

Рассчитаем плотность пара при атмосферном давлении:

п = • • ,

где М - молекулярная масса пара; Т - температура кипения при атмосферном давлении ( в К).

Мсм=28•0,95+71•0,05=32,5 кг/кмоль

1кгс/см2 = 98066,5 Па

760мм рт ст=101308Па

п = • = 1,265

Расход инертной части газа:

G=,05)1,265/3600 =1,0015

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту

М=G(н -k) = 1,0015(0,016 - 0,0000311) = 0,016

Расход поглотителя:

Lmin = M/ X*к ;

L = 1,5Lmin

Lmin = 0,016/0,00063=25,4

L = 1.5•25,4=38,1

Уравнение материального баланса:

М= G (н -к) = L (к-н)

0,016=1,0015(0,016 - 0,0000311) =38,1(0,00042-0)

1.3.2 Движущая сила массопередачи

Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель идеальиого вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

?cp = (?б -?м) / [ln (?б /?м)],

где ?б ,?м - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из нeгo, кг/кг

Рисунок 1.2 - Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в адсорбере

?б =н -*Xк ; ?м = к- *Xн ,

где *Xк , *Xн , концентрации хлора в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из нeгo (см.рис. 1.1) :

?б = 0,016 - 0,0107 = 0,0053 ;

?м = 0,0000311- 0 = 0,0000311;

?cp = = 0,00104 .

1.3.3 Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи Ку находят по уравнению аддитивности фазовых диффузиониых сопротивлений:

Ку = 1/(1/ву + m/вх) ,

где ву ,вх - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и rазовой фазах, кг/(м2•c); m - коэффициент распределения, кг /кг.

Для расчёта коэффициента массоотдачи мы выбрали тип насадки исходя из следующих соображений: при выборе насадки часто стремятся получить наибольшую геометрическую поверхность в единице объема и поэтому при абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть сравнительно мелкая насадка.

Так же при выборе необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под давлениями, близким к атмосферному, потеря давления по экономическим соображениям должна быть минимальной и в этом случае следует отдавать предпочтения регулярным насадкам.

В данном курсовом проекте мы выбрали керамические кольца Рашига размером 80Ч80Ч8 мм, удельная поверхность насадки a=80 м2/м3, свободный объем е= 0,72 м3/м3 , эквивалентный диаметр dэ=0,036, насыпная плотность с=670 кг/м3 .

Кольца Рашига представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

1.3.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, рассчитываем по уравнению:



где щпр - предельная фиктивная скорость газа, м/с; А, В коэффициенты, зависящие от типа насадки; L и G расходы фаз: Kг /с.

Для данной насадки (кольца Рашига) коэффициенты A и B соответственно равны -0,073 и 1,75.

щпр = 0,54 м/с

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Транспортировка больших объемов газа требует повышенного избыточного давления и, следовательно, значительных энерго-затрат.

Поэтому основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость щ примают равной 0,75 от предельной.

щ=0,75щпр=0,405 м/с.

Диаметр абсорбера находим из уравнения расхода:



где V - объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/c.

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d=1,8 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

щ=0,405 (1,73/1,8)2=0,37 м/с.

1.3.5 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок (к которым относится и кольца Рашига) коэффициент массоотдачи в газовой фазе вy равен:

,

где Dy - средний коэффициент диффузии в газовой фазе, м2 /с; - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы; - вязкость газа, Па•с; - высота элемента насадки, м.

Коэффициент диффузии закиси азота в газе можно рассчитать по уравнению:

где vвоз и vац - мольный объем ацетона и воздуха в жидком состояние при нормальной температуре, см3/моль.

вy=0,0203 м/с.

Выразим вy в выбранной для расчета размерности:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе вx, находим из обобщенного уравнения пригодного как для регулярных, так и для неупорядоченных насадок:

гдевx дпр / Dx - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда вx (в м/с) равен:

где - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м; - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

- диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

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

,

Где М- мольная масса воды, кг/кмоль; Т- температура в абсорбере, К; - вязкость воды, мПа*с; vCl - мольный объём хлора, см3/моль; параметр учитывающий ассоциацию молекул.

;

м2.

;

S=рd2/4= /4=0,79 м2

;

Выразим вx в выбранной для расчета размерности:

По уравнению рассчитаем коэффициент массопередачи в газовой фазе Ky :

1.3.6 Плотность орошения и активная поверхность насадки.

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения Umin, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченой. Для пленочных абсорберов ее находят по формуле:

гдe - минимальная линейная плотность орошения, Kг/(м•с);

поверхностное натяжение, мН/м.

Доля активной поверхности насадки находится по формуле:

где

Подставим численные значения, получим:

Исходя из полученных результатов можем сделать вывод о том, что что вся смоченная поверность является активной.

1.3.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере рассчитывается по уравнению:

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитывается по формуле :

Для осуществления заданного процесса выберем скрубер, в котором высота насадки 1.5 м.

Определим высоту насадочной части абсорбера:

Нн =Н+0,3 (Н / (Нl)) - 1

=1,5 + 0,3 ( 1,5 / (1,5•0,05)) - 1 = 6,5м.

Растояние между днищем абсорбера и насадкой Zн определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера Zв зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства. Насадку выбираем упорядочным

Высота крышки рассчитывается по формуле:

Hкрыш=0,25•d=0,25•1,8=0,45 м,

тогда общая высота одного абсорбера:

=10,4м.

1.3.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические завтраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Рассчитываем по формуле:

где b- коэффициент, зависящий от типа насадки. Для кольц Рашига в укладку 80 мм b = 144.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравненнию:

где w0 - скорость газа в свободном сечении насадки.

Гидровлическое сопротивление сухой насадки будет равно:

=2854,74 Па.



2. РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Мощность N (кВт), расходуемоя вентиляторной установкой, рассчитывается по формуле:

где Q - подача вентилятора, м3/с; р - повышение давления, создаваемое вентилятором, Па.

где p1 - давление в пространстве, из которого вентилятор забираает воздух, p2 - давление, куда вентилятор подает воздух.

Расчета потерь давления на местные сопротивления прямого участка рассчитывается по формуле:

где ?? - коэффциент трения, зависящий от Re и степени шороховатости поверхности труб ( e), Lэ - длина трубы, м.

Степень шероховатости берем для труб стальных цельнотянутых и сварных при незначительной корозии; e=0,2 мм.



Расчет потерь давления нна местных сопротивлениях при повороте осуществляется по формуле :

где ?? - коэффициент местного сопротивления. С закругленными краями ??=0,2.

;

= 2•0,83=1,66 Па;

p=(98066,5-97966,5)+0,83=100,83 Па.

N=0.49•100,83/(1000•0.6)=0.08 кВт.

В соответствие с полученными данными был выбран вентилятор осевой ВО 16 - 300 №2,5 с производительностью от 1260 м/ч до 1800 м/ч, мощностью 0,12 к Вт.

2.2 Подбор теплообменника

Определим количество тепла, отдаваемого газом при его охлаждении от температуры 140 оС до температуры 40 оС.

Теплоемкость воздуха 1,03 кДж/(кг*К)

Подставляем значения в формулу (3.7):

QD=1000/3600*1,03*103*(140-40)=28611,1 Вт

Поверхность теплоотдачи в водяном холодильнике:

F= (2.5)

K=50 Вт/(м2*К) - теплопередача от газа к жидкости (К=10 - 60 Вт/(м2*К).) Размещено на http://www.allbest.ru/

???б=110?;

???м=30?;

???ср==62 ?.

??==9.23 м2.

Стандартные размеры водяного холодильника:

Диаметр кожуха, D 325 мм

Диаметр труб, d 25Ч2 мм

Общее число труб,n 62

Длина труб, l 3 м

Число ходов 1



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте предложена конструкция абсорбционной установки непрерывного действия для поглощения паров хлора чистой водой с исходным содержанием компонента yн=5%, сожержанием поглощаемого компонента на выходе из абсорбера yк=0,01% при расходе инертного газа (азот) V0=3000 м3/ч. Температура поступающей газовой смесси в колонну равна 40 0С, давление в колонне 101,3кПа. Для проведения данного процесса выбран аппарат с регулярными насадками, для абсорбционной колонны была выбрана сталь Х18Н10Т.

В результате технологического расчета аппарата получены следующие данные:

концентрация хлора в воде Хк = 0,00042 кг/кг

рабочая скорость газа w = 1,37 м/с

диаметр абсорбера d = 1,8 м

плотность орошения U = м3

доля активной поверхност насадки ша = 1,1

поверхность массопередачи F = м2

высота насадки Н = 1,5 м

высоту насадочной части абсорбера Нн = 6,5 м

высота абсорбера На=10,4 м

гидравлическое сопротивление абсорбера ??Р = 2854,74 Па.

Для проектируемого аппарата был выбран материал: сталь Х18Н10Т. Штуцера типа исполнения : штуцера с фланцами стальными плоскими приварками с соединительным выступом. Обозначние сандарта: ОСТ 26-1404-76.

В качесттве вспомогательного оборудования был подобран осевой вентилятор ВО 16-300 №2,5.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655 с.

Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1991. 496 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976. 522 с.

Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.

Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник Т.1. Н. Бочкаревой, 2002. 852 с

Тимонин А. С. Основы конструирования и расчеты химико-технологического и природоохранного оборудования: СправочникТ.2. Н. Бочкаревой, 2002. 1082 с



ПРИЛОЖЕНИЕ

ЗАДАНИЕ 2

на курсовой проект по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

Студент Барсуков Д.С. группы ЭРПХ-71 курса 3 _

1. Тема задания Рассчитать и спроектировать абсорбционную установку

непрерывного действия для поглощения паров хлора чистой водой

2. Исходные данные

Исходное содержание поглощаемого компонента ун=5%;

Содержание поглощаемого компонента на выходе из абсорбера ук=0,01%;

Расход инертного газа (азот) V0=3000 м3/ч

Температура поступающей газовой смеси в колонну t=400С

Давление в колонне Р=101,3 кПа

Газовоздушная смесь до абсорции имеет температуру t=1400C

3. Обьем работы:

А. Пояснительная записка: а) титульный лист и заполненный бланк задания, б) оглавление , список чертежей, схем, в) текстовый материал с разбивкой на разделы пораграфы (материальный и тепловой балансы, технологический, конструктивный, гидравлический.ю тепловой и механический расчеты установки и аппарата), г) заключение, д) таблицы и графики, е) список используемой литературы.

Б. Графическая часть: а) Технологическая схема установки.

б) Основной аппарат. Общий вид.

4. Дополнительные указания и отметки руководителя

Рассчитать и подобрать вспомогательное оборудование _

Размещено на Allbest.ru

...