Расчет насадочного абсорбера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесская государственная академия холода

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Процессы и аппараты охраны окружающей среды»

ТЕМА: «РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА»

Выполнила:

Студентка 445 группы

Велитченко Е.В

Проверил

Губанов С.Н.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Задание на проектирование

.Расчет насадочного абсорбера

.1 Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

.2 Расчет движущей силы

.3 Расчет коэффициента массопередачи

.4 Расчет скорости газа и диаметр абсорбера

.5 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

.7 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорберов

.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

. Литература

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

абсорбер поглотитель насадочный

Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью, разделение газовых смесей на составляющие их компоненты, очистка газов от вредных примесей, улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или, по крайней мере, влияние этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Вследствие этого физическая абсорбция не сопровождается тепловым эффектом. Если в этом случае начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, то такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. С этого наиболее простого случая рассматривается расчет процесса абсорбции.

Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе расчетных закономерностей для определения кинетических коэффициентов из большого числа различных порой противоречивых зависимостей, представленных в технической литературе. Расчеты по этим уравнениям, обычно справедливым для частных случаев, приводят зачастую к различающимся, а иногда к заведомо неверным результатам. Рекомендуемые здесь уравнения выбраны после тщательного анализа и сравнительных расчетов в широком интервале переменных, проверки адекватности расчетных данных с опытными, полученными на реальных системах.

На рисунке 1.1 дана схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ, 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 кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.

Задание

Рассчитать насадочный абсорбер для улавливания бензольных углеводородов из коксового газа каменноугольным маслом.

Исходные данные

V0 - производительность по газу при нормальных условиях, м3/с;

yн - концентрация бензольных углеводородов в газе при нормальных условиях на входе в абсорбер при нормальных условиях, г/м3;к - концентрация бензольных углеводородов в газе при нормальных условиях на выходе из абсорбера при нормальных условиях, г/м3;

хн - содержание углеводородов в поглотительном масле, подаваемом в абсорбер, % масс;

t - средняя температура потоков в абсорбере, °С;

р - давление газа на входе в абсорбер, 0,119 МПа

Методические указания и содержание задания

·    Описать сущность процесса абсорбции, привести основные схемы абсорбционных аппаратов;

·    Определить массу поглощаемого вещества и расход поглотителя;

·    Рассчитать движущую силу процесса абсорбции;

·    Рассчитать скорость газа и диаметр абсорбера;

·   Определить плотность орошения и диаметр насадки;

·   Определить коэффициент массопередачи;

·   Найти поверхность массопередачи и высоту абсорбера

·   Графическая часть включает в себя общий вид абсорбера и деталировку по указанию преподавателя.

Улавливание бензольных углеводородов из коксового газа каменноугольным маслом представляет собой процесс многокомпонентной абсорбции, когда из газа одновременно поглощается смесь компонентов - бензол, толуол, ксилол и сольвенты. Инертная часть коксового газа также состоит из многих компонентов - Н2, СН4, СО, N2, CO2, О3, NН3 и др. Сложным является и состав каменноугольного масла, представляющего собой смесь ароматических углеводородов (двух- и трехкольчатых) и гетероциклических соединений с примесью фенолов.

Для упрощения приведенных ниже расчетов газовая смесь и поглотитель рассматриваются как бинарные, состоящие из распределяемого компонента (бензольные углеводороды ) и инертной части ( носителей ); физические свойства их приняты осредненными.

Для линеаризации уравнения рабочей линии абсорбции составы фаз выражают в относительных концентрациях распределяемого компонента, а нагрузки по фазам - в расходах инертного носителя. В приведенных ниже расчетах концентрации выражены в относительных массовых долях распределяемого компонента, а нагрузки - в массовых расходах носителей.

2. РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

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

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи :

,     (2.1)

где Кх, Кy - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2.с).

.1Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

Массу переходящих из газовой смеси в поглотитель бензольных углеводородов М находят из уравнения материального баланса:

,      (2.2)

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

- начальная и конечная концентрации бензольных углеводородов в поглотительном масле, кг БУ/кг М;

- начальная, конечная концентрации бензольных углеводородов в газе, кг БУ/кг Г.

Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранной для расчета размерности:

, (2.3)

где r0у - средняя плотность коксового газа при нормальных условиях (0,44 кг/м3).

Конечная концентрация бензольных углеводородов в поглотительном масле  обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому  выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. В коксохимических производствах расход поглотительного каменноугольного масла L принимают в 1.5 раза больше минимального Lmin . В этому случае конечную концентрацию  определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (рис. 2.1а и 2.1б):

. (2.4)

Отсюда

,

где  - концентрация бензольных углеводородов в жидкости, равновесная с концентрацией их в газе. Т.е. =

Расход инертной части газа

 кг/с,       (2.5)

где уоб - объемная доля бензольных углеводородов в газе, равная

. (v0=22.4).

;

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту

.       (2.6)

Расход поглотителя (каменноугольного масла) равен

.

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя равен

.

2.2 Расчет движущей силы

В насадочном абсорбере жидкая и газовая фазы движутся противотоком. Принимая модель идеального вытеснения, движущую силу определяют по формуле :

,      (2.7)

где  и  - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг БУ/кг Г (см. рис 2.1а и2.1б).

В данном задании и ,

где  и  - концентрации бензольных углеводородов в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 2.1б).

Т.к. = и = ,то

2.3 Расчет коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи Ку находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений

,       (2.8)

где bх и bу - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м2.с);

m - коэффициент распределения, кг М/кг Г, m=2 (кг М/кг Г)

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорость потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса - нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу - необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивой работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению - создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В коксохимической промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при сильно изменяющихся нагрузках по газу, возможность быстро и дешевыми способами удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т.д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральная насадки.

В рассматриваемом задании можно рекомендовать более дешевую насадку, например, деревянную хордовую, размером 10х100 мм с шагом по свету 20 мм (см. табл. 2.1). Удельная поверхность насадки а=65 м2/м3, свободный объем e=0.68 м3/м3, эквивалентный диаметр dэ=0.042 м, насыпная плотность r=145 кг/м3. Устройство различных видов насадки показано на рис. 2.2, их характеристики приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики насадок (размеры даны в мм)

Примечание: а - удельная поверхность насадки; e - свободный объем; dэ- эквивалентный диаметр; r - насыпная плотность.

2.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению:

, (2.9)

где  - предельная фиктивная скорость газа, м/с; mх, mв - вязкость соответственно поглотителя и воды при 20 °С; (mх/mв=16.5); А, В - коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Значения коэффициентов А и В приведены ниже:

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

.

Предельную скорость находим из уравнения (2.9)

Решая это уравнение, получим

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса . Коксовый газ очищают от различных примесей в нескольких последовательно соединенных аппаратах. Транспортировка больших объемов газа через них требует повышенного избыточного давления и, следовательно, значительных энергозатрат. Поэтому при улавливании бензольных углеводородов основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость w принимают равной 0.2-0.5 от предельной.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

,       (2.10)

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера в нефтяной промышленности d=2 м.

.5 Определение плотности орошения и активной поверхности насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле

, м3/(м2 с).      (2.11)

(м3/(м2 с)).

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения Umin, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной.

Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения Umin находят по соотношению:

,       (2.12)

qэф - эффективная линейная плотность орошения.

Для хордовых насадок с шагом более 50 мм qэф=0.033.10-3 м2/с.  

Доля активной поверхности насадки yа может быть найдена по формуле:

,       (2.13)

где p и q - коэффициенты, зависящие от типа насадки (p=0.0078, q=0.0146).

Таким образом, не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое число точек орошения n на 1 м2 поперечного сечения колонны. Это число точек орошения определяет выбор типа распределительного устройства.

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок, к которым относится и хордовая, коэффициент массоотдачи в газовой фазе bу находят из уравнения:

,       (2.14)

где Nu¢= - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда  (в м/с) равен:

, (2.15)

где Dy - коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газовой фазе, м2/с;

 - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

 - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

mу - вязкость газа, Па.с;

l - высота элемента насадки, м.

Коэффициент диффузии бензольных углеводородов в газе можно рассчитать по уравнению

,    (2.16)

где МБУ, МГ - мольные массы соответственно бензольных углеводородов и коксового газа,(83 и 10,5 кг/моль);

vБУ, vГ - мольные объемы бензольных углеводородов и коксового газа в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, (96 и 21,6 см3/моль).

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе bх находят из обобщенного уравнения состояния, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок:

,      (2.17)

где Nuх = - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда bх (в м/с) равен:

,      (2.18)

где Dх - коэффициент диффузии бензольных углеводородов в каменноугольном масле,м2/с;

dпр= - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

 - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

 =  - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

dпр=

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

,       (2.19)

где М - мольная масса каменноугольного масла, (170 кг/кмоль);

Т - температура масла, К;

mх - вязкость масла, (16,5мПа.с);

vБУ - мольный объем бензольных углеводородов, см3/моль;

b - параметр, учитывающий ассоциацию молекул (b=1).

 =

Выразим bх в выбранной для расчета размерности:

bх=rх, кг/(м2.с). (2.20)

Находим коэффициент массопередачи по газововй фазе Ку по уравнению (2.8).

2.7 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорберов

Поверхность массопередачи в абсорбере находим по уравнению (2.1).

Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле

.     (2.21)

(м)

(м)

Обычно высота скрубберов не превышает 40-50 м, поэтому для осуществления заданного процесса выберем 3 последовательно соединенных скруббера, в каждом из которых высота насадки равна 34 м.

Во избежание значительных нагрузок на нижние решетки насадки, ее укладывают в колонне ярусами, по 20-25 решеток в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры, конструкции которых даны в литературе. Расстояние между ярусами хордовой насадки составляет обычно 0.3-0.5 м.

Принимая число решеток в каждом ярусе 25, а расстояние между ярусами 0.3 м, определим высоту насадочной части абсорбера:

    (2.22)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1-1.5 м.

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. Примем это расстояние равным 2.4 м. Тогда общая высота одного абсорбера:

       (2.23)

2.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорберов

Необходимость расчета гидравлического сопротивления DР обусловлена тем, что оно определяет энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину DР находят по формуле:

,       (2.24)

где DРс - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки, Па;

U - плотность орошения, м3/(м2.с);

b - коэффициент равный 119.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки DРс определяют по уравнению

,     (2.25)

где l - коэффициент сопротивления хордовой насадки:

,     (2.26)

w0 - скорость газа в свободном сечении насадки (в м/с);

w0=w/e.

.

;

Анализ результатов расчета насадочного абсорбера показывает, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера. Увеличение расхода абсорбента приведет к соответствующему увеличению нагрузки на систему регенерации абсорбента, что связано с существенным повышением капитальных и энергетических затрат (возрастают расходы греющего пара и размеры теплообменной аппаратуры). Уменьшение диаметра абсорбера приведет одновременно к увеличению рабочей скорости газа, что вызовет соответствующее возрастание гидравлического сопротивления абсорберов. Ниже приведены результаты расчета абсорбера при рабочей скорости газа w=2.15 м/с, практически вдвое превышающей принятую ранее:

Как видно из приведенных данных, повышение интенсивности процесса приводит к значительному уменьшению диаметра колонны при некотором возрастании высоты насадки и к существенному повышению гидравлического сопротивления.

Проведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.), которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе.

Рис 2.1а Зависимость между содержанием бензольных углеводородов в коксовом газе и каменноугольном масле при температуре 30 ºС:

- равновесная линия ;2 - рабочая линия.

       ∆Y_м= Y_к-Y_хн*

     Y_к                                 х_н

     Y_н                                 х_к

           ∆Y_б = Y_к-Y_хк*

Рис. 2.1б Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере.

Литература

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

2.  Плановский А. М., Рамм В.М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. - 848 с.

3. Павлов К. Ф., Романков Н. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 1970. - 646 с.