Процесс абсорбции и расчет насадочного абсорбера
Введение
Процессы разделения жидких и газовых смесей играют важную
роль во многих отраслях промышленности. Для осуществления процессов разделения
жидких смесей применяют способы простой перегонки (дстилляции), перегонки под
вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.
Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения
смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или более
жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и
испарением такой смеси с последующим многократным тепло-и массообменом между
жидкой и паровой фазами. Как следует из теории массообменных процессов, при
контакте неравновесных поровой и жидкой фаз, в результате которого протекают
процессы массо- и теплообмена, система достигает состояния равновесия. При этом
происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение
компонентов между ними. Такой контакт называют идеальным, теоретическим.
Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться
по составу от вступивших в контакт паровой и жидкой фаз. В итоге такого
контакта паровая фаза обогатится НКК, а жидкость - ВКК, если жидкость,
вступающая в контакт с парами, будет содержать больше НКК, чем жидкость,
равновесная с этими парами. Если исходные пары и жидкость находились при
одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы
температура вступающей в контакт жидкостей была бы ниже температуры паров.
После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как
система стремится к состоянию равновесия.
Производя многократное контактирование неравновесность потоков паровой и
жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более
богаты НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на
контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым
образом. Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату
осуществляется в специальных аппаратах - в ректификационных колоннах,
заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками и т.п.
Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения
жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения
осуществляемой путем противоточного, многократного контактирования
неравновесных паров и жидкостей.
1. Материальный баланс абсорбера
Массу
диоксида серы , переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в
поглотитель за единицу времени, находим из уравнения материального баланса:
,
где
- расходы чистого поглотителя и инертного газа, кг/с;
-
начальная и конечная концентрация сернистого газа в воде, - начальная и конечная концентрация сернистого газа в
газе, .
Начальные
относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяются по формулам
где
- начальная объемная концентрация вещества в газовой
смеси.
Концентрация
сернистого газа на выходе из абсорбера:
,
где
- степень извлечения.
.
.
Расчет равновесных и рабочих концентраций
.
Задаваясь рядом значений , по формуле
находим
соответствующие им температуры
где
с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);
-
температура жидкости на входе в абсорбер;
Ф
- дифференциальная теплота растворения, Дж/кг;
Дж/(кг·К);
кДж/кмоль или
[1]
.
Рассчитаем для каждой температуры величину
:
.
Пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х:
4.
Выполняем пересчет концентраций в мольные доли
По
формулам
и
,
где
Р - общее давление смеси газов определяются значения равновесного арциального
давления и равновесное содержание , поглощаемого компонента в газовой фазе.
Остальные
расчеты выполнены в MS EXCEL и сведены в таблицу 1.
Таблица
1
При
парциальном давлении в поступающем газе по закону Дальтона
,
равновесная
концентрация в жидкости, вытекающей из абсорбера, составит . При степени насыщения воды конечная концентрацияв
жидкости равна:
.
Принимаем,
что газовая смесь, поступающая на установку, перед подачей в колонну
охлаждается в холодильнике до . В этом
случае объем газовой смеси, поступающей в абсорбер равен
.
Количество
сернистого газа, поступающего в колонну:
,
где
- плотность при 20°С.
.
Количество
воздуха, поступающего в колонну:
,
где
1,185 - плотность воздуха при 25°С, кг/м3.
Плотность
газа, поступающего на абсорбцию:
,
.
Количество
поглощенного :
,
.
Расход
воды в абсорбере:
,
.
. Определение скорости газа и
диаметра абсорбера
Принимаем
в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 50х50х5 мм.
Характеристика
насадки: удельная поверхность 90 м2/м3; свободный объем 0.785/;
эквивалентный диаметр 0.035 м.
Предельная
скорость газа в насадочных абсорберах:
где
- скорость газа в точке инверсии фаз, м/с;
-
вязкость воды при 20°С;
-
вязкость воды при средней температуре в колонне t=31°С;[3]
А,
В коэффициенты для насадки ; А= -0,073;
В=1,75 - для колец
Рашига; [1]
,плотность жидкости, газа,
свободный
объем,
L, G-расход
жидкости, газа,
удельная
поверхность,
ускорение
свободного падения,
,
.
Рабочая
скорость газа в колонне:
,
.
Диаметр
колонны:
,
.
Выбираем
стандартный диаметр обечайки колонны .
Плотность
орошения колонны
,
.
Оптимальная
плотность орошения:
, [2]
b - коэффициент
при абсорбции.
[1]
Отношение
>1, коэффициент смачиваемости .[2]
4. Определение высоты насадочного
абсорбера
Высота насадочного абсорбера определяется по уравнению
,
где
- высота насадочной части колонны, м;
-
соответственно сепарационной части колонны (над насадкой), нижней части колонны
и между слоями насадок (если насадка уложена в несколько слоев), м.
Расстояние
между днищем абсорбера и насадкой определяется
необходимостью равномерного распределения газа по переточному сечению колонны.
Обычно это расстояние принимают равным .
Принимаем
Расстояние
от верхней части до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного
устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором
устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны.
Принимаем .
Высота
насадочной части колонны:
,
где
f - удельная поверхность насадки, м2/м3;
S - площадь
сечения колонны, м2/с;
-
коэффициент смачиваемости;
-
движущая сила процесса, кг/кг.
М-
количество вещества, кг/с;
К-
коэффициент массопередачи, кг/(м с ед.дв.силы)
Движущая
сила внизу абсорбера на входе газа
.
Вверху
абсорбера на выходе газа
.
Т.к.
отношение , то средняя движущая сила
,
.
Коэффициент
массопередачи определим по формуле
,
где
m - тангенс угла наклона равновесной кривой,
;
-
коэффициент массоотдачи в газовой фазе, ;
-
коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, ,
,
где
- коэффициент диффузии в газовой фазе,
-
атомный объём,
=
-
критерии Рейнольдса для газовой фазы;
-
диффузионный критерий Прандтля;
-
эквивалентный диаметр, м
,
где,
() - вязкость газовой смеси при температуре 25°С.
,
.
,
где
и -
соответственно динамические коэффициенты вязкости диоксида серы и воздуха при
температуре 25°С. [3]
,
.
,
т.е.
режим движения газа турбулентный.
,
Для
колонн с неупорядоченной насадкой при , d=10-25
мм, коэффициент , . [2]
.
Выразим
в выбранной для расчета размерности
Определим
коэффициент массоотдачи в жидкой фазе. Для этого определим следующие величины:
)
приведенная толщина стекающей пленки жидкости
,
.
)модифицированный
критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости
,
,
.
)диффузионный
критерий Прандтля для жидкости
,
где
-
коэффициент диффузии в воде при ;
.
Коэффициент
массоотдачи в жидкой фазе определяем по формуле:
,
где
- коэффициенты. [4]
.
Выразим
в выбранной для расчета размерности
.
Находим
коэффициент массопередачи по газовой фазе :
.
Определим
площадь поверхности массопередачи в абсорбере
,
.
Высоту
насадки, требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи,
определяем
где
f - удельная поверхность насадки, м2/м3;
S - площадь
сечения колонны, м2/с;
-
коэффициент смачиваемости;
.
Принимаем
Высота колонны
.
5. Расчет
гидравлического сопротивления насадки
Сопротивление
сухой насадки
,
.
-
коэффициент гидравлического сопротивления или коэффициент Дарси.
высота
слоя насадки, м
эквивалентный
диаметр, м
скорость
газа, м/с
плотность
газа,
,
,
Сопротивление
орошаемой насадки при интенсивности орошения
при
пленочном течении определим по формуле:
,
где
- постоянная, для колец Рашига 50 мм ,[1]
.
Давление,
развиваемое газодувкой
,
где
1.05 - коэффициент, учитывающий потери давления при входе газового потока в
колонну и в насадку, при выходе газового потока из насадки и колонны, в
подводящих газопроводах.
.
. Расчет и подбор
насоса
Выбираем
диаметр трубопровода. Для этого, определяем минимальный диаметр, необходимый
для обеспечения скорости движения потока, равной 2 м/с. [2]
где - плотность воды при 31°С.
По
таблице [5] принимаем стандартный трубопровод выполненный из углеродистой стали
при толщине стенки 5 мм, с внутренним диаметром d = 60 мм. Тогда скорость
потока:
Определяем
критерий Рейнольдса:
-
скорость движения воды по трубопроводу, м/с
плотность
воды,
-
диаметр трубопровода, м
коэффициент
динамической вязкости,
Абсолютную
шероховатость трубы принимаем e = 0,2 мм [2]. Тогда степень шероховатости:
По
рис 1.5 [3] определяем значения коэффициента трения
Определяем
сумму коэффициентов местных сопротивлений :
)
для всасывающей линии:
вход
в трубу (принимаем с острыми краями):[1].
нормальный
вентиль: для d=60 мм .
)для
нагнетательной линии
выход
из трубы
нормальных
вентиля .
задвижка
колена
под углом 90 .
Определяем
потери напора:
)во
всасывающей линии [2]
)в
нагнетательной линии [2]
Потери
во всасывающем и напорном трубопроводах равны:
м
Насос
подбираем по величинам подачи и напора. Необходимый напор равен:
Считаем,
что насос качает жидкость из емкости с атмосферным давлением Р2.
Т.к.
колона работает под атмосферным давлением Р1, то
Мощность,
необходимая для перекачивания жидкости:
кВт,
где
-объемный
расход жидкости.
Принимаем
значения КПД насоса , передачи от электродвигателя к насосу для насосов малой производительности [2]. Тогда
мощность двигателя на валу двигателя:
Мощность,
потребляемая двигателем от сети, при
С
учетом коэффициента запаса мощности устанавливаем
двигатель мощностью
Устанавливаем
центробежный насос марки К20/18 (табл.3.1[2]) со следующими характеристиками:
производительность
;напор
18 м.
Насос
снабжен электродвигателем 4А80B2 номинальной мощностью 2,2кВт; КПД двигателя 0,8;
частотой вращения вала 2900 об/мин.
. Расчет и подбор
холодильника для охлаждения газовой смеси
1. Рассчитываем среднюю разность температур [2]:
400°С 25°С
°С
18°С
. Определяем необходимую поверхность теплообмена [2]:
поверхность
теплообмена,
количество
тепла, Вт
коэффициент
теплопередачи, [3, таб.4.8]
-средняя
разность температур,
-
теплоемкость воздуха при средней температуре в холодильнике 212,5, [2, таб.27]
начальная
и конечная температура газа,
- объем
газовой смеси, кг/с
- расход
газовой смеси;
Определяем
расход воды для охлаждения:
где
tв.н, tв.к - начальная и конечная температура охлаждающей воды,
св
- теплоемкость охлаждающей воды,
Примем
ориентировочное значение, что соответствует развитому турбулентному движению.
мв=911,8 - коэффициент динамической вязкости воды при её
средней Т=24,50С[2, табл. 39]
Из табл.
2.3[1] выбираем 6-ходовой кожухотрубчатый холодильник по ГОСТ 15120 -
79:
поверхность
теплообмена 233 м2
длина
труб 6 м
диаметр
труб 202 мм
диаметр
кожуха 800 мм
общее
число труб 618
число
ходов 6
. Рассчитываем коэффициент теплопередачи К:
-
теплопроводность воды при Т=24,50С [3, табл. 39]
с=4190
Т.к. Re>10000, то Критерий Нуссельта находим по формуле [1]
Принимаем
Межтрубное пространство:
-теплопроводность
газа при средней Т= 212,5 0С [3,таб.30]
- площадь
сечения потока между перегородками, [1, таб.
2.3]
µг=0,026-3 Нс/м2 - коэффициент динамической вязкости
воздуха при температуре 212,50С.[3, номограмма]
Принимаем
Загрязнения:
для
газа
для
воды
Теплопроводность
нержавеющей стали [3,таб.28]:
Тогда
Требуемая
поверхность составит:
Из табл. 2.3[1] выбираем 6-ходовой кожухотрубчатый холодильник
по
ГОСТ 15120 - 79:
поверхность теплообмена 78 м2
длина труб 2 м
-
диаметр труб 202 мм
диаметр
кожуха 800 мм
общее
число труб 618
число
ходов 6
При этом запас:
Проверяем
соотношение:
(для
жидкости ) и (для
газа).
Находим
температуру стенки со стороны воды по формуле [3]:
Где
tж=24,50С
- средняя температура воды
tг=212,50C - средняя
температура газа
При
этой температуре:
Сравним
с принятым значением:
Находим
температуру стенки со стороны газовой смеси по формуле:
Где
t1=212,50С
- средняя температура газовой смеси.
При
этой температуре:
Сравним
с принятым значением:
. Расчёт и подбор штуцеров
Присоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с
помощью вводных труб или штуцеров.
Принимаем штуцер для ввода поглотителя и штуцер для подачи газовой смеси
исходя из диаметра трубопровода D=0,056
м (рассчитан при подборе насоса).
По ОСТ 26-1404-76 [6] примем 2 штуцера со стальным приварным плоским
фланцем и тонкостенным патрубком:
-условный
диаметр штуцера
условное
давление
наружный
диаметр патрубка
толщина
патрубка
общая
высота штуцера
Используем прокладку из паронита или фторопласта. [6]
Штуцер для газовой смеси:
условный
диаметр штуцера
условное
давление
наружный
диаметр патрубка
толщина
патрубка
общая
высота штуцера
Используем прокладку из паронита или фторопласта. [6]
Заключение
ректификация абсорбер материальный баланс
В данном курсовом проекте мы рассчитали насадочный абсорбер. Также мы
рассчитали вспомогательное оборудование: подогреватель сырья, дефлегматор и
кипятильник,кроме
того подобрали сырьевой насос.
Нашей целью был также расчет штуцеров для ввода сырья в
колонну, отвода жидкости из куба, возврата флегмы в колонну,ввода горячей струи
в колонну и для вывода дистиллята. Данный курсовой проект позволил нам не
только самостоятельно рассчитать ректификационную установку, но и наиболее
полно изучить процесс абсорбции в ходе расчета курсового проекта.
Список литературы
Дытнерский И.А. «Основные процессы и аппараты химической
технологии. Пособие по проектированию».
Иоффе И.Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической
технологии».
Павлов К.Ф., Романков И.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии».
. Рамм В.М. «Абсорбция газов».
. Вильнер Я.М. «Справочное пособие по гидравлике,
гидромашинам и гидроприводам».
. Лащинский А.А. «Конструирование сварных химических
аппаратов».