Абсорбционная тарельчатая колонна для газовой смеси NH3 + воздух

Абсорбционная тарельчатая колонна для газовой смеси NH3 + воздух

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра Процессов и аппаратов химической технологии

Курсовая работа

по “Процессам и аппаратам химической технологии”

на тему: Абсорбционная тарельчатая колонна для газовой смеси NH₃ + воздух

Иваново

Задание

Абсорбционная колонна для поглощения NH₃ из смеси с воздухом водой по исходной смеси 2,5 м³/с при нормальных условиях. Нач. конц-я NH₃ . В процессе поглощается 98% содержащего в газе распределительного компонента. Абсорбция изотермическая при температуре t=15 ^оС, давление Р=0,5 МПа. Тип тарелок - ситчатые.

Выполнить материальный, конструктивный и гидравлический расчеты аппарата. Выбор вспомогательного оборудования.

Чертеж аппарата в двух проекциях с разработкой узла.

Содержание

Введение

. Технологический расчет аппарата

. Конструктивный расчет аппарата

.1 Выбор конструкционного материала

2.2 Определение толщины стенки обечайки

.3 Определение диаметров штуцеров для ввода и вывода теплоносителей

.4 Выбор крышки (днища)

.5 Выбор фланцев для обечайки, люка и штуцеров аппарата

.6 Выбор основных параметров тарелки

.7 Выбор опор аппарата

. Гидравлический расчет аппарата

.1 Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки

.2 Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке

.4 Общее гидравлическое сопротивление

.5 Подбор газодувной машины

.6 Подбор насоса для подачи воды

Заключение

Библиографический список

Введение

Абсорбцией называется процесс селективного извлечения какого-либо компонента из газовой смеси жидкостью. Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта (производство кислот), путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей (получение бензола из коксового газа) на составляющие их компоненты; улавливание вредных (Н₂S, СО, влага) и ценных (рекуперация спиртов и др.) компонентов.

При абсорбции происходит контакт жидкости и газа; при этом масса одного из компонентов газовой фазы переносится в жидкую фазу или наоборот (десорбция). При наличии разности концентраций или парциальных давлений между фазами (движущая сила процесса) происходит процесс массопередачи, который прекращается при достижении состояния равновесия. Механизм процесса переноса массы сводится к молекулярной и турбулентной диффузии.

При переходе из газовой фазы в жидкую энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, общий 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. На практике различают изотермическую абсорбцию, которая проводится при отводе тепла от жидкой фазы (абсорбента) в специальных теплообменных устройствах, вмонтированных в контактирующие элементы аппарата, и адиабатическую протекающую без теплообмена с окружающей средой, В последнем случае ухудшаются условия равновесия системы при значительном упрощении конструкции аппарата. Кроме того, изотермическим можно условно считать процесс поглощения абсорбтива при небольшой его начальной концентрации в газе или повышенных расходах абсорбента, когда изменение температуры жидкости незначительно. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика - основными уравнениями массопередачи. При расчете процесса абсорбции удобнее выражать концентрацию распределяемого компонента в относительных массовых или мольных долях, так как в этом случае материальные потоки фаз характеризуются расходами инертных веществ, которые в любом сечении массообменного аппарата остаются постоянными.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение 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.

На рис.1 представлена технологическая схема абсорбционной установки. Нагретый газ на абсорбцию подается газодувкой 1 через холодильник 2 в нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (тарелки).

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, 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.

Рис.1. Принципиальная схема абсорбционной установки: 1 - вентилятор (газодувка); 2,5 - холодильник; 3 - абсорбер; 4, 6 - оросители; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9, 13 - емкости для абсорбента; 10, 12 - насосы; 11 - теплообменник-рекуператор.

обечайка штуцер тарелка газодувной

1. Технологический расчет аппарата

. Массовая доля NH₃ в газовой смеси на входе в аппарат

где молекулярные массы компонентов газовой смеси:

NH₃:

воздух:

. Объемный и массовый расходы газовой смеси на входе в аппарат

где температура исходной газовой смеси: t_гн =15 ⁰С.

абсолютное давление в аппарате: Р_абс=0,5 МПа.

плотность газовой смеси на входе и выходе аппарата

. Расход распределяемого компонента и инертного вещества газовой фазы на входе в аппарат

4. Масса распределяемого компонента, поглощаемая водой

. Масса распределяемого компонента на выходе из аппарата

. Расход газовой смеси на выходе из аппарата

;

. Средний расход газовой смеси в аппарате

. Концентрация распределяемого компонента на входе и выходе из аппарата в относительно массовых долях

. Построение равновесной линии:

В виду малости значений концентраций выражением  можно пренебречь и уравнение равновесной линии в примет вид:

где - константа Генри для аммиака:

При t =20 ⁰С:

молекулярная масса воды .

Максимальное значение концентрации NH₃ в воде:

Уравнение равновесной линии:  

Таблица 1

10. Построение рабочей линии.

Минимальный удельный расход абсорбента:

При  по рис.2

Действительное значение удельного расхода абсорбента принимают на  больше минимального, т.е.

Уравнение рабочей линии при  (рис.2)

При ,

. Расход инертной жидкой фазы.

. Расход воды на входе и выходе аппарата.

. Средняя плотность газовой фазы.

Плотность газовой фазы и ее мольная концентрация на выходе из аппарата

где мольная концентрация газовой фазы на выходе из аппарата

Рис.2. Равновесная и рабочая линии абсорбции

. Скорость газовой фазы.

где: С=720 - коэффициент для ситчатых тарелок при расстоянии между тарелками ; [2] рис.3.4 с. 35.

Свойства жидкой фазы (воды) при , [1] с. 537

. Диаметр аппарата (абсорбера).

Принимаем D_к=0,8 м=800 мм.

. Уточнение рабочих скоростей паровой фазы

.

. Динамический коэффициент вязкости газовой смеси

Средняя мольная доля NH₃ в газовой смеси

Молекулярная масса газовой фазы.

Динамический коэффициент вязкости газовой смеси при

, [1] рис. VI с. 557

. Критерий Рейнольдса по газовой фазе

. Коэффициент молекулярной диффузии NH₃ в воздухе.

,

где  - коэффициент диффузии NH₃ в воздухе при нормальных условиях , [1] т. XLII с. 540

. Коэффициент массоотдачи по газовой фазе

 - коэффициент молекулярной диффузии NH₃ в воде при t= 20⁰С.

. Критерий Прандтля

Коэффициент массоотдачи по жидкой фазе.

. Коэффициенты массопередачи (К_г) по газовой фазе.

,

где коэффициента распределения при равновесии определяется графически как тангенс угла наклона касательной линии к равновесной линии

.

. Число единиц переноса тарелки.

;

где - площадь ситчатой тарелки типа ТС при диаметре колонны D_k=800 мм, [2] с.97.

. К.П.Д. тарелки

Постоянная С

. Действительное число тарелок в колонне

Коэффициент извлечения:

Принимаем .

Средняя движущая сила процесса абсорбции

,

где ;

При ,

, , (рис.1).

Поверхность массопереноса

м²

Число действительных тарелок

. Высота тарельчатой и цилиндрической части колонны.

,

где: принимаем

 - расстояние от крышки до верхней тарелки;  - расстояние от нижней тарелки до днища.

2. Конструктивный расчет аппарата

.1 Выбор конструкционного материала

Принимаем материал аппарата - нержавеющую (легированную) сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в газовой среде воздух+NH₃ и воды, [4] т.4.23 с.59.

.2 Определение толщины стенки обечайки

Из практических рекомендаций при диаметре обечайки D =0,8 м и давлении в аппарате  принимаем  мм, [4] т.4.3 с.17

.3 Определение диаметров штуцеров для ввода и вывода теплоносителей

Из практических рекомендаций скорость теплоносителей в штуцерах принимают: - для жидкостей - ;

Вход и выход газовой смеси.

Принимаем  

Вход и выход воды.

Принимаем

.4 Выбор крышки (днища)

Выбираем эллиптическую крышку (днище) при D_в = 800 мм; [6] с.440

Рисунок 2.1

Основные параметры:

h = 40 мм; h_в= 200 мм; ; m_дн= m_кр=48,5 кг.

.5 Выбор фланцев для обечайки, люка и штуцеров аппарата

Принимаем плоские приварные фланцы, [4] т.4.9 с.29, т.4.19 с.49

Рисунок 2.2

Таблица 2.1

Рисунок 2.3

Таблица 2.2

.6 Выбор основных параметров тарелки

Таблица 2.3

Рисунок 2.4

.7 Выбор опор аппарата

Масса металлоконструкций аппарата

Масса жидкости

Масса неучтенных затрат.

Принимаем 20% от общей массы, т. е.

Число опор принимаем

Нагрузка на одну опору составит:

Принимаем цилиндрическую опору для колонных аппаратов с приведенной минимальной нагрузкой 0,125 МПа и максимальной нагрузкой в 0,25 МН, [5] т.14.11 с.288

Рисунок 2.5

Параметры опоры:

Высота опорной обечайки: ;

Толщина опорной обечайки:;

Толщина опоры (лапы): ;

Высота опоры (лапы): ;

Ширина опоры: ;

Диаметры d =60 мм, d₁=90 мм, d ₂=28 мм, d_б=М24.

Диаметры опоры: [5] т.14.10 с.287

наружный диаметр кольца: D₁ = 1,08 м;

диаметр болтовой окружности: D_б = 0,96 м;

внутренний диаметр кольца: D₂ =0,75 м.

3. Гидравлический расчет аппарата

.1 Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки

где:  - коэффициент сопротивления ситчатой тарелки, [3] с.44;

- доля живого сечения тарелки, [3] с.138

.2 Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

,

где s_ж=0,07445 Н/м - поверхностное натяжение воды при t_ж=15^oC, [1] с.537э

.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке

где: h₀ - высота светлого слоя жидкости;

;

Удельный расход жидкости на 1 м периметра сливного устройства

,

Показатель степени:

.

Скорость пара, отнесенная к площади тарелки

.

.

.4 Общее гидравлическое сопротивление

.5 Подбор газодувной машины

При расходе газовой смеси м³/с и Dр_ап= (Па) выбираем газодувку марки ТВ-25-1,1 с параметрами: [3] т.10, с.42

расход V=0,833 м³/с,

напор Dр=10000 Па;

частота вращения n=48,3 с^-1;

мощность эл/двигателя типа АО2-71-2: N_эл =22 кВm.

.6 Подбор насоса для подачи воды

При расходе воды V=L_н/r=/999=0,000294 м³/с и напоре  выбираем центробежный насос марки Х2/25 с параметрами: [3] т.1, с.39

расход V=0,00042 м³/с;

напор Н_max=25 м;

к.п.д. h=0,5;

частота вращения n=50 с^-1;

мощность эл/двигателя типа АОЛ-12-2: N_эл=1,1 кВm.

Заключение

В данной расчетно-пояснительной записке приведены материальный, конструктивный и гидравлический расчеты тарельчатого абсорбера, используемого для разделения газовой смеси (воздух+NH₃).

В результате технологического расчета получены следующие параметры:

производительность по абсорбенту L_ср=0,3677 кг/с;

производительность по газовой смеси G_ср=3,0551 кг/с;

рабочая скорость газовой фазы W_г=1,022 м/с;

диаметр колонны D_к=0,8 м;

число тарелок ;

В результате проведенного конструктивного расчета колонны были определены: диаметры штуцеров для подачи газовой смеси и воды, толщина обечайки колонны, масса аппарата. Произведен выбор фланцев, крышки, днища, тип тарелок и опор колонны.

В результате гидравлического расчета были определены гидравлическое сопротивление колонны и произведен выбор газодувной машины для подачи газовой смеси и центробежного насоса для воды.

Библиографический список

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

. Барулин Е.П., Исаев В.Н. Абсорбция и ректификация: учеб. пособие по проектированию / под ред. А.Г. Липина; Иван. гос. хим.-технол. ун-т - Иваново, 2010. - 114 с.

. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, М.: Химия, 1991. - 496 с.

. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели: Методические указания /Иван. гос. хим.-техн. академ. Сост. Н.Ю. Смирнов, А.А. Мельников, Е.В. Таланов. - Иваново, 1995. - 60 с. (№575)

. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: машиностроение, 1981. - 382 с.

. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. М.: Машиностроение, 1970. - 752 с.