Расчет абсорбционной установки
Реферат
Расчет абсорбционной установки:
АБСОРБЕР, НАСАДКА, АММИАК, ПОГЛОТИТЕЛЬ,
АБСОРБЕНТ, АБСОРБАТ, КОЛОННА, ТЕПЛООБМЕННИК, НАСОС, КОМПРЕССОР.
Объект исследования и разработки - установка для
очистки воздуха от аммиака.
Цель работы - выбор аппаратов для осуществления
процесса очистки воздуха от аммиака и их расчет.
В курсовой работе приведены обоснование и расчет
аппарата, применяемого для абсорбции аммиака - насадочного абсорбера с
насадкой: керамические кольца Рашига, осуществлен подбор вспомогательного
оборудования: теплообменников, насосов и вентилятора.
В результате проектирования была теоретически
обоснована и рассчитана линия абсорбции аммиака.
Содержание
Введение
. Принципиальная схема установки
. Расчет насадочного абсорбера
.1 Масса поглощаемого вещества и
расход поглотителя
.2 Движущая сила массопередачи
.3 Коэффициент массопередачи
.4 Скорость газа и диаметр абсорбера
.5 Плотность орошения и активная
поверхность насадки
.6 Расчет коэффициентов массоотдачи
.7 Поверхность массопередачи и высота
абсорбера
.8 Гидравлическое сопротивление
абсорберов
. Расчет вспомогательного
оборудования
.1 Расчет теплообменников
.1.1 Расчет холодильника для газовой
смеси
.1.2 Расчет холодильника
.1.3 Расчет
теплообменника-рекуператора
.2 Расчет центробежного насоса
.3 Расчет газодувки
Заключение
Библиографический
список
Введение
В последнее время с ускорением
научно-технического прогресса, непрерывно растёт значение химической
промышленности в жизни человечества. Особую роль здесь играют физико-химические
процессы - массообмен и теплообмен. Получение тех или иных продуктов химической
промышленности связано с проведением процессов абсорбции, ректификации. Перед
данными процессами стоят широкие перспективы, особенно перед абсорбцией.
Абсорбция - один из эффективных методов очистки газов. Особенно это актуально в
наше время, когда экологическая обстановка на планете становится всё хуже.
Внедрение абсорбции во все отрасли народного хозяйства, в качестве метода
очистки газов вызывает немедленное улучшение экологической обстановки.
Получение таких веществ как ацетон, аммиак и других органических соединений
идёт с применением процесса абсорбции. Перед последним открываются большие
возможности улучшения интенсификации процесса.
Абсорбционные процессы являются основной технологичекой
стадией ряда важнейших производств: абсорбция SO3 в производстве
серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты, абсорбция NH3,
паров C6H6, H2S и других компонентов из
коксового газа и т.д.
. Принципиальная схема установки
На рисунке (1.1) представлена принципиальная
схема абсорбции.
Рисунок 1.1 - принципиальная схема процесса
Газ на абсорбцию, перед тем как пройти через
газодувку 2, попадает в холодильник 1. После газодувки газ направляется в
нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на
контактный элемент - насадку. Абсорбент из промежуточной емкости 10 насосом 11
подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному
сечению абсорбера с помощью оросителя 5. В колонне осуществляется противоточное
взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 4,
выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость
14, откуда насосом 13 направляется на регенерацию в десорбер 8 после
предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 12. Исчерпывание
поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 9, обогреваемом
насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя
теплообменник-рекуператор 12, дополнительно охлаждается в холодильнике 6.
. Расчет насадочного абсорбера
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 [1]:
, (2.1)
где -
коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2*с).
.1 Масса поглощаемого вещества и расход
поглотителя
Массу NH3, переходящего в процессе
абсорбции из загрязненного воздуха в поглотитель за единицу времени, находят из
уравнения материального баланса:
, (2.2)
где -
расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с; -
начальная и конечная концентрация аммиака воде, кг NH3/кг H2O;
-
начальная и конечная концентрация аммиака в газе, кг NH3/кг воздуха.
Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости
в выбранной для расчета размерности:
, (2.3)
кг NH3/кг
воздуха,
где -
молярная масса аммиака;
- молярная масса
воздуха.
, (2.4)
кг NH3/кг
воздуха,
, (2.5)
кг
NH3/кг
H2O.
Конечная концентрация аммиака в поглотительной
воде обуславливает
его расход, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием
жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают,
исходя из оптимального расхода поглотителя. Заданный коэффициент избытка
поглотителя имеет значение . В этом случае
конечную концентрацию определяют из
уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (см. рис. 2.1 и
2.2):
, (2.6)
Уравнение равновесной линии имеет вид [2]:
, (2.7)
, (2.8)
где -
коэффициент распределения, кг H2O/кг воздуха;
- молярная масса
воды;
- коэффициент
Генри, Па;
-
общее давление смеси газов, Па.
Па
[3].
Известно, что равновесная линия проходит через
начало координат. Найдем значение при
и
построим равновесную линию по двум точкам:
0,4007.
1 - равновесная линия: 2 - рабочая линия
Рисунок 2.1 - Зависимость между содержанием
аммиака в воздухе Y, кг NH3/кг воздуха и поглощающей воде X, кг NH3/кг
H2O
Рисунок 2.2 - Схема распределения концентраций в
газовом и жидкостном потоках в абсорбере
Отсюда:
кг NH3/кг
H2O
где -
концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава.
Расход инертной части газа:
, (2.9)
где -
средняя плотность аммиака при нормальных условиях;
- объемная доля
аммиака в газе, равная:
, (2.10)
м3 NH3/м3
воздуха.
Тогда:
кг/с.
Производительность абсорбера по поглощаемому
компоненту:
, (2.11)
кг/с.
Расход поглотителя (воды) равен:
, (2.12)
кг/с.
Тогда соотношение расходов фаз, или удельный
расход поглотителя, составит:
, (2.13)
.
.2 Движущая сила массопередачи
Движушая сила в соответствии с уравнением (2.1)
может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для
случая линейной равновесной зависимости между составами фаз. принимая модель
идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах
концентраций газовой фазы:
, (2.14)
где и
-
большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из
него, кг NH3/кг воздуха (рис. 2.1 и 2.2).
В данном примере:
, (2.15)
, (2.16)
где и
-
концентрации аммиака в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе
(поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис.
2.1):
кг NH3/кг
воздуха,
кг NH3/кг
воздуха,
кг NH3/кг
воздуха.
.3 Коэффициент массопередачи
Коэффициент массопередачи находят
по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:
, (2.17)
где и
-
коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м2*с).
Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо
выбрать тип насадки и рассчитать скорости 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 устойчивости 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 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 дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и
т. д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и
металлическая спиральные насадки.
В рассматриваемом примере выберем насадку - керамические
кольца Рашига, размером 50×50×5
мм. Удельная поверхность насадки a = 90 м2/м3,
свободный объем ε = 0,785 м3/м3,
эквивалентный диаметр dэ = 0,035 м, насыпная плотность =
530 кг/м3.
2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера
Предельную скорость газа, выше которой наступает
захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:
, (2.18)
где -
предельная фиктивная скорость газа, м/с;
и -
плотность поглощающей воды и смеси воздуха с аммиаком, кг/м3;
, -
вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при
20°С, Па*с;
А, В - коэффициенты, зависящие от типа насадки;
L и G
- расходы фаз, кг/с.
Для колец Рашига внавал значения коэффициентов А
= -0,073 и В = 1,75.
Пересчитаем плотность газа на условия в
абсорбере:
, (2.19)
кг/м3.
По правилу аддитивности рассчитаем ,
:
, (2.20)
, (2.21)
кг/м3,
×
×
Па*с.
где и
-
плотность чистых аммиака и воды при 20°С, кг/м3;
- вязкость жидкого
аммиака, Па*с.
Предельную скорость находим
из уравнения (2.18), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае
разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:
=
=.
Решая это уравнение, получим м/с.
Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими
факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для
каждого конкретного процесса. Обычно рабочую скорость принимают
равной 0,75-0,9 от предельной, т.о. м/с.
Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:
, (2.22)
где -
объемный расход газа при условиях в абсорбере, м3/с.
Отсюда:
м.
Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера м.
При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:
, (2.23)
м/с.
.5 Плотность орошения и активная поверхность
насадки
Плотность орошения (скорость жидкости)
рассчитывают по формуле:
, (2.24)
где -
площадь поперечного сечения абсорбера, м2.
Подставив, получим:
м3/(м2*с).
При недостаточной плотности орошения и
неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена
не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в
процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости (особенно в
абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по
сечению колонны.
Существует некоторая минимальная эффективная
плотность орошения , выше которой всю
поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов
минимальную эффективную плотность орошения Umin находят по
соотношению [4]:
, (2.25)
где -
эффективная линейная плотность орошения, м2/с.
Для колец Рашига размером 75 мм и хордовых
насадок с шагом более 50 мм м2/с;
для всех остальных насадок м2/с.
м3/(м2*с).
Коэффициент смачиваемости насадки для
колец Рашига при заполнении колонны внавал можно определить из следующего эмпирического
уравнения [5]:
, (2.26)
где -
поверхностное натяжение, мН/м;
- диаметр насадки,
см;
.
По правилу аддитивности рассчитывается
и имеет вид:
, (2.27)
где и
-
поверхностное натяжение аммиака и воды соответственно, мН/м.
мН/м.
×
×.
При абсорбции водой и водными растворами хорошо
растворимых газов смоченная поверхность насадки уменьшается [3]. Поэтому полная
смачиваемость достигается при более высоких значениях Г. Для таких систем
значение может
быть рассчитано по уравнению:
, (2.28)
, (2.29)
где А - коэффициент который зависит от
краевого угла смачивания и изменяется в пределах 0,12-0,17; -
разница между поверхностным натяжением жидкости, подаваемой на орошение
колонны, и жидкости, вытекающей из нее; -
критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; -
вязкость газа.
Вязкость газов находится по правилу
аддитивности:
×
×
Па*с,
.
Поверхностное натяжение жидкости вытекающей из
колонны рассчитывается по формуле (2.27), используя концентрацию поглотительной
воды на выходе:
мН/м.
Зависимость вязкости от температуры для аммиака,
,
и воздуха, , можно выразить
формулой [6]:
, (2.30)
где и
-
вязкости газа при заданной температуре и 0°С;
- температура
газа;
- константа,
зависящая от свойств газа, для аммиака и воздуха соответственно равны 626 и
122.
Па*с,
Па*с,
Разница между поверхностным натяжением жидкости,
подаваемой на орошение колонны, и жидкости, вытекающей из нее имеет вид:
, (2.31)
мН/м
×
×
кг/(м*с)
Доля активной поверхности насадки может
быть найдена по формуле [4]:
, (2.32)
где и
-
коэффициенты, зависящие от типа насадки [4]. Подставив численные значения,
получим:
.
Как видим, 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 [4]. Это число точек орошения и
определяет выбор типа распределительного устройства [4].
.6 Расчет коэффициентов массоотдачи
Для колонн с неупорядоченной насадкой
коэффициент массоотдачи в газовой фазе можно
найти из уравнения:
, (2.33)
, (2.34)
где -
диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.
Отсюда равен:
, (2.35)
, (2.36)
где -
средний коэффициент диффузии аммиака в газовой фазе, м2/с;
- диффузионный
критерий Прандтля для газовой фазы, Па*с.
Коэффициент диффузии аммиака в газе можно
рассчитать по уравнению [1, 2, 4, 6]:
, (2.37)
где и
-
мольные объемы аммиака и загрязненного воздуха в жидком состоянии при
нормальной температуре кипения, см3/моль [7];
Подставив, получим:
м2/с,
,
м/с.
Выразим в
выбранной для расчета размерности:
, (2.38)
кг/(м2*с).
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят
из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и
хордовых), так и для неупорядоченных насадок [4, 6]:
, (2.39)
, (2.40)
где -
диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.
Отсюда (в
м/с) равен:
, (2.41)
, (2.42)
, (2.43)
, (2.44)
где -
средний коэффициент диффузии аммиака в поглотительной воде, м2/с;
- 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 может
быть достаточно точно вычислен по уравнению [2, 4]:
, (2.45)
где -
мольная масса поглотительной воды, кг/кмоль;
- температура
воды, К;
- вязкость
поглотительной воды, мПа*с;
- мольный объем
аммиака, см3/моль;
- параметр,
учитывающий ассоциацию молекул, для воды [4].
Молярная масса поглотительной воды рассчитывается
по правилу аддитивности и равна:
абсорбция аммиак теплообменник насос
, (2.46)
кг/кмоль.
Подставив, получим:
м2/с;
м;
;
;
м/с.
Выразим в
выбранной для расчета размерности:
, (2.47)
кг/(м2*с).
По уравнению (2.17) рассчитаем коэффициент
массопередачи в газовой фазе:
кг/(м2*с).
2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера
Поверхность массопередачи в абсорбере по
уравнению (2.1) равна:
м2 .
Высоту насадки, необходимую для создания этой
поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле
, (2.48)
Подставив численные значения, получим:
м.
Обычно высота скрубберов не превышает 40-50 м, в
нашем случае это условие выполняется.
С учетом того, что высота слоя насадки в одной
секции м,
общее число секций в колонне составляет 4.
Общую высоту абсорбционной установки определяют
по формуле:
, (2.49)
где -
высота насадки в одной секции;
- число секций;
- высота
промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители
жидкости, м;
и -
соответственно расстояние от верха насадки до крышки и расстояние между днищем
и низом насадки.
Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется
необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны.
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). Согласно [1], примем эти
расстояния равными соответственно 2,5 и 1,4 м. Тогда общая высота абсорбера:
м.
.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов
Гидравлическое сопротивление обусловливает
энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер.
Величину рассчитывают
по формуле [4]:
, (2.50)
где -
гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па;
U - плотность
орошения, м3/(м2*с);
b -
коэффициент, значения которого для колец Рашига внавал равен [3].
Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют
по уравнению:
,
(2.51)
,
(2.52)
где -
скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;
- коэффициент
сопротивления.
Коэффициент сопротивления для беспорядочно
насыпанных кольцевых насадок рассчитывается по формуле для турбулентного режима
движения ():
.
(2.53)
,
м/с,
Па,
Па.
Приведенный 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 [2, 4].
. Расчет вспомогательного оборудования
После расчета абсорбционной колонны приступают к
расчетам вспомогательного оборудования: теплообменников, вентилятора, насосов.
.1 Расчет теплообменников
.1.1 Расчет холодильника для газовой смеси
Так как газовую смесь необходимо охладить от 137
ºС
до 20 ºС,
то мы охладим её охлаждающей водой. В трубное пространство с меньшим проходным
сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. газовую
смесь. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и
соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент
теплоотдачи.
Примем, что вода в теплообменнике нагревается от
8
ºС
до 29 ºС.
Рисунок 3.1 - температурная схема процесса
Из рисунка видно, что:
ºС,
ºС.
В виду того, что
,
то среднелогарифмическая разница температур ,
ºС,
определяется по формуле:
, (3.1)
ºС.
Средние температуры воды и газовой смеси
рассчитываются по формуле:
, (3.2)
где и
-
начальная и конечная температуры компонента.
Индексами 1 и 2 обозначим газовую смесь и воду
соответственно.
Средняя температура воды:
ºС.
Средняя температура газовой смеси:
ºС.
Тепловая нагрузка определяется по формуле:
, (3.3)
где -
массовый расход газовой смеси, кг/с;
и -
соответственно начальная и конечная температуры газовой смеси, ºС;
- теплоёмкость
газовой смеси при .
- массовый расход
охлаждающей воды, кг/с;
и -
соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, ºС;
- теплоёмкость
охлаждающей воды при t2.
В таблице (3.1) представлены физико-химические
характеристики при температурах и .
Таблица 3.1 - физико-химические характеристики
|
t1
|
t2
|
ρ,
кг/м3
|
0,9555
|
998,15
|
λ,
Вт/(м*К)
|
0,0304
|
0,5912
|
µ,
Па*с
|
2,0035*10-5
|
1,043*10-3
|
c,
Дж/(кг*К)
|
1163,575
|
4190
|
Переведем расход по формуле (3.4) в требуемую
размерность.
, (3.4)
кг/с.
Вт.
Рассчитаем расход охлаждающей воды по уравнению:
, (3.5)
кг/с.
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.1) и
примем ориентировочное значение , что соответствует
развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен
в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:
, (3.6)
где -
внутренний диаметр трубы.
для труб диаметром мм:
;
для труб диаметром мм:
.
Примем ориентировочное значение коэффициента
теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м2*К).
При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
, (3.7)
м2.
В многоходовых теплообменниках средняя движущая
сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного
взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической
разности температур определим по формуле:
, (3.8)
, (3.9)
, (3.10)
, (3.11)
, (3.12)
, (3.13)
где -
поправка для среднелогарифмической разности температур;
- средняя
температура;
, ,
и
-
параметры зависящие от начальных и конечных температур охлаждающей воды и
газовой смеси.
,
,
,
,
,
ºС.
С учетом поправки ориентировочная поверхность
составит:
м2.
Теперь проводим уточненный расчет следующего
варианта:
мм; мм;
;
;
м2;
м.
Находим и
по
формулам (3.15-3.16), необходимые значения возьмем из таблицы (3.1):
, (3.14)
, (3.15)
,
.
В соответствии с формулой (3.17) коэффициент
теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:
, (3.16)
Вт/(м2*К).
Поправкой
здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не
велика (менее ºС).
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве
между перегородками м2;
тогда:
, (3.17)
, (3.18)
,
.
После расчетов находим по
формуле:
, (3.19)
Вт/(м2*К).
Примем термические сопротивления м2*К/Вт,
м2*К/Вт.
Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве
материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м2*К).
Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:
, (3.20)
где -
толщина стенки, м.
м2*К/Вт.
Коэффициент теплопередачи составит:
, (3.21)
Вт/(м2*К).
Требуемая поверхность составит:
м2.
Запас составит:
, (3.22)
%.
Далее производим гидравлический расчет. Находим
скорости газа в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
, (3.23)
м/с.
Коэффициент трения рассчитывают по формуле:
, (3.24)
где -
относительная шероховатость труб;
-
высота выступов шероховатостей, принимаем мм.
.
Диаметр штуцеров в распределительной камере м,
а скорость в штуцерах равна:
, (3.25)
м/с.
В соответствии с формулой (3.28) гидравлическое
сопротивление трубного пространства равно:
, (3.26)
×
×
Па.
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном
пространстве:
, (3.27)
.
Округляя в большую сторону, получим .
Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров
к кожуху м.
скорость потока в штуцерах составит:
, (3.28)
м/с.
Скорость жидкости в наиболее узком сечении
трубного пространства площадью м2
равна:
, (3.29)
м/с.
В соответствии с формулой (3.32) сопротивление
межтрубного пространства равно:
, (3.30)
,
×
×
Па.
.1.2 Расчет холодильника
По аналогичной схеме с формулам произведем
расчет холодильника, который охлаждает поглощающую воду, идущую на абсорбцию.
Вода на абсорбцию поступает с ºС
и охлаждается до ºС.
В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем теплоноситель с
меньшим расходом, т.е. воду на абсорбцию. Это позволит выровнять скорости
движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая
таким образом коэффициент теплоотдачи.
Примем, что охлаждающая вода в теплообменнике
нагревается от 8 ºС до 27 ºС.
Рисунок 3.1 - температурная схема процесса
Из рисунка видно, что:
ºС,
ºС.
В виду того, что
,
то среднелогарифмическая разница температур ,
ºС,
равна:
.
Индексами 1 и 2 обозначим воду, идущую в
абсорбционную установку и охлаждающую воду соответственно.
Средняя температура охлаждающей воды:
ºС.
Средняя температура воды на абсорбцию:
ºС.
Массовый расход воды на абсорбер принимаем
полученное ранее при расчете колонны, т.е. кг/с.
В таблице (3.2) представлены физико-химические
характеристики при температурах и .
Таблица 3.2 - физико-химические характеристики
|
t1
|
t2
|
ρ,
кг/м3
|
991,4765
|
998,25
|
λ,
Вт/(м*К)
|
0,6278
|
0,5863
|
µ,
Па*с
|
0,6554*10-3
|
1,0695*10-3
|
c,
Дж/(кг*К)
|
4190,7115
|
4190
|
Тепловая нагрузка получится:
Вт.
Рассчитаем расход охлаждающей воды:
кг/с.
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.2) и
примем ориентировочное значение , что соответствует
переходному режиму течения в трубах. Такой режим возможен в теплообменнике, у
которого число труб, приходящееся на один ход, равно:
для труб диаметром мм:
;
для труб диаметром мм:
.
Примем ориентировочное значение коэффициента
теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м2*К).
При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
м2.
Теплообменники с близкой поверхностью имеют
диаметр кожуха 325 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов .
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в
одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения
теплоносителей. Найдем поправку для среднелогарифмической разности температур и
определим среднюю температуру:
, ,
,
,
,
ºС.
С учетом поправки ориентировочная поверхность
составит:
м2.
Теперь проводим уточненный расчет следующего
варианта:
мм; мм;
;
;
м2;
м.
Находим и
:
,
.
Получили что коэффициент
теплоотдачи к жидкости будет равен:
. (3.31)
Вт/(м2*К).
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве
между перегородками м2;
тогда:
,
.
После расчетов находим по
формуле (3.32), где поправкой здесь можно
пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее
ºС):
, (3.32)
Вт/(м2*К).
Примем термические сопротивления м2*К/Вт.
Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве
материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м2*К).
Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:
м2*К/Вт.
Коэффициент теплопередачи составит:
Вт/(м2*К).
Требуемая поверхность составит:
м2.
Выбранный ранее теплообменник не подходит, его
площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник
с учетом новой рассчитанной поверхностью: мм;
мм;
;
;
м2;
м.
В этом случае запас составит:
%.
Далее производим гидравлический расчет. Находим
скорости воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
м/с.
Коэффициент трения рассчитывают по формуле:
.
Диаметр штуцеров в распределительной камере м,
а скорость в штуцерах равна:
м/с.
Гидравлическое сопротивление трубного
пространства равно:
×
×
Па.
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном
пространстве:
.
Округляя в большую сторону, получим .
Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров
к кожуху м.
скорость потока в штуцерах составит:
м/с.
Скорость жидкости в наиболее узком сечении
трубного пространства площадью м2
равна:
м/с.
Сопротивление межтрубного пространства равно:
,
×
×
Па.
.1.3 Расчет теплообменника-рекуператора
Индексами 1 и 2 обозначим воду на абсорбцию и
воду на регенерацию соответственно.
Поток воды на абсорбцию поступает с ºС
и из расчетов выше охлаждается до ºС.
В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем воду на
регенерацию, а в межтрубном пространстве с необходимым расходом кг/с
будет вода на абсорбцию соответственно. Вода, выходящая из абсорбера, имеет
заданную температуру в колонне, т.е. ºС,
зададимся что после теплообменника-рекуператора выходить будет при ºС.
Составим температурную схему.
Рисунок 3.3 - температурная схема процесса
Из рисунка видно, что:
ºС,
ºС.
В виду того, что
,
то среднеарифметическая разница температур ,
ºС,
определяется по формуле:
, (3.33)
ºС.
Средняя температура воды на регенерацию:
ºС.
Средняя температура воды на абсорбцию:
ºС.
Вычислим тепловую нагрузку:
Вт.
Рассчитаем расход воды на регенерацию:
кг/с.
В таблице (3.3) представлены физико-химические
характеристики при температурах и .
Таблица 3.3 - физико-химические характеристики
t1t2
|
|
|
ρ,
кг/м3
|
974,1706
|
927,8959
|
λ,
Вт/(м*К)
|
0,6743
|
0,617
|
µ,
Па*с
|
0,3847*10-3
|
0,7063*10-3
|
c,
Дж/(кг*К)
|
4190
|
4273,8715
|
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.3) и
примем ориентировочное значение , что соответствует
переходному режиму режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в
теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:
для труб диаметром мм:
;
для труб диаметром мм:
.
Примем ориентировочное значение коэффициента
теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м2*К).
При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
м2.
Теплообменники с близкой поверхностью имеют
диаметр кожуха 273 мм. При этом выбрать можно только одноходовой аппарат. В
многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в
одноходовых, т.е. при расчете теплообменника-рекуператора находить и учитывать
поправку не будем. Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:
мм; мм;
;
;
м2;
м.
Рассчитаем параметры в трубном пространстве.
Находим и
,
необходимые значения возьмем из таблицы (3.3):
,
.
Находим критерий ,
для выбора , плотности кг/м3
и кг/м3
соответственно при ºС
и ºС:
, (3.34)
, (3.35)
,
.
В соответствии с формулой (3.36) коэффициент
теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:
, (3.36)
Поправкой
здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не
велика (менее ºС).
×
×
Вт/(м2*К).
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве
между перегородками м2;
тогда:
,
.
После расчетов находим по
формуле (3.32):
Вт/(м2*К).
Примем термические сопротивления м2*К/Вт.
Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве
материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м2*К).
Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:
м2*К/Вт.
Коэффициент теплопередачи составит:
Вт/(м2*К).
Требуемая поверхность составит:
м2.
Выбранный ранее теплообменник не подходит, его
площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник
с учетом новой рассчитанной поверхностью: мм;
мм;
;
;
м2;
м.
В этом случае запас составит:
%.
Далее производим гидравлический расчет. Находим
воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
м/с.
Коэффициент трения рассчитывают по формуле:
.
Диаметр штуцеров в распределительной камере м,
а скорость в штуцерах равна:
м/с.
Гидравлическое сопротивление трубного
пространства равно:
×
×
Па.
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном
пространстве:
.
Округляя в большую сторону, получим .
Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров
к кожуху м.
скорость потока в штуцерах составит:
м/с.
Скорость жидкости в наиболее узком сечении
трубного пространства площадью м2
равна:
м/с.
Сопротивление межтрубного пространства равно:
,
×
×
Па.
.2 Расчет центробежного насоса
Подбираем насос для перекачивания поглотительной
воды при средней температуре 55 ºС
из открытой емкости в абсорбер. Геометрическая высота подъема воды 17,4 м.
Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 30м. Плотность
поглотительной воды возьмем кг/м3,
тогда расход воды составляет м3/с.
Выберем трубопровод. Для всасывающего и
нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2
м/с. Тогда диаметр по формуле равен:
, (3.37)
м.
Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм
и толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы мм.
Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:
м/с.
Примем, что коррозия трубопровода незначительна.
Определим потери на трение и местные
сопротивления.
Найдем критерий Рейнольдса:
, (3.38)
где вязкость примем Па*с.
,
т.е. режим течения турбулентный. Примем
абсолютную шероховатость равной м. Тогда :
м.
Далее получим:
;
.
Таким образом, в трубопроводе автомодельная
зона, для которой соответствует формула:
, (3.39)
.
Определим сумму коэффициентов местных
сопротивлений.
Для всасывающей линии:
вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;
прямоточные вентили: для м
;
колено с углом 90 º:
.
Сумма коэффициентов местных сопротивлений во
всасывающей линии равна:
.
Потерянный напор во всасывающей линии находим по
формуле:
, (3.40)
м.
Для нагнетательной линии:
прямоточные вентили: для м
;
колено с углом 90 º: ;
выход из трубы: .
Сумма коэффициентов местных сопротивлений в
нагнетательной линии равно:
.
Потерянный напор в нагнетательной линии по
формуле (3.40):
м.
Потеря напора в теплообменнике-рекуператоре:
, (3.41)
м.
Потеря напора в холодильнике для воды на
абсорбцию находится по формуле (3.41):
м.
Общие потери напора находят просуммировав все
известные потери:
м.
В условии дано что вода перекачивается из
емкости находящейся под атмосферным давлением в абсорбер с аналогичным
давлением. Таким образом формула для нахождения потребного напора насоса
приводится к следующей:
, (3.42)
м.
Полезную мощность насоса определим по формуле:
, (3.42)
кВт.
Принимая и
,
найдем мощность на валу двигателя:
, (3.43)
кВт.
Выбираем насос марки Х20/53 с м3/с,
м,
,
с-1,
а электродвигатель - АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.
.3 Расчет газодувки
Подбираем газодувку для перекачивания
загрязненного воздуха при средней температуре 78,5
ºС в абсорбер. Расход воздуха 2 м3/с.
Длина трубопровода от точки забора воздуха до абсорбера составляет 20 м. Все
остальные необходимые данные возьмем из таблицы (3.1).
По формуле (3.37) найдем диаметр трубопровода, принимая
скорость в трубопроводе м/с.
м.
Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм
и толщиной стенки 10 мм. Внутренний диаметр трубы мм.
Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:
м/с.
Критерий Рейнольдса для потока в трубопроводе:
,
Примем, что трубы были в эксплуатации, имеют
незначительную коррозию. Тогда мм. Получим:
м.
Далее получим:
;
;
.
Таким образом, в трубопроводе автомодельная
зона, для которой соответствует формула:
, (3.44)
.
Определим сумму коэффициентов местных
сопротивлений:
вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;
прямоточные вентили: для м
;
колено с углом 90 º: ;
выход из трубы: .
Сумма коэффициентов местных сопротивлений равна:
.
Гидравлическое сопротивление трубопровода
находим по формуле:
, (3.40)
Па.
Избыточное давление, которое должна обеспечить
газодувка для преодоления гидравлического сопротивления аппаратов и
трубопровода, равно:
, (3.41)
Па.
Таким образом, находим газодувку высокого
давления. Полезную мощность ее находим по формуле (3.42):
кВт.
Принимая и
,
найдем мощность на валу двигателя:
кВт.
Выбираем газодувку марки ТВ-150-1,12 с м3/с,
Па,
с-1,
а электродвигатель - АО2-82-2 с мощностью 55 кВт.
Заключение
Процесс абсорбции NH3
из загрязненного воздуха, концентрацией 12 об % NH3
осуществляется в насадочном абсорбере диаметром 1200 мм и высотой 17,4 м при
температуре абсорбции 20 °С. Производительность абсорбера по
газовой фазе 2 м3/с при нормальных условиях. Для проведения процесса
абсорбции в колонне установлено четыре секции насадки керамические кольца
Рашига 50´50´5,
высота всех слоев по 3 м.
Поглотитель после регенерации имеет концентрацию
NH3
0,12 масс %. Он подается в абсорбционную колонну при помощи центробежного
насоса марки Х20/53, а электродвигатель - АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.
Поглотитель охлаждается в кожухотрубчатом
теплообменнике диаметром кожуха - 600 мм, диаметром труб - 25´2
мм, общим числом труб - 240 шт, числом ходов - 2, длиной одного хода - 3 м,
поверхностью теплообмена - 57 м2.
Газовая смесь подается на абсорбцию газодувкой
типа ТВ-150-1,12 с электродвигатель АО2-82-2 и мощностью 55 кВт.
Охлаждается газовая смесь при помощи
кожухотрубчатого теплообменника с диаметром кожуха - 1000 мм, диаметром
теплообменных труб 25´2 мм, числом ходов - 2, общим
числом теплообменных труб - 718, с поверхностью теплообмена - 226 м2
при длине труб - 4 м.
Из колонны абсорбционная вода перед тем как идти
на регенерацию проходит через кожухотрубчатый теплообменник-рекуператор с
диаметром кожуха - 325 мм, диаметром теплообменных труб 20´2
мм, числом ходов - 1, общим числом теплообменных труб - 100, с поверхностью
теплообмена - 19 м2 при длине труб - 3 м.
Рассчитанная очистная линия позволяет производить
абсорбцию NH3
до степени, определенной в выданном курсовом задании.
Кроме этого был произведён расчёт и выбор
вспомогательного оборудования: насос и газодувка. Также произведён расчёт
теплообменника для охлаждения исходной газовой смеси, теплообменника-рекуператора
и теплообменника для охлаждения поглощающей воды, идущей на абсорбцию.
Библиографический список
1 Основные процессы и аппараты
химической технологии: пособие по проектированию [Текст] / Г.С. Борисов, В.П.
Брыков, Ю.И. Дытнерский [и др.] - 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Ю.И.
Дытнерского - М.: Химия, 1991. - 496 с.
Павлов К.Ф. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учеб. для вузов /
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - 10-е изд., испр., доп. - СПб.:
Химия, 1987. - 576 с.
Ветошкин, А.Г. Процессы и аппараты
газоочистки [Текст]: учеб. пособие; сост. - А.Г. Ветошкин - Пенза, 2006. - 201
с.
Рамм, В.М. Абсорбция газов [Текст]:
учеб./ В.М. Рамм - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Химия, 1976. - 656 с.
Стабников, В.Н. Расчет и
конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов
[Текст]: учеб./ В.Н. Стабников - Киев: Технiка,
1970. - 208 с.
Касаткин, А. Г. Основные процессы и
аппараты химической технологии [Текст]: учеб. / А.Г. Касаткин - 7-е изд.,
испр., доп. - М.: Химия, 1973. - 752 с.
Бретшнайдер, С. Свойства газов и
жидкостей [Текст]: учеб./ С. Бретшнайдер - СПб.: Химия, 1966. - 536 с.
Лащинский, А.А. Основы
конструирования и расчет химической аппаратуры [Текст]: учеб. / А.А. Лащинский,
А.Р. Толчинский. - СПб.: Машиностроение, 1970. - 752 с.
Никольский, Б.П. Справочник химика
[Текст]: учеб. пособие. В 6 ч. Ч. 1. Общие сведения. Строение вещества.
Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника / Б.П. Никольский - 2-е изд.,
испр., доп. - СПб: Изд-во Химия, 1966. - 1072 с.