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 t_в.н, t_в.к - начальная и конечная температура охлаждающей воды,

с_в - теплоемкость охлаждающей воды,

Примем ориентировочное значение, что соответствует развитому турбулентному движению.

м_в=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]

µ_г=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 t_ж=24,5⁰С - средняя температура воды

t_г=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».