X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью.

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу-вверх [4].

Насадочные абсорберы – колонные аппараты, заполненные насадками – твердыми телами различной формы. Основным назначением насадки является распределение пленки жидкости по всей поверхности для создания развитой поверхности межфазового контакта.

Насадочные аппараты отличаются простотой устройства, возможностью работы с агрессивными средами, созданием высокой удельной поверхности контакта фаз и коэффициентами массопередачи [5].

Эффективная насадка должна отвечать следующим требованиям: обладать большой поверхностью в единице объема; хорошо смачиваться орошающей жидкостью; оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; равномерно распределять орошающую жидкость; обладать химической стойкостью к воздействию жидкости и газа, контактирующих в аппарате; иметь малый удельный вес; обладать высокой механической прочностью; иметь низкую стоимость. Поскольку универсальной насадки не существует, выбор ее обуславливается конкретными условиями применения.

1. Описание технологической схемы установки.

Технологическая схема установки приведена на рис. 1. Воздух, содержащий аммиак, подается на абсорбцию газодувкой Г в нижнюю часть абсорбционной колонны АБ, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку). Вода из промежуточной емкости Е1 при помощи насоса Н1 подается в верхнюю часть абсорбционной колонны АБ, предварительно охладившись в холодильнике Х, и равномерно распределяется по поперечному сечению колонны с помощью оросителя, что позволяет осуществить противоточное взаимодействие абсорбента и воздуха, содержащего абсорбтив, после чего очищенный от аммиака воздух выходит из абсорбера, в то время как абсорбент стекает в промежуточную емкость Е2, откуда насосом Н2 направляется на регенерацию в десорбер Д после подогрева в теплообменнике-рекуператоре ТР. Удаление аммиака из воды происходит в кубе десорбера, обогреваемом насыщенным водяным паром. Далее аммиак, сжиженный при помощи ротационного компрессора КР, поступает в изотермический газгольдер ИГ на временное хранение.

рис. 1. Схема технологическая принципиальная

2. Материальный баланс.

Определяем начальную мольную концентрацию аммиака в газовой смеси на входе в абсорбер:

где , – мольные массы аммиака и воздуха соответственно, кг/кмоль.

Определяем конечную мольную концентрацию аммиака в газовой смеси на выходе из абсорбера:

Определяем количество поглощаемого аммиака:

где – молярный объем, равный 22,4 м³/кмоль.

Определяем начальную мольную долю аммиака в абсорбенте на входе в абсорбер:

Определяем коэффициент Генри для водного раствора аммиака при температуре абсорбции:

,

где Е₁, Е₂ – коэффициенты Генри аммиака при температурах t₁ и t₂ соответственно, мм.рт.ст. [1]

Перевели полученное значение в кПа [1].

Е = Е^’∙133,3∙10^-3 = 0,002278∙10⁶∙133,3∙10^-3 = 303,657 кПа

Определяем равновесную мольную долю аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

Определяем конечную концентрацию аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

С учетом степени насыщения:

Определяем расход абсорбента (воды):

3. Определение диаметра абсорбера.

В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига со следующими характеристиками [1]

-размер элемента (диаметр х высота х толщина стенки), мм: 35х35х4

-удельная поверхность насадки f, м²/м³: 140

-свободный объем насадки V_св, м³: 0,78

1. Определяем эквивалентный диаметр элемента насадки:

2. Определяем среднюю концентрацию аммиака в газовой смеси:

3. Определяем среднюю концентрацию воздуха в газовой смеси:

4. Определяем среднюю плотность газовой смеси:

- при нормальных условиях:

- при температуре и давлении абсорбции:

5. Определяем среднюю молекулярную массу газовой смеси:

6. Определяем расход газовой смеси

7. Определяем свойства абсорбента (воды) при температуре абсорбции.

-динамический коэффициент вязкости:

,

где μ₁, μ₂ – динамические коэффициенты вязкости воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, Па∙с [1]

-плотность:

где ρ₁, ρ₂ – плотность воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, Па∙с [1]

8. Определяем предельную скорость газа в абсорбере из соотношения:

где ρ_в – плотность воды при температуре 25 ^оС, μ_в – динамический коэффициент вязкости воды при 25 ^оС, А – коэффициент, равный для насадки из колец и спиралей 0,022; В – коэффициент, равный для колец Рашига 1,75. [2]:

Отсюда w_пр = 0,659 м/с

Определяем рабочую скорость газа в абсорбере из соотношения [1]:

wp= (0,75…0,9)∙ w_пр= 0,85∙0,258 = 0,560 м/с

Определяем расход газовой смеси при рабочих условиях:

Определяем диаметр колонны абсорбера:

По справочным данным выбираем стандартный диаметр колонны, равный D_к = 2,6 м. [2]

Определяем действительную скорость газа в абсорбере:

4. Определение средней движущей силы абсорбции

Определяем парциальное давление аммиака на входе в абсорбер:

Определяем конечную мольную концентрацию аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

Равновесное парциально давление аммиака в газе, равновесном с жидкость, вытекающей из абсорбера:

Определяем движущую силу в нижней части колонны:

Определяем парциальное давление аммиака в газе, выходящем из абсорбера:

Определяем конечную мольную концентрацию аммиака в абсорбенте на входе в абсорбер:

Определяем парциальное давление аммиака в газе, равновесном с жидкостью, поступающей в абсорбер:

Определяем движущую силу в нижней части колонны:

Определяем среднюю движущую силу абсорбции:

5. Определение коэффициента массопередачи

Определяем коэффициент распределения насадки:

Определяем динамический коэффициент вязкости газовой смеси при температуре абсорбции.

-для аммиака:

Па∙с,

где μ₁, μ₂ – динамические коэффициенты вязкости аммиака при

температурах t₁ и t₂ соответственно, Па∙с [1]

-для воздуха:

Па∙с,

где μ₁, μ₂ – динамические коэффициенты вязкости воздуха при температурах t₁ и t₂ соответственно, Па∙с [1]

-для смеси:

Па∙с,

Определяем критерий Рейнольдса в газовой фазе:

Определяем коэффициент диффузии аммиака в воздухе при температуре и давлении абсорбции:

где - коэффициент диффузии аммиака в воздухе при нормальных условиях [1]

Определяем критерий Прандтля в газовой фазе:

Определяем критерий Нуссельта в газовой фазе:

Определяем среднее парциальное давление воздуха:

Определяем коэффициент массоотдачи со стороны газа по формуле:

Определяем сечение колонны:

Определяем критерий Рейнольдса в жидкой фазе:

Определяем коэффициент диффузии аммиака в воде при температуре абсорбции:

где - коэффициент диффузии аммиака в воде при нормальных условиях [1]

Определяем критерий Прандтля в жидкой фазе:

Определяем критерий Галилея в жидкой фазе:

где d_н – наружный диаметр элемента выбранной насадки.

Определяем критерий Нуссельта в жидкой фазе:

.

Определяем коэффициент массоотдачи со стороны жидкостной пленки:

Определяем коэффициент массопередачи процесса абсорбции:

6. Определение высоты абсорбера.

Определяем высоту насадки:

Определяем высоту секции насадки [2]

Высота одной секции равняется 4-5 диаметрам колонны:

Так как высота секции насадки не должна превышать 3-4 м, примем ее равной 3,1 м.

Определяем число и общую высоту перераспределительных разрывов насадки.

- число перераспределительных разрывов:

следовательно, насадку требуется поделить на три секции.

- общая высота перераспределительных разрывов:

где hp – высота перераспределительного разрыва, принимаем равной 0,3 м. [2]

Определяем общую высоту абсорбера:

где - расстояние между днищем колонны и насадкой, - высота сепарационного пространства над насадкой.

7. Определение гидравлического сопротивления абсорбера.

Определяем коэффициент сопротивления сухой насадки. Для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок при Re_y>40:

Определяем скорость газа в свободном сечении насадки:

Определяем гидравлическое сопротивление сухой насадки:

Определяем плотность орошения насадки:

Определяем гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

где b – коэффициент, равный для беспорядочно насыпанных колец Рашига 184 [2].

Определяем гидравлическое сопротивление абсорбера, принимая, что гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки и других вспомогательных устройств составляет 10% от сопротивления насадки:

8. Расчет и выбор газодувки.

Определяем диаметр газопровода:

где – скорость газовой смеси в газопроводе (5…20) м/с.

Выбрали стальной газопровод наружным диаметром 0,530 м и толщиной стенки 15 мм [2]

Тогда внутренний диаметр газопровода

d_г = d_{г. нар.} - 2∙δ_т = 530 - 2∙15 = 500 мм = 0,5 м

Определяем фактическую скорость газовой смеси в газопроводе:

Определяем критерий Рейнольдса для газового потока в газопроводе:

Следовательно, режим движения газового потока является турбулентным.

Определяем относительную шероховатость стенок газопровода:

где ∆ - абсолютная шероховатость стенок, принятая равной 0,2 мм [2].

Определяем зону трения в газопроводе:

Следовательно, в газопроводе имеет место зона смешанного трения.

Определяем коэффициент трения в трубах:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [2]:

-вход в трубу (принимаем с закругленными краями): ξ₁ = 0,2;

-задвижка, равная для труб с диаметром d > 300 мм: ξ₂ = 0,15;

-плавный отвод круглого сечения;

-внезапное расширение (входное отверстие абсорбера).

Определяем площадь сечения газопровода:

Определяем соотношение площадей сечения газопровода и абсорбера:

С учетом того, что Re≥3500:

где - коэффициенты местных сопротивлений при соотношении площадей соответственно.

Определяем отношение радиуса поворота трубы к внутреннему диаметру трубы:

В таком случае,

Так как поворот трубы составляет 90^о, А = 1.

Тогда:

Определяем гидравлическое сопротивление газопровода:

где – длина газопровода от точки забора воздуха до входа в абсорбер, принимаем равной 10 м.

Определяем общее давление, создаваемое газодувкой:

Па

Определяем мощность, потребляемую газодувкой:

где η – коэффициент полезного действия газодувки, принимаем равным 0,72 [2].

Таким образом, согласно [3] и [6], выбираем газодувку ТВ-300-1,6 (объем засасываемого воздуха – 5 м³/с, давление нагнетания – 160000 Па, мощность электродвигателя – 400 кВт).

Заключение

Данный курсовой проект представляет способ очистки воздуха от аммиака с использованием насадочного абсорбера производительностью 4,2 м³/с, разработанный с учетом ГОСТ 2.109-73 ЕСКД, ГОСТ 7798-70, ГОСТ 15521-70, ГОСТ 15180-86 и ГОСТ 12820-80.

Предложенное в выполненном проекте решение обеспечивает степень извлечения абсорбтива 0,94, для чего конструктивно разрабатывается насадочный абсорбер высотой 13,7 м и диаметром 2,6 м, снабженный дополнительным оборудованием в виде газодувки ТВ-300-1,6 и привод ACS800-17 (объем засасываемого воздуха – 5 м³/с, давление нагнетания – 160000 Па, мощность электродвигателя – 400 кВт). Гидравлическое сопротивление абсорбера со вспомогательным оборудованием составляет .

Список источников литературы

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

2. Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию - М.: Химия 1991. – 496 с.

3. Лихачев Н.И., Ларин И.И., Самохин С.А. Канализация населенных мест и промышленных предприятий - М.: Стройиздат, 1981. -639 с.

4. Рамм В.М. Абсорбция газов – М.: Химия, 1976. – 656 с.

5. Александров И.А. Абсорбционные и ректификационные аппараты - М.: Химия, 1971. - 296 с.

Код для цитирования: Скопировать