В данном курсовом проекте был произведен расчет насадочного абсорбера для отчистки воздуха от хлористого водорода производительностью 5,8 . Данный вид абсорбера был выбран исходя из его преимуществ, таких как возможность работы с агрессивными средами, а также проста в эксплуатации. В качестве насадки были использованы керамические кольца Рашига с неупорядоченным типом укладки. Данная насадка представляет собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы, просты в изготовлении, имеют небольшой вес и менее подвержены коррозии; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.
Хлористый водород обладает ярко выраженной токсичностью. При нахождении в атмосфере газ оседает и накапливается в почве, что ведет к отравлению живых организмов.
Стр.26 Рис.1 Табл.2 Библ.2
Введение
Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.
В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, называют растворителем. Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1)поверхностные и пленочные;
2)насадочные;
3)барботажные(тарельчатые);
4)распыливающие. Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.
Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком. Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.
1.Описание технологической схемы
На рисунке 1 приведена схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или 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 3, 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.
Рисунок 1. Принципиальная схема абсорбционной установки: 1 — газодувка; 2 — абсорбер;
3 — брызгоотбойник; 4 ,6 — оросители; 5 — холодильник; 7 — десорбер; 8 — куб десорбера;
9, 13 — емкости для абсорбента; 10, 12, 14 — насосы; 11 — теплообменник-рекуператор;
15, 16, 17, 18 — баллоны с хлористым водородом.
2. Расчет насадочного абсорбера
2.1. Материальный баланс
1. Определяем начальную мольную концентрацию хлористого водорода в газовой смеси на входе в абсорбер:
где , - мольные массы хлористого водорода и воздуха соответственно, кг/кмоль.
2. Определили конечную мольную концентрацию хлористого водорода в газовой смеси на выходе абсорбера:
3. Определяем количество поглощаемого хлористого водорода:
где - молярный объем, равный 22,4 м3/кмоль.
4. Определили начальную мольную долю хлористого водорода в абсорбенте на входе в абсорбер:
При = 0% кг/кг воды.
5. Определили коэффициент Генри для водного раствора хлористого водорода при температуре абсорбции:
где – коэффициенты Генри хлористого водорода при температурах соответственно, мм.рт.ст. [1]
Переводим полученное значение в кПа [1]:
6. Определяем равновесную мольную долю хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:
0,0235 кмоль/кмоль воды
7. Определяем конечную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:
С учетом степени насыщения:
8. Определили расход абсорбента (воды):
9,485 кг/с = 0,95
2.2. Определение диаметра абсорбера
В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига со следующими характеристиками [1,2]: - размер элемента (диаметр x высота x толщина стенки), мм 50 х 50 х 5- удельная поверхность насадки f, м2/м3: 87,5-свободный объем насадки Vсв, м3: 0,785
1. Определяем эквивалентный диаметр насадки:
2. Определили среднюю концентрацию хлористого водорода 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. Определили средняя молекулярную массу газовой смеси:
6. Определили расход газовой смеси:
7. Определяем свойства абсорбента (воды) при температуре абсорбции:
- динамический коэффициент вязкости:
где , - динамические коэффициенты вязкости воды при температурах и соответственно, [1]
- плотность:
где , - динамические коэффициенты плотности воды при температурах и соответственно, [1]
8. Определили предельную скорость газа в абсорбере из соотношения:
где – плотность воды при температуре 20, равная 998 кг/м3; - динамический коэффициент вязкости воды при 20, равный 10-3 ; А - коэффициент, равный для колец Рашига -0,073; В – коэффициент, равный для колец Рашига 1,75 [2]:
Отсюда:
9. Определили рабочую скорость газа в абсорбере из соотношения [1]:
10. Определили расход газовой смеси при рабочих условиях:
11. Определяем диаметр колонны абсорбера:
По справочным данным выбираем стандартный диаметр колонны, равный Dк = 3,2 м. [2] 12. Определили действительную скорость газа в абсорбере:
2.3. Определение средней движущей силы
1. Определяем парциальное давление хлористого водорода на входе в абсорбер:
2. Определили конечную мольную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на выходе из абсорбера:
3. Определили парциальное давление в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера:
4. Определили движущую силу в нижней части колонны:
5. Определили парциальное давление хлористого водорода в газе, выходящем из абсорбера:
6. Определили конечную мольную концентрацию хлористого водорода в абсорбенте на входе в абсорбер:
7. Определили парциальное давление хлористого водорода в газе, равновесном с жидкостью, поступающей в абсорбер:
8. Определили движущую силу в верхней части колонны:
9. Определили среднюю движущую силу абсорбции:
2.4. Определение коэффициента массопередачи
1. Определяем коэффициент распределения насадки:
2. Определили динамический коэффициент вязкости газовой смеси при температуре абсорбции.
где , динамические коэффициенты вязкости хлористого водорода при температурах и соответственно, [1]
- для воздуха:
Па
где , динамические коэффициенты вязкости воздуха при температурах и соответственно, [1]
- для смеси:
3. Определили критерий Рейнольдса в газовой фазе:
4. Определили коэффициент диффузии хлористого водорода при температуре и давлении абсорбции:
где коэффициент диффузии хлористого водорода в воздухе при нормальных условиях, равный 13 [1]
5. Определили критерий Прандтля в газовой фазе:
6. Определили критерий Нуссельта в газовой фазе:
7. Определили среднее парциальное давление воздуха:
8. Определили коэффициент массоотдачи со стороны газа:
9. Определяем сечение колонны:
10. Определили критерий Рейнольдса в жидкой фазе:
11. Определили коэффициент диффузии хлористого водорода в воде при температуре абсорбции:
где коэффициент диффузии хлористого водорода в воздухе при нормальных условиях, равный 1,6 [1]
12. Определили критерий Прандтля в жидкой фазе:
13. Определили критерий Галилея в жидкой фазе:
где наружный диаметр элемента выбранной насадки, равный 0,05 м.
14. Определили критерий Нуссельта в жидкой фазе:
15. Определили коэффициент массоотдачи со стороны жидкостной пленки:
16. Определили коэффициент массопередачи процесса абсорбции:
2.5. Определение высоты абсорбера
1. Определяем высоту насадки:
2. Определили высоту секции насадки [2].
Высота одной секции равняется 4-5 диаметрам колонны:
Так как высота секции насадки не должна превышать 3-4 м, то принимаем ее равной 4 м.
3. Определяем число и общую высоту перераспределительных разрывов насадки.
- число перераспределительных разрывов:
Следовательно, необходимо разделить насадку на две секции.
- общая высота перераспределительных разрывов:
где высота перераспределительного разрыва, принимаем равной 0,5 м. [2]
4. Определили общую высоту абсорбера:
где расстояние между днищем колонны и насадкой, для колон с диаметром более 2,4 м оно равняется 2,5 м; высота сепарационного пространства над насадкой, для колон с диаметром более 2,4 м оно равняется 1,4 м.
2.6.Определение гидравлического сопротивления абсорбера
1. Определяем коэффициент сухой насадки. Для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок при :
2. Определили скорость газа в свободном сечении насадки:
3. Определили гидравлическое сопротивление сухой насадки:
4. Определили плотность орошения насадки:
5. Определили гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:
где b – коэффициент, равный для беспорядочно насыпанных колец Рашига 169 [2].
6. Определили гидравлическое сопротивление абсорбера, принимая, что гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки и других вспомогательных устройств составляет 10% от сопротивления насадки:
Был произведен расчет насадочного абсорбера, и основные характеристики занесены в таблицу 1.
Таблица 1
Основные характеристики насадочного абсорбера
Расход абсорбента, |
0,95 |
Диаметр колонны, м |
3,2 |
Коэффициент массопередачи процесса, |
|
Общая высота абсорбера, м |
|
Гидравлическое сопротивление абсорбера, Па |
3. Выбор и расчет насоса
Для высасывающего и нагнетательного трубопровода принимаем одинаковую скорость течения воды, равную .
1. Определяем диаметр трубопровода:
Выбираем трубу из нержавеющей стали с наружным диаметром
и толщиной стенки . [2]
тогда внутренний диаметр трубопровода:
2. Определили фактическую скорость воды в трубопроводе:
3. Определили критерий Рейнольдса для потока воды в трубопроводе:
Следовательно, режим течения жидкости является турбулентным.
4. Определили относительную шероховатость стенок трубопровода:
5. Определили зону трения в трубопроводе:
Следовательно, в трубопроводе имеет место зона смешенного трения.
6. Определили коэффициент трения в трубах:
7. Определили коэффициенты местных сопротивлений для всасывающей линии [2]:
- вход в трубу (принимаем с острыми краями):
- прямоточный вентиль при полном открытии:
где коэффициенты местных сопротивлений при внутреннем диаметре соответственно.
Так как Re, то значение необходимо умножить на коэффициент k:
Следовательно:
Тогда:
8. Определили потерянный напор на высасывающей линии:
где длина трубопровода на линии всасывания, принимаем равной 4 м.
9. Определили сумму коэффициентов местных сопротивлений для нагнетающей линии [2]:
- колено с углом (угольник):
- внезапное расширение (входное отверстие абсорбера).
площадь сечения газохода:
Соотношение площадей сечений газохода и абсорбера:
С учетом того, что Re :
где коэффициенты местных сопротивлений при соотношения площадей соответственно.
Тогда:
где n - количество колен, приняли равным 4.
10. Определили длину трубопровода на нагнетательной линии:
где l – длина горизонтальных участков нагнетательной линии, принимаем равной 4 м; геометрическая высота подъема, принимаемая на 0,5 м больше насадочной части абсорбера и его нижней части:
11. Определили потерянный напор на нагнетательной линии:
12. Определили общие потери напора:
13. Определили напор, создаваемый насосом.
Пренебрегаем гидравлическим сопротивлениями абсорбера и теплообменников, установленных на нагнетательной линии. Тогда:
14. Определили мощность, потребляемую насосом:
где коэффициент полезного действия, приняли равным 0,6[2].
Так как то переводим расход воды в ;
В соответствии со справочными данными был выбран центробежный насос марки Xсо следующими характеристиками в оптимальных условиях работы [2]:
Таблица 2
Основные характеристики насоса X
Расход воды, м3/с |
1,25 |
Высота столба жидкости, м |
25 |
Количество оборотов, об/с |
48,3 |
КПД насоса |
|
Тип электродвигателя |
АО2-32-2 |
Потребляемая мощность, N кВт |
4 |
КПД двигателя |
0,6 |
Заключение
В соответствии с заданием проведен расчет насадочного абсорбера для отчистки воздуха от хлористого водорода. По заданной производительности, количеству воздуха поступающего в абсорбер, начальной концентрации загрязнителя в газовой смеси и в абсорбенте, и степени извлечения абсорбтива.
А также был произведен расчет насоса и в соответствии со справочными данными был выбран центробежный насос марки X.
Выбран электродвигатель АО2-32-2.
Список литературы
1. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 10-е изд., и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007 – 496 с.