X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

АННОТАЦИЯ

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 V_св, 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 D_к = 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.

Код для цитирования: Скопировать