Абсорбция аммиака

7

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

(РОСОБРАЗОВАНИЕ)

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Институт «Образовательные технологии»

Кафедра «Технологии и инженерные средства защиты окружающей среды»

Дисциплина «Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему «Абсорбция аммиака»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПГТА 2.280202.08.ПЗ

Выполнил: студент группы 03ЭК Горбунов С.С.

Руководитель: Таранцев К.В.

Работа защищена с оценкой __________________

Пенза 2007

Утверждаю

Зав. каф. ТИСЗОС Таранцева К.Р.

«___»__________________

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине «Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов»

Студенту Горбунову С.С. группа 03ЭК

Тема проекта: «Абсорбция аммиака»

Спроектировать изотермический насадочный абсорбер и схему абсорбционной установки для поглощения аммиака водой.

Расход газо-воздушной смеси на входе V_с = 1,32 м³/сек (при 0єС и атмосферном давлении); температура 40єС; давление 0,3 МПа. Содержание аммиака в поступающем газе =40 об.%; температура воды, поступающей на абсорбцию t=20 єС. Требуемая степень извлечения аммиака из газа 99,5% при получении аммиачной воды состава х_к=10 вес.%. Расход поглотителя L=0,1 кмоль/с. Насадка - керамические кольца Рашига 35*35*4 мм (в навал). Расчет абсорбера провести по основному уравнению массопередачи.

Руководитель: Таранцев К.В.

Задание получил: «___»__________________ 2007 г.

Студент: Горбунов С.С.

Содержание

Введение

1. Технологическая схема установки

2. Технологический расчет абсорбера

2.1 Определение количества ингредиентов отбросных газов, составление материального баланса, определение начальных и конечных концентраций загрязнителей в обеих фазах, расхода поглотителя

2.2 Построение графиков равновесной и рабочей линии процесса

2.3 Определение движущей силы массопередачи

2.4 Определение рабочей скорости газового потока

2.5 Определение плотности орошения

2.6 Определение коэффициента диффузии

2.7 Определение коэффициента массопередачи

2.8 Определение поверхности массопередачи

2.9 Определение высоты насадки

2.10 Определение гидравлического сопротивления абсорбера

Заключение

Список литературы

Введение

Абсорбция -- поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или--реже--твердыми телами. Жидкость или твердое тело, поглощающие газ или растворенное вещество, называется абсорбентами. При абсорбции поглощение веществ происходит во всем объеме поглотителя. Поглощение вещества может быть осложнено химическим взаимодействием поглощаемого вещества с поглотителем.

Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем (поглотителем или абсорбентом). Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом. Поглощаемое вещество в объеме поглотителя - абсорбат. Абсорбат удерживается в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции.

Технически наиболее важным видом абсорбции является поглощение газов жидкостями. К абсорбции относятся также извлечение растворенных в данной жидкости веществ другой жидкостью, не смешивающейся с растворителем, например в случае воды -- бензолом или эфиром (экстракция). Абсорбция газов металлами (напр., водорода палладием), особенно при повышенных температуpах, с образованием твердых растворов или отчасти химических соединений называется окклюзией.

Абсорбцию применяют в промышленности с целью: разделения газовых смесей с помощью селективных поглотителей (выделение компонентов из раствора и получение его в чистом виде путем десорбции, после чего поглотитель повторно используют, напр. для абсорбции бутадиена в производстве синтетического каучука, бензола в коксохимическом производстве и др.); очистки газов от вредных примесей (H₂S, SO₂, СO₂, СО и др.); получения готового продукта (например серной кислоты посредством абсорбции SО₃, соляной кислоты -- абсорбция газообразного HCl). Большое значение имеет извлечение углеводородных газов (природных и искусственных) из их смесей (например, газового бензина), а также выделение индивидуальных углеводородов (от пропана до изопентана). В этом случае в качестве абсорбентов применяют стабильные вещества с малым мол. весом, низкой вязкостью и малой летучестью (керосин, газойль, вазелиновое, соляровое и веретенное масла).

Классификация

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем). По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие или распылительные (брызгальные).

По способу организации массообмена абсорбционные устройства принято делить на аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. К устройствам с непрерывным контактом можно отнести насадочные колонны, распылительные аппараты (полые скрубберы, скрубберы Вентури, ротоклоны и др.), однополочные барботажные и пенные устройства, а к устройствам со ступенчатым контактом - тарельчатые колонны, многополочные барботажные и пенные устройства.

Для абсорбции газовых загрязнителей чаще всего применяются насадочные и тарельчатые колонные аппараты.

Насадочные абсорберы.

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой -твердыми телами различной формы.

К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность f (м²/м³) и свободный объем (м³/м³). Еще одной характеристикой насадки является ее свободное сечение S (м²/м²). Принимают, что свободное сечение насадки равно по величине ее свободному объему, т. е. S =. Максимальную поверхность контакта на единицу объема образуют седлообразные насадки «Инталокс». Они имеют и минимальное гидравлическое сопротивление, но стоимость их выше, чем кольцевых насадок. Из кольцевых насадок наилучший контакт создают кольца Палля. В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига, имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется и пределах 15...150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50*50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - peгулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Хордовую насадку обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок [1, c. 8].

В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку с помощью распределителя и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам [6, c. 326].

Эффективность массопередачи в насадочных колоннах значительно зависит от равномерности распределения потоков контактирующих фаз, соотношения их скоростей и условий орошения элементов насадки.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат. При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата. Наличие опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата. Для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, для того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насадкой делают достаточно большим.

Начальная равномерность распределения абсорбента достигается посредством ее диспергированной подачи на поверхность насадки через распылительные форсунки или распределительные тарелки с большим числом отверстий. При дальнейшем передвижении жидкости ее контактирование с газовой фазой ухудшается из-за оттока к стенкам колонны. Поэтому высоту насадки делят на несколько слоев (прусов), устанавливая между ними перераспределительные устройства в виде тарелок.

Недостаточное орошение элементов насадки ведет к недоиспользованию поверхности ее контакта. Значительный избыток жидкости может вызвать частичное затопление насадки, что также ведет к ухудшению контакта фаз на поверхности насадочных элементов. Ориентировочно минимальную плотность орошения с м³/ч на 1 м² поверхности насадки, можно принять как 0,12 f_v , где f_v -удельная поверхность насадки, м²/м³, а максимальную плотность орошения - в 4…6 раз выше минимальной.

Соотношение расходов жидкости и газа, поступающих в колонну, должно соответствовать оптимальному гидравлическому режиму работы насадочного слоя. При низких расходах газа наблюдается пленочное стекание жидкости. С увеличением подачи газа наступает момент, когда часть жидкости начинает задерживаться и скапливаться в слое насадки, а его гидравлическое сопротивление быстро растет. Такой режим называют началом (точкой) подписания (или торможения). Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к запиранию потока жидкости и ее эмульгированию. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной). Соответствующий режим называют началом (точкой) захлебывания. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн вследствие увеличения контакта фаз, но это повышение эффективности насадочной колонны сопровождается резким увеличением ее гидравлического сопротивления.

Скорость захлебывания снижается с увеличением отношения расхода Жидкости к расходу газа, насыпной плотности насадки и с уменьшением размера насадочных элементов, а также зависит от типа насадки.

Насадочные абсорберы должны работать с максимально возможными остями газового потока, при которых насадка не захлебывается. Обычно эта скорость превышает половину скорости захлебывания. Для колец Рашига ее можно принимать до 60…80 %, для седлообразных насадок - до 60…85 % от скорости захлебывания.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается.

Диаметр колонны с крупной насадкой будет ниже, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с абсорбером, заполненным насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка.

Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку [1, c. 10-14].

1. Технологическая схема установки

Рассмотрим схему абсорбционной установки на примере разделения смеси бензола с каменноугольным маслом. Она приведена на рис. 1.1.

7

Рисунок 1.1 - Технологическая схема абсорбционной установки на примере разделения смеси бензола с каменноугольным маслом

Исходная парогазовая смесь по линии 29 подается в холодильник смешения, в верхнюю часть которого по линии 1 подается вода. В результате контакта парогазовой смеси и воды смесь охлаждается до температуры окружающей среды и подается в нижнюю часть абсорбера А.

Абсорбция - массообменный процесс очистки газа или парогазовой смеси, при котором происходит поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или--реже--твердыми телами.

Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем (абсорбентом). Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, т.е. поглощаемый компонент, называют абсорбтивом. Поглощаемое вещество в объеме поглотителя - абсорбат. Абсорбат удерживается в абсорбенте, равномерно распределяясь среди его молекул, вследствие растворения или химической реакции.

В рассматриваемом случае абсорбент - каменноугольное масло, которое подается по линии 38 в верхнюю часть абсорбера. Каменноугольное масло стекает по насадке сверху вниз, навстречу ему парогазовая смесь по линии 29. В результате их контакта бензол поглощается каменноугольным маслом, происходит процесс абсорбции, а очищенная газовая смесь выходит из верхней части аппарата в технологическую схему. Но при этом масло насыщалось бензолом и его необходимо регенерировать, регенерация осуществляется ректификацией. Для проведения процесса загрязненное каменноугольное масло по линии 36 насосом Н1 подается в конденсатор К, где нагревается парами бензола, идущими из ректификационной колонны КР. Масло подогревается в подогревателе П1 за счет тепла кубового остатка ректификационной колонны.

Из подогревателя по линии 36 масло поступает в подогреватель П2, здесь оно доводится до кипения за счет тепла пара, подаваемого по линии 2. Нагретое до температуры кипения масло поступает в верхнюю часть ректификационной колонны КР, где происходит процесс ректификации, т.е. разделение жидкой однокомпонентной смеси, в результате противоточного взаимодействия пара с жидкостью пар обогащается легколетучими, низкокипящими, а жидкость высококипящими компонентами. В нашем случае высококипящий компонент - бензол, легколетучий и низкокипящий - чистое каменноугольное масло. Процесс идет в тарельчатой колонне, и в результате противоточного взаимодействия в верхней части колонны оказываются практически чистые пары бензола, а в нижней части - практически чистое каменноугольное масло. Пары бензола по линии 37 подаются в конденсатор К, где отдают тепло загрязненному маслу, далее бензол сконденсированный в конденсаторе

К охлаждается водой, подаваемой по линии 1 в холодильнике Х до температуры окружающей среды и поступает в емкость Е2, откуда насосом Н4 перекачивается на склад. Очищенное масло из кубовой части колонны по линии 38 насосом Н3 подается в подогреватель П1, здесь оно отдает тепло загрязненному маслу и далее по линии 38 поступает в холодильник орошения ХО. Трубы ХО орошаются оборотной водой. В холодильнике орошения масло охлаждается до температуры окружающей среды и подается в емкость Е1, являющейся буферной емкостью, из которой насосом Н2 очищенное масло по линии 38 подается в верхнюю часть абсорбционной колонны. Теплая оборотная вода из холодильника орошения по линии 1т насосом Н6 подается в верхнюю часть градирни Г, где она разбрызгивается в большой высоты в бетонную башню. В процессе движения сверху вниз она охлаждается и при температуре, равной температуре окружающей среды насосом Н5 возвращается в холодильник орошения ХО. На схеме имеются линии 28 для отвода конденсата, где через конденсационный поршень выводится конденсат из подогревателя П2 и кубовой части ректификационной колонны КР. Конденсатоотводчики препятствуют отводу по линии 28 технологического пара, они пропускают только конденсат.

2. Технологический расчет абсорбера

Целью расчета насадочных абсорберов является определение диаметра (сечения) аппарата; определение высоты насадки (а также нахождение высоты аппарата); определение гидравлического сопротивления аппарата.

2.1 Определение количества ингредиентов отбросных газов, составление материального баланса, определение начальных и конечных концентраций загрязнителей в обеих фазах, расхода поглотителя

Определяем расход газа при абсолютном давлении р_абс = 1,6 МПа и температуре t = 0 ⁰С по формуле [4,c. 123]:

(2.1.1)

где - давление при нормальных условиях, Па (= 101332,115 Па);

- расход газа при нормальных условиях, м³/с;

- температура при нормальных условиях, К (= 273 К);

- абсолютное давление, Па;

- температура, при которой происходит поглощение СО₂ из газа, К.

Подставляя данные в формулу (2.1.1) получим:

м³/с

Определяем плотность поступающего газа при абсолютном давлении р_абс = 0,3 МПа и температуре t = 40 ⁰С по формуле [3,c. 311]:

(2.1.2)

где - вязкость газа, Па•с;

- абсолютное давление, кг/м³ (=0,3 МПа=30581,0398 кг/м³);

- давление при нормальных условиях, Па (= 10333 кг/м³).

Подставляя данные в формулу (2.1.2) получим:

кг/м³

Определяем количество поступающего газа на входе в абсорбер по формуле [1,c. 25]:

(2.1.3)

Подставляя данные в формулу (2.1.3) получим:

кг/с

Определяем относительную массовую концентрацию NH₃ в поступающем газе на входе в абсорбер по формуле [1,c. 135]:

(2.1.4)

где - мольная масса NH₃, кг/кмоль;

- содержание NH₃ в воздушной смеси, об. %.

Подставляя данные в формулу (2.1.4) получим:

кг/кг

Определяем относительную массовую концентрацию NH₃ в отходящем газе на выходе из абсорбера по формуле [2,c. 207]:

(2.1.5)

где - степень извлечения NH₃ из газа, %.

Подставляя данные в формулу (2.1.5) получим:

кг/кг

Определяем относительную мольную концентрацию NH₃ в отходящем газе на выходе из абсорбера по формуле [1,c. 135]:

(2.1.6)

Подставляя данные в формулу (2.1.6) получим:

кмоль/кмоль

Определяем относительную мольную концентрацию NH₃ в газе на входе в абсорбера по формуле [1,c. 135]:

(2.1.7)

Подставляя данные в формулу (2.1.7) получим:

кмоль/кмоль

Так как поступающая вода на абсорбцию чистая, то относительная массовая и мольная концентрации на входе в абсорбер соответственно равны:

= 0 кг/кг = 0 кмоль/кмоль.

Определяем относительную мольную концентрацию NH₃ в отходящей воде на выходе из абсорбера по формуле [1,c. 135]:

(2.1.8)

где - конечная мольная концентрация NH₃ в поглотителе, вес.%.

Подставляя данные в формулу (2.1.8) получим:

кмоль/кмоль

Определяем относительную массовую концентрацию NH₃ в отходящей воде на выходе из абсорбера по формуле [1,c. 135]:

(2.1.9)

Подставляя данные в формулу (2.1.9) получим:

кг/кг

Определяем содержание NH₃ в поступающем газе на входе в насадочный абсорбер по формуле [1,c. 55]:

(2.1.10)

Подставляя данные в формулу (2.1.10), учитывая что

кг/м³ получим:

кг/с

Определяем плотность газовоздушной смеси на входе в абсорбер:

(2.1.11)

Подставляя данные в формулу (2.1.11) получим:

кг/м³

Определяем плотность газов на выходе из абсорбера:

(2.1.12)

Подставляя данные в формулу (2.1.12) получим:

кг/м³

Определим объемный расход воздуха:

(2.1.13)

Подставляя данные в формулу (2.1.13), учитывая, что кг/с и кг/с, получим:

м³/с

Определяем объемный расход газов на выходе по формуле:

 (2.1.14)

Подставляя данные в формулу (2.1.14) получим:

м³/с

Определяем массовый расход газов на выходе из абсорбера по формуле:

(2.1.15)

Подставляя данные в формулу (2.1.15) получим:

кг/с

Определяем массовый расход аммиака на выходе по формуле:

(2.1.16)

Подставляя данные в формулу (2.1.16) получим:

кг/с

Производительность абсорбера по аммиаку вычислим по формуле [1,c.55]:

(2.1.17)

Подставляя данные в формулу (2.1.17) получим:

кг/с

Поток массы улавливаемого аммиака в киломолях вычислим по формуле [1,c.55]:

(2.1.18)

Подставляя данные в формулу (2.1.18) получим:

кмоль/с

Определяем расход поглотителя воды по формуле:

(2.1.19)

Подставляя данные в формулу (2.1.19) получим:

кг/с

2.2 Построение графиков равновесной и рабочей линии процесса

В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которая при равновесии системы называется равновесной.

Очевидно, что любой концентрации X соответствует равновесная концентрация Y* и, наоборот, любой концентрации Y соответствует равновесная концентрация X*, т. е.

X = f(Y*); Y = f(X*).

В состоянии равновесия, при условии постоянства температуры и общего давления, зависимость между концентрациями распределяемого в газовой и жидкой фазах компонента будет однозначной. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре парциальное давление растворенного газа пропорционально его молярной доле в растворе или растворимость газа в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью.

Определяем коэффициент распределения, выраженный в мольных долях по формуле [1,c. 56]:

(2.2.1)

где Е - коэффициент Генри, МПа•кмоль/кмоль (Е = 0,0016•10⁶ мм.рт.ст.= =0,213 МПа);

р - абсолютное давление МПа.

Подставляя данные в формулу (2.2.1) получим:

кмоль/кмоль

Определяем максимально возможную конечную равновесную концентрацию , кмоль/кмоль аммиака в воде, покидающей насадочный абсорбер. Она равновесна концентрации , кмоль/кмоль по формуле [1,c. 56]:

 (2.2.2)

Подставляя данные в формулу (2.2.2) получим:

кмоль/кмоль

Выразим максимально возможную конечную равновесную концентрацию , кмоль/кмоль аммиака в воде, покидающей насадочный абсорбер в относительных массовых единицах по формуле [1,c. 57]:

(2.2.3)

Подставляя данные в формулу (2.2.3) получим:

кг/кг

Определяем коэффициент распределения, выраженный в массовых долях по формуле [1,c. 57]:

(2.2.4)

Подставляя данные в формулу (2.2.4) получим:

кг/кг

Определяем по линиям равновесия равновесные концентрации аммиака в отбросных газах соответствующие количеству аммиака в удаляемой воде по формулам [1,c. 58]:

(2.2.5)

(2.2.6)

Подставляя данные в формулы (2.2.5),(2.2.6) получим:

кг/кг

кмоль/кмоль

По найденным данным строим рабочую и равновесную линии в относительных массовых (рис. 2.2.1) и относительных мольных (рис. 2.2.2) координатах.

Рисунок 2.2.1 - Рабочая и равновесная линии в относительных мольных координатах.



Рисунок 2.2.2 - Рабочая и равновесная линии в относительных массовых координатах.

2.3 Определение движущей силы массопередачи

Движущие силы подсчитывают по концентрациям загрязнителей в газовой и жидкой фазах на входе в абсорбер и выходе из него как разность между действительной концентрацией загрязнителя в рассматриваемой фазе и равновесной с контактирующей фазой (последнюю находят по линии равновесия или по конкретному уравнению линии равновесия).

Большее значение движущей силы в относительных массовых долях определяем по формуле [1,c. 58]:

(2.3.1)

Подставляя данные в формулу (2.3.1) получим:

 кг/кг

Меньшее значение движущей силы находим по конечным концентрациям по формуле [1,c. 59]:

(2.3.2)

Подставляя данные в формулу (2.3.3) получим:

кг/кг

Среднюю движущую силу массопередачи в относительных массовых долях определяем по формуле [1,c. 59]:

(2.3.3)

Подставляя данные в формулу (2.3.3) получим:

кг/кг

Большее значение движущей силы в относительных мольных долях:

(2.3.4)

Подставляя данные в формулу (2.3.4) получим:

кмоль/кмоль

Меньшее значение движущей силы находим по конечным концентрациям по формуле [1,c. 59]:

(2.3.5)

Подставляя данные в формулу (2.3.5) получим:

кмоль/кмоль

Среднюю движущую силу массопередачи в относительных мольных долях определяем по формуле [1,c. 59]:

(2.3.6)

Подставляя данные в формулу (2.3.6) получим:

кмоль/кмоль

2.4 Определение рабочей скорости газового потока

Рабочую скорость газа принимают в зависимости от технических, эксплуатационных, экономических и других факторов. Обычно она превышает половину скорости начала захлебывания слоя насадки.

Скорость газа при захлебывании вычисляем по формуле [1,c. 16]:

(2.4.1)

где - скорость газового потока при захлебывании, м/с;

- удельная поверхность насадки, м²/м³;

- плотность газа, кг/м³;

- плотность жидкости, кг/м³;

- свободный объем насадки, м³/м³;

- скорость свободного падения, м²/с;

- вязкость жидкости, мПа•с;

- вязкость газа при рабочих условиях, мПа•с;

- расход газа, кг/с;

- расход жидкости, кг/с;

- коэффициенты, принимаемые в зависимости от типа насадки.

В качестве насадки выбираем кольца Рашига размером 35*35*4, размещенные в навал. Характеристики насадки:

=140 м²/м³, =0,78 м³/м³, =0,022 м.

Характеристики поглотителя (воды):

= 998 кг/м³ ,= 1•10^-6 Па•с.

Коэффициенты: А= - 0,073, В=1,75 [1, c. 138].

Подставляя данные в формулу (2.4.1), получим:

Отсюда скорость захлебывания насадки = 0,838 м/с.

Определяем расчетную скорость газа в аппарате по формуле [1,c. 16]:

(2.4.2)

Подставляя данные в формулу (2.4.2) получим:

м/с

Определяем диаметр абсорбера по формуле [1,c. 26]:

, м (2.4.3)

Подставляя данные в формулу (2.4.3) получим:

м

Принимаем диаметр равный 1200 мм.

Определяем площадь поперечного сечения абсорбера по формуле [1,c. 26]:

(2.4.4)

Подставляя данные в формулу (2.4.4) получим:

м²

Уточняем рабочую скорость газа при выбранном диаметре абсорбера по формуле [1,c. 26]:

(2.4.5)

Подставляя данные в формулу (2.4.5) получим:

м/с

2.5 Определение плотности орошения

Под плотностью орошения понимают объемный расход поглощаемой жидкости, приходящийся на единицу площади сечения колонного абсорбера.

Определяем плотностью орошения по формуле [1,c. 27]:

(2.5.1)

Подставляя данные в формулу (2.5.1) получим:

м³/(м²•с)

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью, а часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи. Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения выше, которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения определяем по формуле [1,c. 27]:

(2.5.2)

где - эффективная линейная плотность орошения. Принимаем равной 2,2•10^-5 для колец Рашига размером 35*35*4 мм.

Подставляя данные в формулу (2.5.2) получим:

м³/(м²•с)

Так как <,то принимаем = и пересчитываем расход жидкости в колонне.

Определяем расход жидкости в колонне по формуле:

(2.5.3)

Подставляя данные в формулу (2.5.1) получим:

кг/с

Определяем относительную массовую концентрацию аммиака в воде из уравнения материального баланса [2,c. 208]. Следовательно:

(2.5.4)

Подставляя данные в формулу (2.5.4) получим:

кг/кг

Определяем относительную мольную концентрацию NH₃ в отходящей воде на выходе из абсорбера по формуле:

(2.5.5)

Подставляя данные в формулу (2.5.5) получим:

кмоль/кмоль

Определяем по линиям равновесия равновесные концентрации аммиака в отбросных газах соответствующие количеству аммиака в удаляемой воде по формулам [1,c. 58]:

(2.5.6)

(2.5.7)

Подставляя данные в формулы (2.5.6),(2.5.7) получим:

кг/кг

кмоль/кмоль

Большее значение движущей силы в относительных массовых долях определяем по формуле [1,c. 58]:

(2.5.8)

Подставляя данные в формулу (2.5.8) получим:

кг/кг

Среднюю движущую силу массопередачи в относительных массовых долях определяем по формуле [1,c. 59]:

(2.5.9)

Подставляя данные в формулу (2.5.9) получим:

кг/кг

Большее значение движущей силы в относительных мольных долях определяем по формуле [1,c. 59]:

(2.5.10)

Подставляя данные в формулу (2.5.10) получим:

кмоль/кмоль

Меньшее значение движущей силы находим по конечным концентрациям по формуле [1,c. 59]:

Среднюю движущую силу массопередачи в относительных мольных долях определяем по формуле [1,c. 59]:

(2.5.11)

Подставляя данные в формулу (2.5.11) получим:

кмоль/кмоль

2.6 Определение коэффициента диффузии

Находим по таблице (приложение 7) коэффициенты диффузии двуокиси углерода в газовой и жидкой фазе при температуре 20єС и пересчитываем их значения для рабочей температуры по формулам:

(2.6.1)

(2.6.2)

Т.к. температура жидкости 20єС, то:

м²/с

Подставляя данные в формулу (2.6.1) получим:

м²/с

Вычисляем критерий Рейнольдса в насадке Re_Г и диффузионный критерий Прандтля Pr_Г для газовой фазы по формулам:

(2.6.3)

(2.6.4)

Подставляя данные в формулы (2.6.3) и (2.6.4) получим:

Находим Nu_Г для абсорберов с неупорядоченной насадкой по формуле:

(2.6.5)

Подставляя данные в формулу (2.6.5) получим:

Вычисляем коэффициент массоотдачи по газовой фазе

(2.6.6)

Подставляя данные в формулу (2.6.6) получим:

м/с

Критерий Рейнольдса в насадке Re_Ж и диффузионный критерий Прандтля Pr_Ж по жидкой фазе определим по формулам:

(2.6.7)

(2.6.8)

Подставляя данные в формулы (2.6.7) и (2.6.8) получим:

«Приведенную» толщину пленки жидкости определим по формуле:

(2.6.9)

Подставляя данные в формулу (2.6.9) получим:

м.

Определяем величину Nu_Ж по формуле:

(2.6.10)

Подставляя данные в формулу (2.6.10) получим:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определим по формуле:

(2.6.11)

Подставляя данные в формулу (2.6.11) получим:

м/с.

Определим средние массовые концентрации загрязнителя в газовой С_у и жидкой С_х фазах по формулам:

(2.6.12)

(2.6.13)

Подставляя данные в формулу (2.6.12), учитывая что

и получим:

кг/м³

Подставляя данные в формулу (2.6.13), учитывая что и

получим:

 кг/м³

Представим в_У и в_Х в киломолях NH₃, отнесенных к единичным движущим силам в соответствующих фазах, выраженным в относительных мольных долях (приложение 9) по формулам:

(2.6.14)

(2.6.15)

Подставляя данные в формулы (2.6.14) и (2.6.15) получим:

кмольNH₃/[м²·с(кмольNH₃/кмоль воздуха)];

кмоль NH₃/[м²·с (кмоль NH₃/кмоль Н₂О)].

Представим в_У и в_Х в киломолях NH₃, отнесенных к единичной движущей силе, выраженной в относительных массовых долях:

(2.6.16)

(2.6.17)

Подставляя данные в формулы (2.6.14) и (2.6.15) получим:

кмоль NH₃/[м²·с (кг NH₃/кг воздуха)];

кмольNH₃/[м²·с (кг NH₃/кг Н₂О)].

Представим в_У и в_Х в килограммах NH₃, отнесенных к единичной движущей силе, выраженной в относительных массовых долях:

(2.6.18)

(2.6.19)

Подставляя данные в формулы (2.6.18) и (2.6.19) получим:

кг NH₃/[м²·с (кг NH₃/кг воздуха)];

кг NH₃/[м²·с (кг NH₃/кг Н₂О)].

2.7 Определение коэффициента массопередачи

Вычислим значения коэффициента массопередачи в мольных и массовых единицах:

(2.7.1)

(2.7.2)

Подставляя данные в формулы (2.7.1) и (2.7.2) получим:

кмоль NH₃/[м²·с (кмоль NH₃/кмоль воздуха)];

кг NH₃/[м²·с (кг NH₃/кг воздуха)].

2.8 Определение поверхности массопередачи

По формуле материального баланса находим требуемую поверхность массопередачи, используя величины потока массы загрязнителя W для NH₃ и средней движущей силы ДY_ср в соответствующих единицах измерения по формулам:

(2.8.1)

(2.8.2)

Подставляя данные в формулы (2.8.1) и (2.8.2) получим:

м²,

м².

2.9 Определение высоты насадки

Определим высоту насадки по формуле:

(2.9.1)

Подставляя данные в формулу (2.9.1) получим:

м.

Принимаем насадочную часть высотой H = 0,87 м.

Массу насадки определим по формуле:

(2.9.2)

Подставляя данные в формулу (2.9.2) получим:

кг.

Приняв расстояния от насадочной части до днища и крышки абсорбера по 3 м, получим общую высоту абсорбционной колонны H_a = 6,87 м.

2.10 Определение гидравлического сопротивления абсорбера

Определяем коэффициент гидравлического сопротивления сухой насадки для хаотического (одинакового по всем направлениям) распределения пустот по формуле:

 (2.10.1)

Подставляя данные в формулу (2.10.1) получим:

Вычислим величину гидравлического сопротивления сухой насадки по формуле:

(2.10.2)

Подставляя данные в формулу (2.10.2) получим:

Па.

Определяем гидравлическое сопротивление орошаемой (мокрой) насадки по формуле:

(2.10.3)

Подставляя данные в формулу (2.10.3) получим:

Па.

где с = 175 для насадок керамических колец Рашига 35*35*4 в навал.

Заключение

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна.

В настоящее время используются различные методы улавливания и обезвреживания паро- и газообразных веществ. На практике применяются следующие способы очистки газа: абсорбционный, адсорбционный, каталитический, термический и др.

Абсорбция - наиболее распространенный процесс очистки газовых смесей во многих отраслях, в том числе и в химической промышленности. Абсорбция - массообменный процесс очистки газа или парогазовой смеси, при котором происходит поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или--реже--твердыми телами.

Для улавливания аммиака мы выбрали насадочный абсорбер, т.к. насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. В них обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств. В результате расчетов были получены следующие данные: расстояние между днищем абсорбера и насадкой - 3 м., расстояние от верха насадки до крышки абсорбера - 3 м., общая высота абсорбера - 6,87 м., форма днища и крышки коническая. Согласно приложению 6 [1, c. 138] был выбран диаметр насадочного абсорбера - 1200 мм. В качестве насадки предложены керамические кольца Рашига 35*35*4 мм навалом. Насадка, засыпанная таким образом (нерегулярная) требует менее сложных устройств оросителей, нежели регулярная. Проектирование насадочного абсорбера для улавливания аммиака выполнено на уровне технического предложения.

Список литературы

1. Бахаровский Г.Я. Краткая химическая энциклопедия. - М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1961. - 1262с.

2. Белевецкий А.М. Проектирование газоочистных сооружений. - М.: Химия, 1990. - 288с.

3. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов: Учебное пособие по проектированию. - Пенза: Изд-во Пензенского технологического института, 2003. - 163с.

4. Родионов А.И. и др. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов. - М.: Химия, 1985. - 352с.

5. Таранцева К.Р. Инженерные методы защиты атмосферы: Учеб. Пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2005.

6. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: в 3Т. - Т2. - 2-е издание. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2002. - 996 с.

7. Тимонин А.С. Основы расчета и конструирования химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: в 3Т. - Т1. - 2-е издание. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2003. - 917с.