Абсорбционная установка непрерывного действия для поглощения аммиака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Попытки синтеза аммиака из азота и водорода предпринимались многими учеными, начиная с конца XVI вв., после того, как в 1784 г. крупнейший французский ученый К. Бертолле установил его состав (до этого считали, что в состав аммиака входит так же и кислород).

Но все эти попытки оставались безуспешными. Синтез аммиака был осуществлен лишь вначале XX в. Для этого имелись причины

во всех предшествующих работах был накоплен опыт в этой области к началу XX в. резко увеличилась потребность в азотистых веществах со стороны почти всех отраслей экономики, а особенно для производства взрывчатых веществ в связи с войнами огромную роль сыграли успехи физической химии. Особенно это относится к учению о химическом равновесии, развитию которого способствовали работы Р. Клаузиуса и А. Вильямсона, Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье.

В 1884 г. Я. Вант-Гофф установил зависимость подвижного равновесия от изменения температуры: каждое равновесие между двумя различными состояниями вещества (системами) смещается при понижении температуры в сторону той из двух систем, при образовании которой выделяется теплота. А. Ле-Шателье распространил этот принцип на изменение концентрации веществ, на изменение давления и т.д. В 1888 г. А. Ле-Шателье, изучая влияние давления на химические реакции, сформулировал ставший потом известным принцип. По этому принципу всякая физико-химическая система стремится сохранить состояние равновесия и на все процессы, действующие на нее извне, отвечает такими процессами изнутри системы, которые стремятся уничтожить это внешнее воздействие. Отныне можно было предвидеть направление любого химического процесса.

Таким образом, основываясь на закономерностях, установленных Я. Вант-Гоффом, и в особенности А. Ле-Шателье, можно было правильно определить оптимальные термодинамические условия проведения химического процесса, т.е. при каком давлении и температурах лучше всего проводить тот или иной химический процесс.

Это было очень важным для осуществления многих химических реакций в промышленности, и в первую очередь синтеза аммиака, явившимся первым промышленным процессом, на котором апробировались теоретические положения еще молодой тогда науки - физической химии.

По уравнению реакции:

N₂+3H₂==2NН₃

видно, что она проходит с резким уменьшением объема (в 2 раза). Следовательно, по принципу Ле-Шателье для проведения этого процесса необходимо высокое давление.

Далее, эта реакция экзотермична, следовательно, выход аммиака будет тем больше, чем ниже температура. Отсюда становится ясным, в каком направлении должен был вестись поиск оптимальных условий синтеза аммиака. Ф. Габер так говорил о значении i физической химии и роли А. Ле-Шателье, правда, несколько умаляя роль последнего:

«Синтез аммиака из элементов - это процесс, принадлежащий классической физической химии. Мысль об обратимости процесса диссоциации аммиака имели уже Девилль, Рамзай и Юнг. Ле-Шателье уже в 1901 г. исследовал влияние температуры и давления: положение равновесия. Неудача первых попыток синтеза, однако, побудила его оставить исследование вопроса, и относящиеся сюда соображения были им лишь изложены во французском патенте, узнал об этом лишь значительно позже того, как сам пришел к успешному окончанию моей работы.

Значение найденного решения задачи состоит в том, что при нем не приходится вступать в область очень высоких температур и что поэтому расход угля по отношению к выходу аммиака значительно меньше, чем в других способах».

Непосредственным же создателем процесса каталитического синтеза аммиака, который потом можно было осуществить в промышленности, стал Фриц Габер. Он проводил исследования сначала в Карлсруэ, а потом в Берлине и посвятил синтезу аммиака значительную часть своей жизни.

Работы Ф. Габера по синтезу аммиака начались в 1904 г. В период 1907-1909 гг. он сконструировал специальный маленький контактный аппарат, где применил повышенное давление; был подобран также осмиевый катализатор. Разработанный процесс был рекомендован для промышленного производства аммиака. Произошло это так. Руководители Баденского анилинового и содового завода еще не могли предугадать, что опыты Ф. Габера имели большое промышленное значение. 2 июля 1909 г.Ф. Габер демонстрировал свои опыты по синтезу аммиака представителям этого завода К. Бошу и А. Митташу. Но опыт сначала не удавался, и К. Бош уехал. После полудня опыты были начаты снова, и аммиак был получен. А. Митташ, единственный представитель Баденского анилинового и содового завода, решился приобрести Ф. Габеру право на патентование и рекомендовать этот процесс в производство.

Хотя работы по синтезу аммиака и были переданы в производство, но техническое осуществление этого процесса на заводе встретило еще очень много трудностей. Тем не менее, в начале 1910 г. Ф. Габер уже мог с правом сказать, что «отныне открыта дорога развитию новой индустрии».

На основе маленького контактного аппарата, применяемого Ф. Габером, К. Бош разработал оригинальный контактный аппарат для промышленных условий. Всеми работами по внедрению синтеза аммиака в промышленность руководил К. Бош. Эти работы начались в октябре 1910 г., а вначале 1911 г. производство аммиака на опытной установке стало уже регулярным. За весь 1911 год количество полученного аммиака достигло 11 000 кг. В течение 1912 г. размер контактного аппарата (или печи) постепенно вырос до 4 м в длину и вместимостью до 30 кг контактной массы (катализатора).

Поскольку в тех термодинамических условиях, при которых положение химического равновесия наиболее благоприятствует выходу аммиака, азот и водород вступают в реакцию только в присутствии катализатора, то проблема поиска лучших катализаторов для синтеза аммиака с самого начала его промышленного становления имела первостепенное значение.

Катализаторами для синтеза аммиака занималась группа сотрудников во главе с А. Митташем. Они рекомендовали железные катализаторы с добавками различных оксидов. Лучшим катализатором оказался железный катализатор с добавками оксидов алюминия и калия:

Fe + Аl₂O₃ + К₂О

Он является основой и современных катализаторов синтеза аммиака.

Одновременно с работой опытно-промышленной установки началось строительство первого в мире завода каталитического синтеза аммиака в г. Оппау. 9 сентября 1913 г. завод начал работать. К 24 октября 1913 г. ежедневная продукция завода превысила 10 т.

Уже в следующем, 1914 г., началось строительство второй очереди завода. Продукция аммиака к концу 1915 г. достигла 100 т в месяц, к середине 1916 г. - 200 от в месяц, а к концу 1917 г. - свыше 7000 от в месяц. Так произошло становление одного из самых важнейших процессов химической промышленности.

В дальнейшем в других странах также возникли свои способы? синтеза аммиака, но они принципиально не имели отличия от способа Габера-Боша. Они отличались величиной применяемого давления, особенностями аппаратуры, способами очистки азотоводородной смеси (что является очень важным), разновидностями катализаторов, но главное - высокое давление и циркуляционный характер процесса сохранились везде.

За разработку научных основ процесса синтеза аммиака и за промышленное оформление его Ф. Габеру и К. Бошу в 1918 г. была присуждена Нобелевская премия

Очень важным для успешного проведения синтеза аммиака является правильный подбор катализаторов для этой реакции. При синтезе аммиака применяются смешанные катализаторы. В нашей стране поиск смешанных катализаторов синтеза аммиака проводится под руководством С.С. Лачинова. Катализаторы, найденные им и его сотрудниками, являются одними из лучших. С 1967 г. введен стандартный катализатор следующего состава:

Очень большое значение для правильного проведения процесса синтеза аммиака в промышленности имели и имеют исследования кинетики этой реакции, т.е. определение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, или в применении к реакциям между газами от парциальных давлений реагирующих газов в газовой реакционной смеси. В России важные работы в этом направлении проводились М.И. Темкиным с сотрудниками. Еще в 1938 г. М.И. Темкиным и В.М. Пыжовым было установлено кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака, которое получило признание во всем мире.

Аммиак (NНз) является важнейшим химическим продуктом, так как он служит исходным сырьем для получения самых разнообразных азотсодержащих соединений. Источников связанного азота имеющих промышленное значение, в природе очень мало.

Наиболее крупными потребителями связанного азота (а, следовательно, и аммиака) является промышленность минеральных удобрений, азотной кислоты, промежуточных продуктов и красителей, взрывчатых и горючих веществ, химических волокон, пластических масс.

При непосредственном соединении аммиака с кислотами получают соли, например нитрат или сульфит аммония. При взаимодействии аммиака с СО₂; образуется карбамид (мочевина), который является одним из лучших азотных удобрений, благодаря высокой концентрации азота; на основе карбамида получают также разнообразные химические продукты.

Водные растворы аммиака (аммиачная вода), водно-аммиачные растворы солей и жидкий аммиак широко применяются в сельском хозяйстве для непосредственного внесения в почву в качестве жидких азотных удобрений.

Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси. [1.с. 120-124]

1. Технологическая часть

1.1 Физико-химические свойства аммиака

аммиак абсорбер баланс сопротивление

Аммиак (от греч. halsammonikos, буквально - амонова соль) так назывался нашатырь, который получали близ храма бога Амона в Египте NH₃, бесцветный газ с резким запахом. Молекула имеет форму правильной пирамиды.

Физические свойства аммиака во многом аномальны по сравнению со свойствами однотипных соединений (РН₃, SbН₃, АsН₃). Для NH₃ т. пл. -77,7 °С, т. кип. - 33,35 °С, d₄0,790 (-40 °С), 0,681 (-33,35 °С), 0,639 (0 °С), 0,580 (40 °С), т_крит 133 °С, р_крит 11,425 кПа, d_крит0,235 г./см³; ?Н°_исп 23,27 кДж/моль, ?Н°_пл5,86 кДж/моль; для газа С_р° 35,63 Дж/(моль-К), ?Н°_о6р -45,94 кДж/моль, S₂₉₈° 192,66 Дж/моль К).

Твердый аммиак бесцветные кристаллы. В жидком, аммиачные. молекулы ассоциированы вплоть до критической температуры, электролитическая диссоциация совершенно ничтожна, произведение концентраций [NH⁺₄] [NH^-₄] составляет 10 ^-22 (-33,4 °С); р 8-10⁶ Ом-см; е 25,4 (- 77 °С). Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочноземельные металлы, А1, Eu, Р, S, I, многие интерметаллиды и др. Растворы металлов в жидком аммиаке имеют металлическую проводимость, поскольку содержат ионы металла и сольватированные электроны; они являются сильнейшими восстановителями. Растворенные в аммиаке соединения с полярной ковалентной или ионной связью диссоциируют на ионы. В жидком аммиаке многие вещества способны отщеплять протон, кислотные свойства проявляют в нем даже углеводы, амиды кислот, некоторые углеводороды.

Растворимость аммиака в воде (% по массе): 42,8 (0 °С), 33,1 (20 °С), 23 4 (40 °С) 14,1 (60 °С). Плотность водных растворов (г/см³): 0,970 (8% по массе NH₃), 0,947 (16%), 0,889 (32%), 0,832 (50%), 0,733 (75%).

Для бесконечно разбавления водного раствора ?Н° растворения 133,26 кДж/моль, аммиак хорошо растворяется (но хуже, чем в воде) в спирте, ацетоне, хлороформе, бензоле и др. органических растворителях. Образует гидраты с двумя (т. пл. ок - 90 °С), одной (- 79 °С) и 0,5 (- 78,2 °С) молекулами воды.

В. системе NH₃-Н₂О установлено существование эвтектик: лед + NH₃*Н₂О (33,23% по массе NH₃, т. пл. -100,3 С), NH₃Н₂О + NH₃-0,5Н₂О (55,11% -83,3 °С), NH₃*Н₂О + NH₃ (80,05%, -92,5 °С). В водном растворе аммиак частично ионизирован на N⁺₄ и ОН, что обусловливает щелочную реакцию раствора (рК_а9,247).

Разложение аммиака на водород и азот становится заметным выше 1200-1300 °С, в присутствии катализаторов-выше 400 °С аммиак весьма реакционно способен. Для него типичны реакции присоединения, в частности протона при взаимодействии с кислотами. В результате образуются соли аммония, которые по многим свойствам подобны солям щелочных металлов.

Аммиачное основание Льюиса, присоединяет не только Н ⁺, но и другие акцепторы электронов, например ВF₃ с образованием ВF₃ NH₃. Дает амины при взаимодействии с солями. Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с жидким и газообразным аммиаком, давая амиды. При нагревании в атмосфере аммиака многие металлы и неметаллы (Zn, Си, Ре, Сг, В, Si и др.) образуют нитриды. Жидкий аммиак взаимодействует с серой по реакции:

10S + 4 NH₃ >6Н₂S + N₄S₄.

Около 1000 °С А. реагирует с углем, образуя НСN и частично разлагаясь на N₂ и Н₂. Большое практическое значение имеет реакция АММИАКА с СО₂, ведущая к образованию карбамата аммония NH₂СОО NH₄, который при 160-200 °Си давлении до 40 МПа распадается на воду и мочевину. Водород в аммиаке может быть замещен галогенами. Аммиак горит в атмосфере О₂, образуя воду и N₂. Каталитическим окислением аммиак получают NO-промежуточный продукт, в производстве NH₃. Каталитическое окисление аммиака в смеси с СН₄ дает НСN. Такие сильные окислители, как Н₂О₂, К₂Сг₂О₇ и КМnО₄, окисляют аммиак в водных растворах. Газообразный аммиак окисляется Вr и С1₂ до N₂. [3.с. 276]

1.2 Теоретические основы абсорбционного процесса

Абсорбцией называют процесс поглощения растворимого компонента газовой смеси жидким поглотителем. Абсорбцию применяют в промышленности для получения готового продукта (производство кислот), разделения газовых смесей (получение бензола из коксового газа), улавливания вредных (Н₂S, СО, влага) и ценных (рекуперация спиртов и др.) компонентов.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую, (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи.

На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а непоглощаемые составные части - инертным газом.

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, будем называть растворителем.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента, соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую.

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т.е. равновесие междужидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т.е. скорость процесса массообмена, определяется движущей силой процесса (т.е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т.д.). При этом возможно осуществление непрерывного или ступенчатого контакта. В абсорберах с непрерывным контактом характер движения фаз не меняется по длине аппарата и изменение движущей силы происходит непрерывно. Абсорберы со ступенчатым контактом состоят из нескольких ступеней, последовательно соединенных по газу и жидкости, причем при переходе из ступени в ступень происходит скачкообразное изменение движений силы.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента, и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с цельюсанитарной очистки газов, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. При этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Условия, благоприятные для десорбции, противоположны условиям, способствующим абсорбции. Для осуществления десорбции над раствором должно быть заметное давление компонента, чтобы он мог выделяться в газовую фазу. Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:

1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SО₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НСl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д. При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.

2. Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать, возможно, большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п.

3. Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется, прежде всего, с целью удаленияпримесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от Н₂О, очистка азотно-водородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО, сушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т.д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от СО₂; очистка от С1₂газа после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.п.).

В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию.

4. Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента.

1.3 Устройство насадочного абсорбера

Насадочные абсорберы. Одним из наиболее распространенных абсорберов поверхностного типа является насадочный колонный аппарат. Он отличается простотой устройства и пригодностью к работе с агрессивными средами. Его применение допустимо как в тех случаях, когда массообмен контролируется диффузионным сопротивлением жидкой фазы, так и тогда, когда решающим является сопротивление газовой фазы.

Насадочные абсорберы изготавливают из различных материалов даже из таких, которые не применяются для других конструкций (например, керамика, графит, стекло). Предназначенные для работы с сильными кислотами стальные аппараты футеруют фасонным кислотоупорным кирпичом на кислотоупорном растворе в два или три слоя. Между слоями прокладывают эластичный материал - например, битум. Кислотные абсорберы больших размеров строят непосредственно из кислотоупорных материалов, используя вместо кожуха, стягивающие металлические бандажи. Решетка, поддерживающая насадку, выполняется из кирпича и опирается на столбики каменной кладки. Абсорберы диаметром <1,5 м могут собираться из керамических царг, соединяемых в раструб и муфтами с соответствующим уплотнением. В таких аппаратах используются керамические плиты с отверстиями для равномерного распределения газа или жидкости. Следует учитывать, однако, что керамика неустойчива к быстрым и значительным колебаниям температуры.

В насадочных абсорберах применяется различного типа насадка (размерами от 12 до 150 мм) из различных материалов. В промышленных условиях редко используют насадку размером < 15 мм. Наибольшее распространение получили кольца Рашига (рис. 1). Кольца с крестообразными перегородками и кольца со спиралями изготовляют только больших размеров (?75 мм). Насадочные тела должны быть механически прочными и устойчивыми к коррозии и к колебаниям температуры. Кольца размером >75 мм укладываются регулярно (один слой на другой) так, чтобы их вертикальные оси не совпадали.

Рис. 1 Типы насадок:

Кольца: а-Рашига; б - Лессинга; в-с крестообразными перегородками; г- с одиночной спиралью; д - с двойной спиралью; - Палля: седлообразная насадка; - Берля; з - «Инталокс»

Правильно уложенные кольца хорошо распределяют жидкость и оказывают меньшее гидравлическое сопротивление. Укладку следует начинать от стенки, следя за тем, чтобы кольца плотно прилегали к ней. Диаметр колец для укладки следует выбирать не более ¹/₆ диаметра аппарата.

В насадке абсорбера всегда остается какое-то количество жидкости, частично заменяемое непрерывно поступающим потоком. Это количество жидкости, отнесенное к единице объема слоя насадки, называется удерживающей способностью (или задержкой) И₃(в м³/м³).

Деревянная решетчатая (хордовая) насадка из гладких или зубчатых реек позволяет использовать более высокие скорости газа и получить более высокие коэффициенты массопередачи. Ее применяют тогда, когда надо обработать большие количества газа сравнительно малым количеством жидкости.

Деревянная насадка устойчива к действию очень слабых щелочей и кислот при температурах<80 °С. При ее использовании нужны сложные оросительные устройства для равномерного распределения жидкости по сечению насадки.

Кусковая насадка изготовляется из кусков кварца или кокса (размером 25-60 мм). Обычно подбирают насадку таким образом, чтобы диаметр наименьших кусков был примерно в v2 раз меньше наибольших кусков. Кусковая насадка не рекомендуется, когда нежелательно загрязнение системы осадком. Гидравлическое сопротивление кусковой насадки больше, чем деревянной решетчатой или колец. Кусковая насадка отличается низкой стоимостью и химической стойкостью.

Схема насадочного абсорбера приведена на рис 2.



Рис. 2 Насадочный абсорбер.

1-корпус; 2-решетка; 3-насадка; 4 брызгалка; 5-направляющий конус.

Насадка может заполнять объем аппарата полностью или слоями высотой 1,5-3 м. Во избежание растекания жидкости к стенкам кожуха после каждого слоя (кроме нижнего) устанавливают распределительный конус, корректирующий равномерность распределения жидкости в насадке.

Сравнение удельной поверхности и доли колец Рашига ь с номинальным размером 25 мм.

Орошение насадки организуют с помощью различных устройств. Наиболее простым из них является брызгалка (рис. 3, а), которая применяется при больших количествах абсорбента. Отверстия для разбрызгивания имеют различный размер (от 3 мм и выше). Например, при абсорбции СО₂ из газов под давлением отверстия в брызгалках делают диаметром 10-12 мм во избежание их закупоривания. На аппарат диаметром до 2 м можно устанавливать одно такое устройство, помещенное по оси абсорбера. Брызгалки не пригодны в тех случаях, когда количество орошающей жидкости во время процесса изменяется в больших пределах, так как при значительном уменьшении количества жидкости орошаемая площадь существенно сокращается.

Применяют также открытые сита (рис. 3, б), представляющие собой дырчатые металлические листы, на которых слой жидкости удерживается за счет гидростатического давления.

Такое устройство позволяет изменять количество орошающей жидкости в очень широких пределах. При подаче большого количества жидкости ее уровень поднимается до тех пор, пока не наступит равновесие между количествами поступающей жидкости и жидкости, стекающей через отверстия. Высота краев должна быть такой, чтобы при заданномV_макс жидкость не переливалась через край, а при V_мин сито было бы еще покрыто некоторым слоем жидкости. Между кожухом и краем сита должно быть предусмотрено сечение, достаточное для прохода газа. Такие сита пригодны для аппаратов небольших диаметров.

Изменять расход жидкости можно с помощью оросителя, изображенного на рис. (3, в).

Рис. 10. В. Оросительные устройства: а - брызгалка; открытое сито; распределительная тарелка с трубками

Вместо дырчатого листа берется тарелка с короткими косо срезанными трубками одинаковой, высоты. Жидкость переливается по стенкам трубок, а газ проходит через свободное сечение трубок. Такие оросители достигают диаметра 3 м. Для больших диаметров рекомендуют дисковые разбрызгиватели, форсунки, перфорированные трубы и т.д. [6.с. 333-336]

1.4 Техника безопасности

Обеспечение безопасности является одним из основных условий организации труда. Жизнь и здоровье каждого работника цеха во многом зависит от его дисциплинированности, собранности, внимательности и вдумчивости во всех своих поступках и действиях, знания и точного выполнения правил безопасности, применения безопасных приемов при выполнении любых видов работ.

На работу в цехе принимаются лица не моложе 18 лет, предварительно прошедшие медицинское освидетельствование и оформленные приказом по заводу.

Каждый рабочий должен выполнять только ту работу, которая ему поручена и по которой он получил инструктаж по охране труда. Допуск работников к работе без соответствующего обучения и инструктажа.

2. Расчетная часть

Исходные данные:

1) Количество газовой смеси поступающей на установку: V=40000 м³/час=11,1 м³/с;

2) Температура газовой смеси; t=400 °С;

3) Начальная объемная концентрация аммиака в газовой фазе: y_н=10%;

4) Степень извлечения е=95%;

5) Начальная массовая концентрация аммиака в воде: ?=0,25%;

6) Степень насыщения аммиаком з=0,75;

7) Начальная t° воды поступающей в абсорбер t=14 °С;

8) Начальная t° охлаждающей воды t=14 °С.

2.1 Материальный баланс

Количество аммиака переходящего из газовой смеси в поглотитель-воду определяется из уравнения материального баланса.

Начальные относительные массовые составы в газовой и жидкой фаз определяют по формулам:

= =0,065 кг/кг воздуха.

Таблица 1. Результаты расчета

	0,003	0,005	0,01	0,02	0,04	0,05	0,06
	0,003	0,005	0,01	0,02	0,0385	0,476	0,057
	0,0032	0,0053	0,01	0,02	0,0406	0,05	0,06
t=15Ч	14	15	18	22,9	32,8	37,7	42,6
Ш=мм. рт. ст.	455	479	504	704	1142	1435	1790
р*=шх, мм. рт. ст.	1,46	2,54	5,04	14,08	46,4	71,8	107,4
	0,0011	0,002	0,004	0,011	0,038	0,06	0,097

При парциальном давлении NH₃в поступающем газе р_н=1,013Ч10⁵Ч0,10=0,101Ч10⁵ Па=10,1 кПа равновесная концентрация NH₃ в жидкости, вытекающей из абсорбера

Н₀=;

0,071

Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку из колонны синтеза, перед подачей в колонну охлаждается в холодильнике до t°=20 °С. В этом случае объем газовой смеси, поступающей в абсорбер равен

Vr===4.83 м³/с

Количество аммиака поступающего в колонну

=4.83Ч0.1Ч0.717=0.346 кг/с

где 0,717 - плотность аммиака при 20° С.

Количество воздуха поступающего в колонну

G (возд.)=4,83Ч0,9Ч1,2=5,22 кг/с

где 1,2 - плотность воздуха при 20° С.

Плотность газа поступающего на абсорбцию

P_r==1.15 кг/м³

Количество поглощенного аммиака

=0.346Ч0.95=0.329 кг/с

Расход воды в абсорбер:

L==7 кг/с

2.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 50Ч50Ч5 мм.

Характеристика насадки: удельная поверхность 110 м²/м³; свободный объем 0,735 м³/м³; эквивалентный диаметр 0,027 м.

Предельная скорость газа:

^0,25Ч(^0,125

=-0.776; =2,27

Рабочая скорость газа в колонне:

щ_p=2,27Ч0.8=1,82 м/с

Диаметр колонны:

D==1,7 м

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны D= 1,8 м

Плотность орошения колонны:

U==9,9 м³/(м²?ч)

Оптимальная плотность орошения:

U_опт=0,158Ч110=17,38м³/(м²?ч)

Так как U/U_опт=9,9/17,38=0,57 поверхность насадки смочена не полностью. Для увеличения U и снижения U_опт выбираем насадку другого типа (с меньшим свободным объемом и меньшей удельной поверхностью). Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 80Ч80Ч8 мм со следующей характеристикой: удельная поверхность 80 м²/м³; свободный объем 0,72 м³/м³; эквивалентный диаметр 0,036 м; масса 1 м³-670 кг.

Для этой насадки скорость газа при захлебывании будет равна:

=-0,776; =2,6 м/с

Рабочая скорость газа в колонне:

щ_p=2,6Ч0.8=2,08 м/с

Диаметр колонны:

D== 1,73 м

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера D =1,8 м.

При данном диаметре плотность орошения U=9,9 м³/(м²?ч)

Оптимальная плотность орошения:

U опт=0,158Ч80=12,64м³/(м²?ч)

Отношение U/Uопт=9,9/12,64=0,78. незначительно меньше 1, однако поверхность насадки полностью смочена не будет.

2.3 Определение высоты насадочной колонны

Высота насадочной колонны определяется по уравнению:

H=H_н+h₁+h₂+h₃

Принимаем расстояние от слоя насадки до крышки абсорбера h₁=1,2 м, расстояние от насадки до днища абсорбера 2,7 м.

=0,0032

Коэффициент массопередачи определяется по формуле:

1/К_y=1/в_y+m/в_x

Для определения коэффициентов массоотдачи необходимо рассчитать ряд величин.

Мольная масса газовой фазы:

М_r=0,1Ч17+0,9Ч29=27,8 кг/кмоль,

где 17 и 29 - мольная масса соответственно аммиака и воздуха, кг \кмоль.

Вязкость газовой фазы:

Па?с

 и - динамический коэффициент вязкости соответственно аммиака и воздуха при t=20 °С, Па?с.

Коэффициент диффузии NH₃ в воздухе при t =20 °С определяется по уравнению:

D_r=0.198ЧЧ(0.1/0,1)Ч[(273+20)/273]^3/2=0,22Чм²/с

Здесь 0,198Чм/с - коэффициент диффузии NH₃ в воздухе при 0 °С и 0,1 МПа. [7.с. 260]

Критерий Рейнольдса:

Re_r==6295,

т.е. режим движения газа - турбулентный.

Критерий Прандля:

Pr_r==0.67.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок определяется по формуле:

в_г=0,167 ()^-0,47Ч6295^0,74Ч0,67^0,33Ч=0,037 м/с.

Выразимв_г в выбранной для расчета размерности:

в_г=0,037 Чp_r=0.037Ч1.15=0.043 кг/(м²?с).

Для определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе рассчитываем следующие величины:

1) Приведенная толщина стекающей пленки жидкости д_пр:

д_пр=[]^0,33=0,47Ч м;

2) Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости:

Re_ж==203,5;

3) Диффузионный критерий Прандля для жидкости:

Pr_ж==546,

где -коэффициент диффузии аммиака в воде.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе в_ж находим по уравнению:

в_ж=0,0021ЧЧ=1,15Чм/с.

Выразим в_жв выбранной для расчета размерности:

в_ж=1,15Чp_ж=1,15ЧЧ1000=0,115 кг\(м²?с)

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе К_y по уравнению:

F==3463.м²

Высоту насадки, требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи:

Н==17,04 м

Число единиц переноса находим графическим методом, вписывая ступеньки.

Для определения высоты единицы переноса определяем:

1) Высоту единицы переноса для газовой фазы:

h₁=Ч6295^0,25Ч0,67^0,67=0,499 м,

Где, а=8,13-коэффициент, зависящий от вида насадки; ш=1-коэффициент смачиваемости насадки;

2) Высоту единицы переноса для жидкой фазы:

h₂=119Ч0.47ЧЧЧ=0.494 м.

3) Средний наклон линии равновесия определяем как наклон хорды, проведенной через точки M и N, ограничивающие рабочий участок линии равновесия:

R===1.25 м

Высота единиц переноса:

h=0,499+Ч0,494=1,09 м.

Высота насадки:

Н=4Ч1,09=4,36 м.

С запасом 25% принимаем:

Н=1,25Ч4,36=5,45 м.

Принимаем высоту насадки Н=17,04, как большую величину, полученную двумя способами.

2.4 Расчет гидравлического сопротивления насадки.

Критерий Рейнольдса для газа Re_r=6295. Так как Re_r>40, коэффициент сопротивления сухой насадки определяем по формуле:

л=16/6295^0,2=2,78.

Сопротивление сухой насадки:

?p_сух=2,78Ч=5414 Па.

При плотности орошения 8,66/3600=0,0024 м³/(м²?с) гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ?р_орравно:

?р_ор=10^169Ч0,0024Ч5414=13914 Па.

Давление развиваемое газодувкой:

Р_изб.=13914Ч1,05=14610 Па,

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.

Вывод

В данном курсовой проекте спроектирована абсорбционная установка непрерывного действия для поглощения аммиака из его смеси с воздухом, используя в качестве поглотителя воду.

В ходе проектирования выполнен материальный баланс, в котором произведены расчеты массовых расходов основных материальных потоков (газовой смеси, поглотителя).

В ходе расчета теплового баланса, определено, что в ходе процесса абсорбции происходит незначительное выделение тепла, следовательно, нет необходимости предусматривать отвод тепла.

В конструктивном расчете определены габариты аппарата (высота, диаметр колонны). Определено гидравлическое сопротивление насадки.

Список используемой литературы

1 Брянкин К.В, Утробин Н.П., Орехов В.С., Дьячкова Т.П.-Тамбов: Издательство Тамб. тех. ин-та, 2006. - ч 2-172 с.

2 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. Л: Химия, 1991. - 351 с., ил.

3 Кнуян И.Л., Зефиров Н.С., Кулов Н.Н. Химическая энциклопедия в 5 т-том 1. Издательство «Советская энциклопедия», 1988.

4 Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты в химической технологии 5-е изд. Пер. и доп. М: Химия 1968.817 с.

5 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ 10-е изд. Пер. и доп. Л: Химия, 1987.576 с.

6 Романков П.Г., Курочкина М.И., Музжерий Ю.Я. Процессы и аппараты химической промышленности. Учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1989-560 с. ил.

7 Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник Изд. 2-е, исп. И доп. 392 с. 1978.

Размещено на Allbest.ru