Тарельчатый абсорбер для поглощения водой паров ацетона из смеси воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра «Оборудование и автоматизация химических производств»

Факультет - химико-технологический

Направление - 18.03.01 «Химическая технология»

Курсовая работа

По дисциплине: Процессы и аппараты химической технологии

Тема: «Тарельчатый абсорбер для поглощения водой паров ацетона из смеси воздуха»

Выполнил студент(ка) группы

Блинова Елизавета Андреевна

Проверил:

Шестаков Евгений Владимирович

Пермь 2021



Содержание

Введение

1. Технологический расчет

1.1 Определение условий равновесия процесса

1.2 Построение рабочей линии

1.3 Расчет движущей силы процесса

1.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

1.5 Расчет коэффициентов массоотдачи

1.6 Расчет числа тарелок абсорбера

1.7 Определение высоты абсорбера

2. Гидравлический расчет колонны

2.1 Толщина обечайки

2.2 Расчет днища

2.3 Расчет условного диаметра штуцеров

2.4 Расчет опорной части аппарата

Заключение



Введение

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или 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.

Абсорбционные процессы широко распространенны в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты, абсорбция паров углеводородов при переработке нефти и т.п)

На практике абсорбция чаще всего применяется для разделения смесей, состоящих из веществ, имеющих различную способность к поглощению подходящими абсорбентами.

Аппараты, в которых осуществляют эти 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

В ходе работы рассчитываем и проектируем тарельчатый абсорбер, который представляет собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. По способу слива жидкости с тарелок барботажные абсорберы можно подразделить на колонны: 1) с тарелками со сливными устройствами; 2) с тарелками без сливных устройств.

Тарельчатые колонны со сливными устройствами, в которых перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств - сливных трубок, карманов и т.п. К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные и др.

Колпачковые тарелки менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, отличаются высоким интервалом устойчивой работы. На колпачках имеются прорези, разделяющие на большое количество струй, что способствует увеличению сопркосновения фаз. Интенсивность образования брызг зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Самый распространенное устройство - капсюльный колпачок, который имеет круглую форму с диаметром 80-150 мм. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости, но к их недостаткам можно отнести сложность устройства, высокую стоимость и трудность очистки.



1. Технологический расчет

1.1 Определение условий равновесия процесса

Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя пары ацетона - воздух- вода.

, ,

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воздухе начальная.

,

Относительная массовая концентрация паров ацетона в воздухе конечная.

Равновесную концентрацию рассчитываем по закону Рауля:

,

,где - давление насыщенных паров ацетона(при T=20°C)



- давление в абсорбере.

Равновесная концентрация ацетона в воде конечная:

,

Конечную концентрацию Хк определяют из уравнения материального баланса:

,

,

1.2 Построение рабочей линии

Так как рабочая линия является прямой линией, то для ее построения необходимо знать координаты двух её точек.

	0	0,03
	1,37	0,5

Координаты для построения линии равновесия

	0	0
	2,06	0,5



Рис 1.- построение рабочей и равновесной линии и определение числа тарелок абсорбера

Пересчитаем весовую долю ацетона в мольные на входе в абсорбер:

,

Молекулярная масса исходной смеси на входе в абсорбер:

,

Плотность газовой смеси при н.у.:



,

Плотность газовой смеси при рабочих условиях:

,

Расход газа по условиям в абсорбере

,

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

,

Расход поглотителя (воды):

,

Удельный расход поглотителя:

,

1.3 Расчет движущей силы процесса

Определяем движущую силу внизу аппарата по рис.1:



,

Определяем движущую силу вверху аппарата по рис.1:

,

Средняя движущая сила определится по рис.1:

,

1.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Из расчета колпачкового тарельчатого абсорбера

Определить рабочую скорость газа можно по уравнению:

,

где - диаметр колпачка, м;

плотность жидкой фазы, кг/м3;

сг - плотность газовой фазы при средней концетрации, кг/м3;

- расстояние от верха колпачка до следующей тарелки, м;

Рассчитаем плотность газовой фазы.

Средняя мольная концентрация:



,

Плотность воздуха при рабочих условиях:

,

Плотность паров ацетона при рабочих условиях:

,

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

,

Рассчитаем плотность жидкой фазы. газ абсорбер колонна штуцер

Средняя мольная концентрация:

,

Справочная плотность воды при рабочих условиях:

,



Справочная плотность ацетона при рабочих условиях

,

Плотность ацетона при рабочих условиях

,

Средняя плотность жидкой фазы при рабочих условиях:

,

Для дальнейшего расчета зададим значения по [1]:

диаметр аппарата ,

диаметр колпачка ,

высота колпачка

Расстояние между тарелками ,

Расстояние от колпачка до тарелки

Тогда скорость газа по уравнению:

,

Диаметр аппарата будет равен:



,

Принимаем стандартный диаметр из ряда диаметров колонн

,

Принимаем диаметр аппарата:

,

Уточнение скорости газовой смеси в аппарате:

,

1.5 Расчет коэффициентов массоотдачи

Расчет коэффициентов массотдачи Яx и Яy проводится по формулам:

,

,

- свободное сечение тарелки (в долях)

U - брызгоунос

Коэффициенты молекулярной диффузии для газа и жидкости:



- учитывает ассоциацию молекул растворителя (для воды)

- мольная масса растворителя (воды)

мольные объёмы газов:

нац = 74 см3/моль

нвозд = 29,9 см3/моль

Рассчитаем по формулам:

,

,

Вязкость жидкой фазы находим по уравнению:

,

где µxa и µxa вязкость жидких ацетона и воды при температуре абсорбции

µxa = 0,321 мПа*с при 20єС

µxвод = 1,004 мПа*с при 20є С



откуда = 45,97 мПа*с

Вязкость газовой фазы рассчитывается по приближенной формуле аддитивности:

,

µв = 18,23 мкПа *с - вязкость воздуха при 20 0С

µа = 7,41 мкПа *с - вязкость паров ацетона при 20 0С

,

Рассчитаем коэффициенты массоотдачи:

,

,

Для получения выбранной размерности умножим коэффициенты массоотдачи на плотности фаз:



ву = 0,497*(су - yср* су) = 0,497*(1,526 - 0,265* 1,526) = 0,557 кг/м2с

вх = *(сх - xср* сх) = *(818,757 - 0,685*818,757) = 0,0837 кг/м2с

Следовательно, коэффициент массопередачи :

,

где - тангенс угла наклона линии равновесия

,

1.6 Расчет числа тарелок абсорбера

Число тарелок находим графическим способом

Число тарельчатых устройств 5.

Расчет числа тарелок абсорбера

Число тарелок абсорбера находим по уравнению. Суммарная площадь тарелок F равна:

,

Рабочую площадь тарелок с перетоками f определяют с учетом площади, занятым переливными устройствами:= ц*0,785*d2,

где ц - доля рабочей площади тарелки, примем ц=0,9;

Рассчитаем рабочую площадь одной тарелки по уравнению



,

Тогда требуемое число тарелок определяют делением суммарной площади тарелок F на рабочую площадь одной тарелки f:

,

принимаем 5 тарелок

1.7 Определение высоты абсорбера

Высота колонны:

Н = Нт(n-1)+Z1+Z2

Нт = 0,4 - расстояние между тарелками

Z1 = 1 м - высота сепарационного пространства;

Z2 = 2,5 м - высота кубового пространства.

Н = 0,4(6-1)+1+2,5 = 5,5 м

Тепловой баланс

Найдем температуру на выходе из абсорбера, вычисли по формуле:

,



,

Теплота поглощения ацетона: 10467,5 Дж/кг

,

,



2. Гидравлический расчет колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

ДРс = жw2сг/2Fc 2

Где ж=1,73* =2,78 м- коэффициент сопротивления тарелки с диаметром колпачка Dk=0,15 м;

Fc = 0,135 - относительное свободное сечение колонны.

ДРс = 2,78•1,33·1.33•1,526/2•0,1352 = 206,87 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ДРу = 4у/Dk = 4•0,0663/0,15 = 1,768 Па

где у = 0,0663 Н/м - поверхностное натяжение воды;

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя:

ДРсл = сж·g·h0 = 818,727•9,8•0,034 = 272,8 Па

Полное сопротивление тарелки:

ДРт = ДРс+ДРу+ДРсл = 481,45 Па.

Полное сопротивление колонны:



ДРа = 481,45 *44 = 21183,75 Па.

Расчёт потерь давления на местные сопротивления ()

,

Полное гидравлическое сопротивление абсорбера:

,

Конструктивный расчет

Так как водный раствор ацетона при температуре 20С° является коррозионным активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем сталь 12Х13 ГОСТ 5632-72, обладающую необходимыми конструкционными свойствами

2.1 Толщина обечайки

,

д = 165 МН/м2 - допускаемое напряжениe,

P = 0.101325 Мпа - давление в абсорбере,

= 0,8 - коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Поправка на коррозию рассчитывается:



- коррозионная проницаемость;

- амортизационный срок службы;

,

,

Согласно рекомендациям принимаем толщину обечайки = 22 мм.

Проверка на допустимое давление:

,

2.2 Расчет днища

= 1 - для днищ, изготовленных из цельной заготовки

.

Примем толщину стенки крышки и днища дн = 22 мм.

2.3 Расчет условного диаметра штуцеров

Условный диаметр рассчитываем исходя из объемного расхода и рекомендуемой скорости движения среды. Рекомендуемые скорости примем для газа , для жидкости .

Диаметр штуцера определяем по формуле:



.

где объёмный расход фазы.

Диаметр штуцера для входа и выхода жидкости:

.

.

Принимаем

Диаметр штуцера для входа и выхода газа:

,

,

Принимаем

Dw	D1	D0	D	b	n	d
150	202+-2	225+-0,5	260-3,2	17+2-0,5	8	18+0,52
1000	1080+-2	1120+-0,5	1175-3,6	31+2-0,5	30	30+0,52



2.4 Расчет опорной части аппарата

Плотность стали 12Х13 составляет 7720 кг/м3.

Объем корпуса

,

Объем низа и верха колонны

,

Объем тарелок

,

Объем, занимаемый водой

,

Минимальный вес аппарата

,

Вес воды



,

Максимальный вес аппарата

,

Примем высоту опоры 2000 мм.

По полученным данным выбираем ОСТ 26-467-84 для опоры

D	D1	D2	D3	S1	S2	S3	d	D болтов	Количество
4500	4300	4720	4860	10	25	25	60	36	24



Заключение

В данном курсовом проекте был произведен технологический расчет тарельчатого абсорбера для поглощения паров ацетона водой из воздушной смеси.

В результате расчета были выбраны колпачковые тарелки.

Получены следующие данные, необходимые для проектирования аппарата:

производительность колонны: G - 22,338 кг/с

полное гидравлическое сопротивление абсорбера: ?Р -

число тарелок - 6

расход абсорбента: L = 7,66 кг/с

диаметр абсорбера: d - 4,5 м

высота колонны: Н - 5,5 м

температура в аппарате - 20,

В механическом расчете выполнен расчет толщины обечайки и днища, фланцевых соединений и крышек, опоры аппарата и штуцеров согласно ГОСТ.

На основании полученных данных сделан чертеж общего вида аппарата, включающий таблицу штуцеров и технические требования.

Размещено на Allbest.ru