Расчет и проектирование насадочного абсорбера

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

2. Технологический расчет

2.1 Определяем равновесные концентрации

2.2 Расчет материального баланса

2.3 Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

2.4 Определение высоты абсорбера

3. Конструктивный расчет

4. Гидравлический расчет

5. Механический расчет

5.1 Цилиндрические обечайки

5.2 Расчет днищ и крышек

5.3 Расчет фланцевого соединения

5.4 Выбор опоры

6. Техника безопасности

7. Заключение

8. Список литературы



1. ВВЕДЕНИЕ

Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами. Еcли при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. С этого наиболее простого случая начнем рассмотрение расчета процесса абсорбции.

Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе расчетных закономерностей для определения кинетических коэффициентов из большого числа различных, порой противоречивых, зависимостей, представленных в технической литературе. Расчеты по этим уравнениям, обычно справедливым для частных случаев, приводят зачастую к различающимся, а иногда к заведомо неверным результатам. Рекомендуемые здесь уравнения выбраны после тщательного анализа и сравнительных расчетов в широком интервале переменных, проверки адекватности расчетных данных опытом, полученным на реальных системах.

В данной главе приведены примеры расчетов насадочного и тарельчатого абсорберов по основному кинетическому уравнению массопередачи. Другие методы рассмотрены в гл. 6 на примере расчета ректификационных колонных аппаратов.



1 -- вентилятор (газодувка); 2 -- абсорбер; 3 -- брызгоотбойник; 4, 6 -- оросители; 5 -- холодильник; 7--десорбер; 8--куб абсорбера; 9, 13 -- емкости для абсорбента; 10, 12 -- насосы; 14 --теплообменник-рекуператор.

Рис.1. Принципиальная схема абсорбционной установки.

На рисунке 1 дана схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой / 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 14. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 14, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.



2. РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

2.1 Определяем равновесные концентрации хлора в воде, расчет ведем по закону Генри:

где: - давление в абсорбере, Па;

Е - константа растворимости, Па;

- равновесная концентрация хлора в воде ;

- концентрация хлора в воздухе

Для построения рабочей линии величины равновесных концентраций в жидкости достаточно рассчитать для диапазона значений концентраций в газовой фазе от нуля до величины, которая в 1,2-1,5 раз превышает начальную концентрацию абсорбтива.

Для упрощения расчетов материального баланса необходимо сделать пересчет абсолютных концентраций в относительные. Связь между относительной концентрацией и абсолютной выражается следующей формулой /1, стр. 385/:



2.2 Расчет материального баланса

2.2.1 Определение молярного расхода компонентов газовой смеси

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T0 = 273K, P0 = 1,013?105 Па) в объемный расход при условиях абсорбции (Т = 291К, Р = 1?106 Па).

где: - объемный расход при нормальных условиях, .

Для удобства дальнейших расчетов переведем объемный расход газовой смеси в молярный.

Молярный расход азота определяется по уравнению /4/:

где: - начальная концентрация хлора в газовой смеси, .

Концентрацию на выходе из абсорбера yк, ,

Величины yк, yн пересчитаем в относительные по формуле:

Для определения молярного расхода ацетилена M, который поглощается, служит следующее уравнение:

2.2.2 Определение расхода поглотителя ацетона из газовой смеси

Для определения минимального молярного расхода чистого поглотителя Lмин служит следующее уравнение:



,

где: - равновесная относительная концентрация хлора в воде на выходе из аппарата, ;

- исходная относительная концентрация хлора в воде, .

Равновесную относительную концентрацию хлора в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия рис. 2.1. Концентрация ацетона в воде при условиях абсорбции составляет:

Т.к. в реальном процессе абсорбции используется не минимальный расход поглотителя, а несколько больший (для ускорения процесса), то необходимо пересчитать минимальный расход поглотителя на рабочий расход L с учетом коэффициента избытка поглотителя:

где: - увеличение расхода по заданию.



2.2.3 Определение рабочей концентрации ацетилена в поглотителе на выходе из абсорбера

Для определения рабочей концентрации служит уравнение:

2.2.4 Построение рабочей линии абсорбции ацетилена и определение числа единиц переноса. По полученным значениям концентраций строится график (приложение 2) и определяется число единиц переноса, необходимых для осуществления процесса абсорбции

По графику методом вписывания ступенек определяется число единиц переноса. Оно равно 5.

2.3 Определение рабочей скорости газа и диаметра аппарата

Для расчета диаметра абсорбера служит следующее уравнение:

, м

wраб -рабочая скорость газовой смеси по аппарату, м/с

Предельную скорость газа, соответствующую режиму эмульгирования (считая на полное сечение колонны), можно определить по уравнению:



где: где - вязкость поглотителя при температуре в абсорбере, мПа?с;

- плотности соответственно жидкой и газообразной фаз, ;

- удельная поверхность, ;

- свободный объем, ;

L, G - расходы фаз, кг/с.

Берем по условию задачи кольца Палля стальные неупорядоченные.

Для определения плотности газа при температуре, отличной от нормальной, служит следующее уравнение:

где- плотность газа при 273К, для воздуха равна

Плотность ацетона при нормальных условиях равна , при условиях в абсорбции:

Плотность газовоздушной смеси считаем по средней концентрации хлора в аппарате:



Аналогично рассчитаем молекулярную массу газовой смеси:

Плотность жидкой смеси при температуре 293К (содержанием хлора в

воде пренебрегаем) равна , .

Переведем молярный расход газовой и жидкой смеси в массовый

где: G - массовый расход, Gмол - молярный расход, М - молярная масса.

кг/с

Для жидкой смеси:

кг/с

Из формулы определяем предельную скорость



= 0,8 м/с

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Примем рабочую скорость процесса равной 0,8 от предельной.

м/с

По рассчитанной рабочей скорости газа определяется диаметр абсорбера:

м

Рассчитанный диаметр колонного аппарата приводится к стандартизованным размерам. Ближайший стандартный диаметр колонного цельносваренного аппарата с насыпной насадкой, используемых в химической промышленности, составляет 1,8 м.

Т.к. выбранный диаметр колонного аппарата отличается от рассчитанного, то необходимо рассчитать рабочую скорость газовой смеси по аппарату:



м/с

Для насадочных аппаратов плотность орошения должна быть:

Плотность орошения:

где Vx -объемный расход жидкости через аппарат, .

Переведем массовый расход жидкости в объемный:

,

,

Условие выполняется.



2.4 Определение высоты абсорбера

Высоту насадки H, м, в аппарате обычно определяют через высоту единицы переноса и количество единиц переноса:

, м

где - высота единицы переноса по газовой фазе, м;

- количество единиц переноса.

Высоту единицы переноса можно определить через коэффициент массопередачи по газовой фазе Ky,

где S - поперечное сечение абсорбера, м2;

- коэффициент смачиваемости насадки.

где:и - коэффициент массоотдачи по газовой и жидкой фазах соответственно;

m - коэффициент распределения вещества по фазам.

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи можно рассчитать из уравнения:



,

где: диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы:

где Dy - средний коэффициент диффузии в газовой фазе, ;

dэ - эквивалентный диаметр насадки, м;

Re - критерий Рейнольдса;

Pr - критерий Прандтля.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке (dэ=0,015 м):

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы, при этом коэффициент диффузии ацетилена в азоте при температуре 25 ?С и атмосферном давлении:



Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение:

Находим коэффициент массоотдачи из уравнения

Выразим коэффициент массоотдачи в выбранной для расчета размерности:

,

где, уср - средняя концентрация ацетилена в газовой фазе;

Коэффициент массоотдачив жидкой фазе находят из обобщенного уравнения:

где диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы:

где: - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м.

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости может быть найдена из уравнения:

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости:

Рассчитаем диффузионный критерий Прандтля для жидкости, при этом коэффициент диффузии ацетона в воде при температуре абсорбции 20°С.



Подставляем полученные критерии Рейнольдса и Прандтля в уравнение:

Находим коэффициент массоотдачи из уравнения:

Выразим коэффициент массоотдачи bx в выбранной для расчета размерности по формуле:

где: cxср - средняя объемная концентрация ацетилена в воде, кг/м3;

сх - плотность воды, кг/ м?.

Линия равновесия изображена в приложении 1 коэффициент распределения вещества по фазам m = 1,68.

Коэффициент массопередачи по газовой фазе Ky вычислим по формуле:



Поперечное сечение абсорбера рассчитаем по формуле:

Коэффициент смачиваемости насадки y при орошении колонны водой можно определить из следующего эмпирического уравнения:

где A = 1,02, b = 0,16, p = 0,4 для колец внавал.

Высоту единицы переноса определяем согласно уравнению:

Высоту насадки H, м, в аппарате определяем по уравнению:

, м

Принимаем высоту насадки равной 7 м.

Во избежание значительных нагрузок, а нижние слои насадки ее укладывают в колонне ярусами.

Принимаем два слоя насадки высотой l1 = 3500мм и l2 = 3500 мм и l3 =2000 мм. Расстояние между слоями насадки l4 =1325 мм. Общую высоту абсорбционной колонны определяют, добавляя к высоте насадочной части (6 м) высоту между днищем абсорбера и насадкой (1,4 м) и высоту между крышкой аппарата (2,5 м).



3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

Для расчетов диаметров штуцеров и труб служит следующее уравнение:

где: - рекомендуемая среднерасходная скорость перемещения среды в штуцере, м/с.

Определяем диаметр основных технических штуцеров для подвода и отвода жидкой смеси (рекомендуемая скорость движения жидкости - 2 м/с):

мм

Примем штуцер с Dy = 250 мм с толщиной стенки 6 мм /2/.

Определяем диаметр основных технических штуцеров для подвода и отвода газовой смеси (рекомендуемая скорость движения газа - 15 м/с):

мм

Примем штуцер с Dy = 100 мм с толщиной стенки 4 мм /2/.



4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Определение гидравлического сопротивления сухой насадки:

Па

где- эффективный коэффициент трения;

- эквивалентный диаметр насадки.

Число Рейнольдса для движения газа в насадке:

где: - динамическая вязкость газовой смеси при рабочих условиях, Па?с.

Коэффициент сопротивления насадки

Кольца Рашига неупорядоченные

Скорость газа в свободном сечении насадки:



Гидравлическое сопротивление сухой насадки

Гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера со смоченной насадкой , Па, можно рассчитать по формуле:

Па



5. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Корпуса аппаратов чаще всего работают в условиях статистических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.

5.1 Цилиндрические обечайки

Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89

5.1.1 Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением

Толщину стенок определяют по формулам:

где:давление в аппарате,

внутренний диметр, мм

расчетное значение толщины стенки, мм

допускаемое напряжение, МПа

Перерабатываемая среда: ацетон-воздух

Для данных технологических условий предпочтительней всего использовать сталь марки Х18Н10Т - вполне стойкую в этой среде со скоростью коррозии



Прибавка на коррозию определяется по формуле

где: Срок службы аппарата

Для материалов, стойких к перерабатываемой среде или при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать .

Следуем этой рекомендации и принимаем в расчете на то, что аппарат может прослужить дольше проектного срока.

допускаемое напряжение находим [3, с. 394]

сталь Вст3 имеет

Аппарат выполнен автоматической сваркой с коэффициент прочности сварного шва :

5.2 Расчет днищ и крышек

Эллиптическая крышка рассчитываются по формуле.

где:давление в аппарате,

внутренний диметр аппарата,

расчетное значение толщины стенки, мм

допускаемое напряжение, МПа

5.3 Расчет фланцевого соединения

Фланцевые соединения применяют для разъемного соединения составных частей корпусов и крышек. На фланцах присоединяют к аппаратам трубы, арматуру

(Исполнение 1 - с гладкой уплотнительной поверхностью.)

Условное обозначение: Фланец 1-1800 - 0,6 ГОСТ 28759.2-90

Диаметр отверстия под болтовое соединение

Диаметр болта.

Материал для болта Сталь 3

Так как фланец исполнения 1 - с гладкой уплотнительной поверхностью, то для него выбирают прокладку по табл. в исполнении 1 - для фланцев с гладкой уплотнительной поверхностью по: Давлению в аппаратеВнутренний диаметр аппарата



Условное обозначение: Прокладка 1-1800 - 06 ОСТ 26 - 430 - 79

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам, в расчете не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82

1 .Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления

где

МН

2. Рассчитывают реакцию прокладки

где: Давление в аппарате

для прокладок из паронита;

эффективная ширина прокладок;

при ширине прокладки



при ширине прокладки

мм

МН

3. Определяют болтовую нагрузку при сборке. Это значение выбирают наибольшим из трёх:

где:для прокладок из паранита

МН

где: число болтов

площадь поперечного сечения болта



и допускаемое напряжение для материала болта

при 20 0С и рабочей температуре

Для Стали 3,

МН

МН

4. Проверяют прочность болтов при монтаже но условию

где:

Условие прочности при монтаже выполняется

5. Проверяют прочность болтов в период эксплуатации



Условие прочности в период эксплуатации выполняется

5.4 Выбор опоры

Для вертикальных аппаратов используют опоры- стойки [4, с. 673], которые выбираются по допускаемой нагрузке.

Определим вес аппарата:

определяем ориентировочно.

масса пустого аппарата [1, с. 56];

Задаются количеством опор. Их должно быть не менее двух, т.е

гдеколичество опор.

Выбираем стандартные опоры по условию

По этому условию подходят опоры с нагрузкой



6. ТЕХНОЛОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Сосудами, работающими под давлением, называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением.

Основная опасность при эксплуатации таких сосудов заключается в возможности их разрушения при внезапном адиабатическом расширении газов и паров (физический взрыв). При физическом взрыве энергия сжатой среды в течение малого промежутка времени реализуется в кинетическую энергию осколков разрушенного сосуда и ударную волну.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здание, технологическое оборудование, емкости вызывают разрушение, новые очаги пожара, гибель людей.

При взрывах сосудов развиваются большие мощности, приводящие к большим разрушениям. Так, мощность, выделяемая при разрыве сосуда емкостью 1 м3, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа (12 кгс/см2) при длительности разрыва 0,1 с составляет 28 МВт.

Наиболее частые причины аварий и взрывов сосудов, работающих под давлением - несоответствие конструкции максимально допустимому давлению и температуре; превышение давления сверх предельного; потеря механической прочности аппарата (коррозия, внутренние дефекты металла, местные перегревы); несоблюдение установленного режима работы.

Конструкция сосудов и аппаратов должна быть надежной, обеспечивать безопасность при эксплуатации и предусматривать возможность осмотра, очистки, промывки, продувки и ремонта сосудов. В частности, предъявляются требования к устройству и изготовлению лазов и люков, днищ сосудов, к сварным швам и их расположению и др. Электрическое оборудование и заземление должны отвечать Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

Сосуды, с внутренним диаметром более 800 мм снабжаются достаточным для их осмотра и ремонта количеством лазов, расположенных в местах, доступных для обслуживания.

Сосуды, с внутренним диаметром 800 мм и менее должны иметь в доступных местах стенок сосудов круглые или овальные люки.

Сварные швы сосудов выполняются только стыковыми. Сварные соединения в тавр допускаются для приварки плоских днищ, фланцев, трубных решеток, штуцеров. Пересечение сварных швов при ручной сварке не допускается: они должны быть смещены по отношению один к другому не менее чем на 100 мм.

Отверстия для люков располагаются вне сварных швов.

Сварные швы должны быть доступны для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации сосудов.

Контроль качества сварных соединений сосудов и их элементов должен производиться:

а) внешним осмотром и измерением;

б) ультразвуковой дефектоскопией, просвечиванием, рентгеновскими или гамма-лучами или этими методами в сочетании;

в) механическими испытаниями;

г) металлографическим исследованием;

д) гидравлическим испытанием;

е) другими методами (стилоскопированием, замерами твердости, травлением, цветной дефектоскопией и т.д.). Результаты контроля сварных соединений фиксируются в соответствующих документах (журналах, картах и др.)- Качество сварных соединений считается неудовлетворительным, если в них при любом виде контроля будут обнаружены внутренние или наружные дефекты, выходящие за пределы норм, установленных правилами, техническими условиями на изготовление изделия и инструкциями по сварке и контролю сварных соединений.

Материалы, применяемые для изготовления сосудов, должны обладать хорошей свариваемостью, а также прочностными и пластическими характеристиками, обеспечивающими надежную и долговечную работу сосудов в заданных условиях эксплуатации.

Материалы, предназначенные для изготовления или ремонта сосудов, должны иметь сертификаты, подтверждающие, что качество материала соответствует требованиям Ростехнадзора, а также специальным техническим условиям.



7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов расчета насадочного абсорбера показывает, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера. Увеличение расхода абсорбента приведет к соответствующему увеличению нагрузки на систему регенерации абсорбента, что связано с существенным повышением капитальных и энергетических затрат (возрастают расходы греющего пара и размеры теплообменной аппаратуры). Уменьшение диаметра абсорбера приведет к увеличению рабочей скорости газа, что вызовет соответствующее возрастание гидравлического сопротивления абсорберов.

Как видно из рассчитанных данных, повышение интенсивности процесса приводит к значительному уменьшению диаметра колонны при некотором возрастании высоты насадки и к существенному повышению гидравлического сопротивления.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.), которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов.



8. СПИСИК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Александров И.А. “Ректификационные и абсорбционные аппараты”, М., Химия, 1978, с. 280.

Варгафтик Н.Б. “Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей”, М., Физматгиз., 1963, с. 708.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу ПАХТ”, Л., Химия, 1987, с.576.

По проектированию, М.: Химия, 1983.-272 с., ил.

Под ред. Судакова. “Расчёт основных процессов и аппаратов нефтепереработки”, справочник, М., Химия, 1979, с. 568.

Рамм В.М. “Абсорбция газов”, М., Химия, 1976.

Ю. И. Дытнерский “Основные процессы и аппараты химической технологии”Пособие