Расчет тарельчатого абсорбера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет тарельчатого абсорбера

Реферат

Целью данного проекта является полный расчет абсорбционной установки тарельчатого типа, предназначенной для улавливания аммиака из коксового газа.

Расчет включает в себя следующие этапы:

· Определение массы поглощаемого вещества и расход поглотителя

· Расчет движущей силы

· Расчет коэффициента массопередачи и диаметра абсорбера

· Расчет высоты насадки абсорбера

· Расчет высоты абсорбера

· Расчет гидравлического сопротивления.

абсорбер аммиак тарельчатый поглотитель

Введение

Ректификационные и абсорбционные колонны являются основными аппаратами химической промышленности. Значительный рост потребления её продуктов, расширение ассортимента, ужесточение требований к их качеству вызывают необходимость создавать более совершенные колонны, обладающие большей эффективностью и производительностью. Отсюда же - необходимость качественного, всестороннего расчёта и правильного проектирования аппарата.

Расчёт абсорбционных колонн проводится с целью выбора оптимального режима работы и определения основных размеров аппарата. Полный расчёт включает термодинамический, технологический, гидравлический и механический расчёты, но в данной работе рассматривается именно технологическая часть, поскольку она входит в специальность разработчика.

Помимо общепринятых теоретических методов расчёта и справочных данных, в работе так же использованы опытные результаты. Колонна спроектирована в качестве типового промышленного аппарата, предназначенного для работы в стандартных условиях.

При расчёте использовались литературные данные из пособия «Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию» под ред. Ю.И. Дытнерского.

1. Общая часть

1.1 Основные условные обозначения

a - удельная поверхность, ;

D - коэффициент диффузии, ;

d - диаметр, м;

F - поверхность массопередачи, ;

G - расход инертного газа, кг/с;

g - ускорение свободного падения, м/;

H, h - высота, м;

K - коэффициент массопередачи;

L - расход поглотителся, кг/с;

M - масса вещества, передаваемого через поверхность массопередачи в единицу времени, кг/с;

- мольная масса бензола, кг/кмоль;

m - коэффициент распределения;

P - давление, Мпа;

Т - температура, К;

U - плотность орошения, /(•с);

w - скорость газа, м/с;

x - концентрация жидкости;

y - концентрация газа;

? - средняя движущая сила абсорбции по жидкой фазе, кг/кг;

? - средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, кг/кг;

В - коэффициент массоотдачи;

? - свободный объем, /;

? - коэффициент трения;

µ - вязкость, Па•с;

? - коэффициент сопротивления;

с - плотность, кг/;

у - поверхностное натяжение, Н/м;

Ш - коэффициент смачиваемости;

Re - критерий Рейнольдса;

Fr - критерий Фруда;

Гс - критерий гидравлического сопротивления;

Nu? - диффузионный критерий Нуссельта;

Pr? - диффузионный критерий Прандтля.

Индексы:

к - конечный параметр;

н - начальный параметр;

x - жидкая фаза;

y - газовая фаза;

ср - средняя величина;

0 - при нормальных условиях;

В-вода;

1.2 Устройство тарельчатых абсорберов

Тарельчатые абсорберы обычно представляют собой вертикальные цилиндры - колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещаются горизонтальные перегородки - тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействии жидкости и газа.

Таким образом, процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется в основном в газожидкостных системах, создаваемых на тарелках, поэтому в таких аппаратах процесс проходит ступенчато, и тарельчатые колонны в отличие от насадочных, в которых массоперенос происходит непрерывно, относят к группе ступенчатых аппаратов.

На каждой тарелке, в зависимости от её конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекресный ток или полное перемешивание жидкости.

По способу слива жидкости с тарелки абсорберы этого типа подразделяют на на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости).

1.3 Пленочные абсорберы

В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

Пленочные абсорберы. Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Трубчатый абсорбер (рис. 1) сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку 1, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленки. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.



Рис. 1 - Трубчатый абсорбер

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рис. 2). Этот аппарат представляет собой колонну с листовой насадкой 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы и др.) или туго натянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон.

Рис. 2 - Абсорбер с плоскопараллельной насадкой



Рис. 3 - Абсорбер с восходящим движением жидкой пленки

Абсорбер с восходящим движением пленки (рис. 3) состоит из труб 1, закрепленных в трубных решетках 2. Газ из камеры 3 проходит через патрубки 4, расположенные соосно с трубами 1. Абсорбент поступает в трубы через щели 5. Движущийся с достаточно большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения (снизу вверх), т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. На выходе из труб 1 жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент. Для увеличения степени извлечения применяют абсорберы такого типа, состоящие из двух или более ступеней, каждая из которых работает по принципу прямотока, в то время как в аппарате в целом газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. В аппаратах с восходящим движением пленки вследствие больших скоростей газового потока (до 30-40 м/сек) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико.

Механические пленочные абсорберы можно разбить на две группы, в аппаратах первой группы механическое воздействие (вращение) используется для создания и поддержания пленки жидкости, к этой группе относится дископленочный абсорбер (рис. 5, а), в горизонтальном цилиндре 1 поддерживается некоторый уровень жидкости, внутри цилиндра вращается горизонтальный вал 3 с закрепленными па нем перфорированными дисками 4. поверхность дисков, выступающая над зеркалом жидкости, покрыта жидкой пленкой; на поверхности этой пленки и происходит абсорбция, окружная скорость вращения дисков 0,2-0,3 м/с. коэффициенты массопередачи примерно те же, что и для насад очных абсорберов.

Рис. 4 - Механические пленочные абсорберы

Несколько иная конструкция механического пленочного абсорбера показана на рис. 5,6. абсорбер разделен перегородками 2 на несколько секций, в каждой секции на валу 3 закреплен сплошной диск 4, к которому прикреплены два пакета кольцевых дисков 5. благодаря такому устройству газ движется зигзагообразно.

Аппараты первой группы не обладают существенными достоинствами, а наличие вращающихся частей усложняет конструкцию вызывает дополнительный расход энергии, поэтому эти аппараты не получили распространения.

Большой интерес представляют аппараты второй группы, в которых вращение ротора используется для перемешивания фаз, что ведет к интенсификации массообмена. Это так называемые роторные пленочные колонны, применяющиеся при ректификации термических нестойких веществ. Очевидно, возможно использование этих аппаратов и для абсорбции. К этой группе относится несколько типов аппаратов, рассматриваемых ниже.

Колонны с гладким ротором. В простейшем виде такая колонна состоит из двух вертикальных соосных цилиндров, причем внутренний (ротор) вращается, а внешний неподвижен. Газ поднимается по кольцевому зазору между цилиндрами и, закручиваемый ротором, контактирует с пленкой жидкости, стекающей по внутренней стенке неподвижного цилиндра. В такой колонне интенсифицируется массоотдача в газовой фазе, однако при малых зазорах и больших окружных скоростях ротора наблюдается интенсификация массоотдачи и в жидкой фазе.

Для больших нагрузок применяют аппараты иной конструкции, в которых пленка образуется на поверхности вращающегося ротора под действием центробежной силы. Такие аппараты могут иметь горизонтальный или вертикальный ротор.

На рис. 5, а изображен горизонтальный ротационный аппарат со спирально свернутым ротором, а на рис. 5,6 аппарат с цилиндрическим ротором. Направление движения газа показано штриховыми линиями, направление течения жидкости - сплошными. Подвод жидкости и отвод газа осуществляются через полый вал. Скорость газа в таких аппаратах при противоточном движении фаз может достигать 30 м/с и более без наступления захлебывания. Испытания по ректификации различных смесей в аппаратах обоих типов показали большую эффективность аппарата с цилиндрическим ротором.

Рис. 5 - Ротационные пленочные абсорберы с гладким ротором

2. Расчет абсорбера

2.1 Определение массы поглощаемого вещества и расход поглотителя

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

F=M/(K_x ДX_cp)=M/(K_y ДY_cp), (1)

где K_x и K_y - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²*с).

2.2 Масса поглощенного вещества и расход поглотителя

Массу бензола, переходящую в процессе абсорбции из коксового газа в поглотитель за единицу времени, находим из уравнения материального баланса:

M= G(Y_H-Y_K)=L(X_K-X_H), (2)

где G и L - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части воздуха, кг/с; X_H, X_K - начальная и конечная концентрации бензола в поглотительном масле,

Y_H и Y_K - начальная и конечная концентрации бензола в коксовом газе.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности:

Y_H = у_н/(с_0у-у_н); Х_Н = х_н/(100-х_н); (3)

где с_0у - средняя плотность воздуха при нормальных условиях.

Получим:

Y_H = 30•/(0,44-30•)=0,0732 кгБ/кгГ;

Y_K = 4•/(0,44-)=0,0092 кгБ/кгГ

X_H = 0.

Расход поглотительного масла L принимают в 1,5 раз больше минимального L_min. В этом случае конечную концентрацию X_K определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (Рис. 1.1 и 1.2).

M = L_min(X_ун^*-X_н) = 1.5 L_min(X_K-X_H), (4)

Рисунок 3.1 Зависимость содержания бензола в газе и масле



Рисунок 3.2 Схема распределения в газовом и жидкостном потоках абсорбера

Отсюда

X_K = (X_ун^*-0,5*X_н)/1,5 = (0,16+0,5*0)/1,5=0,11 кгА/кгВ.

где X_ун^* - концентрация бенола в жидкости, равновесная с газом начального состава.

Расход инертной части газа:

G = V₀(1-y_об) (с_0y-y_н), (5)

где y_об - объемная доля бензола в газе.

G =1,5 (1-0,083) (0,44-0,0732)=0,51 кг/с.

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

M= G(Y_H-Y_K)= 0,51 (0,0732-0,0092)= 0,07 кг/с.

Расход поглотителя равен:

L= M/ (X_K-X_H) = 0,07/0,11 =0,64 кг/с.

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя составит:

l=L/G = 0,64/0,51 = 1,26 кг/кг.

2.3 Движущая сила массопередачи

Для случая линейной зависимости между составами фаз, принимаемая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определяющих движущую силу в единицах концентрации газовой фазы:

ДY_cр = (Ду_б-Ду_м)/[ln(Ду_б/Ду_м)], (7)

где Ду_б и Ду_м - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и выходе из него.

В данном примере:

Ду_б = Y_H - Y^*_xк; Ду_м = Y_К - Y^*_xн,

где Y^*_xн и Y^*_xк - концентрации бензола в коксовом газе, равновесные с концентрациями в масле соответственно на входе в абсорбер и выходе из него:

Ду_б =58*10^-3*0,0625/(29*10^-3) = 0,125 кгА/кгВ;

Ду_м =58*10^-3*0,004/(29*10^-3) = 0,008 кгА/кгВ;

ДY_cр =(0,125-0,008) *ln (0,125/0,008) =0,043 кгА/кгВ.

2.4 Коэффициент массопердачи

Коэффициент массопередачи К_у находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений.

К_у = 1/(1/в_у+m/в_х) (8)

где в_у и в_х - коэффициенты массопередачи соответственно в жидкой и газовой фазах, m - коэффициент распределения.

Выберем насадку - деревянную хордовую, размером 10х100 мм с шагом в свету 20 мм. Удельная поверхность насадки а = 65 м²/м³; свободный объем е = 0,68 м³/м³; эквивалентный диаметр d_э = 0,042 м, насыпная плотность с = 145 кг/м³.

2.5 Расчет коэффициентов массотдачи

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи в_у можно найти из уравнения:

Nu _y = 0.407 Re_y^0.665 Pr_y^0.39, (13)

Коэффициент диффузии бензола в газе можно рассчитать по уравнению:

D_y= 0,78*10^-5 м²/с.

Re_у=(0,45*0,015*1,42)/(0,74*17,3*10^-6)=749.

Pr_у=(17,3*10^-6)/(1,42*0,78*10^-5)=1,56.

Подставив полученные значения:

Nu _y = 38,45.

в_у = (Nu _y D_y)/d_э (15)

в_у = 0,024 кг/(м²*с)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе в_х находим из уравнений:

Nu _y = 0.407 Re_y^0,75 Pr_y^0.5, (16)

Nu _y = в_хS_пр/ D_х (17)

Re_у=(4*2,33*10^-4*998)/(200*10^-3)=4,65.

Pr_у=(10^-3)/(998*695*10^-9⁹)=1,55.

D_х=695*10^-9 м²/с.

Подставив полученные значения:

в_х = 0,41 *10^-6 м/с или 0,41*10^-3 кг/(м²*с).

К_у =8.7*10^-4 кг/(м²*с).

2.6 Поверхность массопередачи и высота колонны

Поверхность массопередчи находим из уравнения (1):

F=0,069/(8,7*10^-4*0,043)=18440 м².

Высоту насадки, необходимую для создания данной поверхности:

H = F/(0.785a d² ц_a) (18)

Подставив, получим:

H =114 м.

Выбираем систему из 3-х последовательно соединенных скрубберов, в каждом из которых высота насадки составляет 38 м.

Принимаем число решеток в ярусе 25, а расстояние между ярусами 0,3 м, определим высоту насадочной части колонны:

H_н =Н+0,3 (Н/(0,25*l) - 1)=42 м.

Общая высота колонны Н_а = 46,9 м.

2.7 Гидравлическое сопротивление абсорберов

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер.

ДР=ДР_с*10^вU, (19)

где ДР_с - гидравлическое сопротивление сухой насадки.

ДР_с = л*Н/d_э*щ²/2, (20)

Подставив, получим:

ДР_с =1114 Па.

ДР=1230 Па.

3. Механические расчеты

3.1 Общие сведения

Используемая сталь марки 15Х5 М-У.

Допустимое напряжение для выбранного материала приближенно можно определить по формуле:

[у]=з*у = 140*1=140 МПа,

где у - нормальное допускаемое напряжение, з - коэффициент.

Значение модуля продольной упругости: Е=2,15*10^-5 МПа.

Коэффициент прочности сварных швов: ц=1.0.

3.2 Расчет толщины обечаек

Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитываем по формуле:

s?pD/((y)ц-p)+c

s?0.119*2.6/(2*140*1-0.119)+0=0.0011 м.

Для труб и обечаек с D?200 мм должно соблюдаться условие:

(s-c)/D?0,1

(0,011-0)/2600=0,0000423?0,1 верно.

3.3 Расчет толщины днища

Толщину эллиптического ил полусферического днища определяют по формуле:

s?pR/(2ц[у] - 0.5p) +c

где R - радиус кривизны в вершине днища; R=D (H - высота днища без учета цилиндрической отбортовки).

R=2,6 м =D.

Тогда толщина днища:

s?0,119*2600/(2*1*140-0,5*0,119) +0 = 15 мм.

4. Основные результаты расчетов

Основные характеристики, размеры и прочие параметры насадочной абсорбционной колонны представлены в таблице 1.

Таблица 1. Полученные данные. Технические характеристики абсорбционной колонны

Параметр	Обозначение	Величина	Единицы измерения
Плотность орошения	U	7,24*10-3	м3/(м2*с)
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе	вx	0.024	кг/(м2*с)
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе	вy	0.41*10-3	кг/(м2*с)
Коэффициент массопередачи в газовой фазе	Ky	8.7*10-4	кг/(м2*с)
Поверхность массопередачи	F	18440	м2
Диаметр колонны	d	3.8	м
Высота колонны	H	46.9	м
Гидравлическое сопротивление	ДP	1230	Па

Заключение

В данном курсовом проекте в достаточном для курсовой работы объёме выполнен проектный расчет абсорбционной колонны для улавливания бензола из коксового газа с начальной концентрацией бензола 0,15% масс. Для обеспечения данного процесса предложено использовать абсорбционную колонну высотой 46,9 м, диаметром 3,8 м, насадка - хордовая деревянная.

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты в химической технологии: Пособие по курсовому проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. - Химия, 1996. -496 с.

2. Методические указания для выполнения курсовых проектов и выпускных квалификационных работ по направлению «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». / Под ред. Проф. Ю.Я. Филоненко. -2004 Липецк

Размещено на Allbest.ru