Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разделения жидких и газовых смесей играют важную роль во многих отраслях промышленности. Для осуществления процессов разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или более жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло-и массообменом между жидкой и паровой фазами. Как следует из теории массообменных процессов, при контакте неравновесных поровой и жидкой фаз, в результате которого протекают процессы массо- и теплообмена, система достигает состояния равновесия. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Такой контакт называют идеальным, теоретическим.

Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта паровая фаза обогатится НКК, а жидкость - ВКК, если жидкость, вступающая в контакт с парами, будет содержать больше НКК, чем жидкость, равновесная с этими парами. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающей в контакт жидкостей была бы ниже температуры паров. После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия.

Производя многократное контактирование неравновесность потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более богаты НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом. Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату осуществляется в специальных аппаратах - в ректификационных колоннах, заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками и т.п.

Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения осуществляемой путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паров и жидкостей.



1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Массу диоксида серы , переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находим из уравнения материального баланса:

,

где - расходы чистого поглотителя и инертного газа, кг/с;

- начальная и конечная концентрация сернистого газа в воде,

- начальная и конечная концентрация сернистого газа в газе, .

Начальные относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяются по формулам

,

где - начальная объемная концентрация вещества в газовой смеси.

Концентрация сернистого газа на выходе из абсорбера:

,

где - степень извлечения.

.

2. ?????? ??????????? ? ??????? ????????????

1. Задаваясь рядом значений , по формуле

где с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

- температура жидкости на входе в абсорбер;

Ф - дифференциальная теплота растворения, Дж/кг;

Дж/(кг·К); кДж/кмоль[1]

2. Рассчитаем для каждой температуры величину :

3. Пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х:

4. Выполняем пересчет концентраций в мольные доли. По формулам

и ,



(где Р - общее давление смеси газов) определяются значения равновесного парциального давления и равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе.

Остальные расчеты выполнены в MS EXCEL и сведены в таблицу 1.

Таблица 1:

Х	t	X	ф	Р	У
0,0050	20,00	0,00140	607,118	0,85	0,002
0,020	22,34	0,00559	684,427	3,828	0,011
0,040	24,69	0,01112	770,126	8,568	0,025
0,060	27,03	0,01659	864,960	14,354	0,042
0,080	29,37	0,02200	969,724	21,339	0,064
0,10	31,72	0,02736	1085,267	29,688	0,090
0,120	34,06	0,03265	1212,492	39,586	0,121
0,140	36,41	0,03788	1352,358	51,232	0,160
0,160	38,75	0,04306	1505,885	64,847	0,206
0,180	41,09	0,04819	1674,152	80,670	0,262
0,192	42,49	0,05121	1781,732	91,239	0,301

При парциальном давлении в поступающем газе по закону Дальтона

,

равновесная концентрация в жидкости, вытекающей из абсорбера, составит . При степени насыщения воды конечная концентрацияв жидкости равна:

.

Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку, перед подачей в колонну охлаждается в холодильнике до . В этом случае объем газовой смеси, поступающей в абсорбер равен

.

Количество сернистого газа, поступающего в колонну:

,

где - плотность при 20°С.

.

Количество воздуха, поступающего в колонну:

,

где 1,185 - плотность воздуха при 25°С, кг/м³.

Плотность газа, поступающего на абсорбцию:

,

.

Количество поглощенного :



,

.

Расход воды в абсорбере:

,.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ГАЗА И ДИАМЕТРА АБСОРБЕРА

Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 50х50х5 мм.

Характеристика насадки: удельная поверхность 90 м²/м³; свободный объем 0.785/; эквивалентный диаметр 0.035 м.

Предельная скорость газа в насадочных абсорберах:

,

где - скорость газа в точке инверсии фаз, м/с;

- вязкость воды при 20°С;

- вязкость воды при средней температуре в колонне t=31°С;[3]

А, В коэффициенты для насадки ;А= -0,073; В=1,75 - для колец Рашига; [1]

,плотность жидкости, газа,

свободный объем,

L, G-расход жидкости, газа,

удельная поверхность,

ускорение свободного падения,,

,

.

Рабочая скорость газа в колонне:

,

.

Диаметр колонны:

,

.

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны .

Плотность орошения колонны

,

.

Оптимальная плотность орошения:

, [2]

b - коэффициент при абсорбции.

[1]

Отношение >1, коэффициент смачиваемости .[2]

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

Высота насадочного абсорбера определяется по уравнению

,



где - высота насадочной части колонны, м;

- соответственно сепарационной части колонны (над насадкой), нижней части колонны и между слоями насадок (если насадка уложена в несколько слоев), м.

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по переточному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным . Принимаем

Расстояние от верхней части до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны. Принимаем .

Высота насадочной части колонны:

,

где f - удельная поверхность насадки, м²/м³;

S - площадь сечения колонны, м²/с;

- коэффициент смачиваемости;

- движущая сила процесса, кг/кг.

М- количество вещества, кг/с;

К- коэффициент массопередачи, кг/(м с ед.дв.силы)

Движущая сила внизу абсорбера на входе газа

.



Вверху абсорбера на выходе газа

.

,

,

.

Коэффициент массопередачи определим по формуле

,

где m - тангенс угла наклона равновесной кривой;

- коэффициент массоотдачи в газовой фазе, ;

- коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, ,

,

где - коэффициент диффузии в газовой фазе,



- атомный объём,

=

=29,9 [3]

T=298 К

- критерии Рейнольдса для газовой фазы;

- диффузионный критерий Прандтля;

- эквивалентный диаметр, м

,

где, () - вязкость газовой смеси при температуре 25°С.

,

.

,



где и - соответственно динамические коэффициенты вязкости диоксида серы и воздуха при температуре 25°С. [3]

,

.

,

т.е. режим движения газа турбулентный.

,

Для колонн с неупорядоченной насадкой при , d=10-25 мм, коэффициент , . [2]

.

Выразим в выбранной для расчета размерности



Определим коэффициент массоотдачи в жидкой фазе. Для этого определим следующие величины:

1) приведенная толщина стекающей пленки жидкости

,

.

2)модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости

,

,

.

2)диффузионный критерий Прандтля для жидкости

,

где - коэффициент диффузии в воде при ;



.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяем по формуле:

,

где - коэффициенты. [4]

Выразим в выбранной для расчета размерности

.

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе :

.

Определим площадь поверхности массопередачи в абсорбере

,

.

Высоту насадки, требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи, определяем

где f - удельная поверхность насадки, м²/м³;

S - площадь сечения колонны, м²/с;

- коэффициент смачиваемости;

.

Принимаем

Высота колонны

.

5. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НАСАДКИ

Сопротивление сухой насадки

,

.

- коэффициент гидравлического сопротивления или коэффициент Дарси.

высота слоя насадки, м

эквивалентный диаметр, м

скорость газа, м/с

плотность газа,

Т.к. критерий Рейнольдса для газа , то коэффициент сопротивления сухой насадки определяется по формуле

,

,

Сопротивление орошаемой насадки при интенсивности орошения

при пленочном течении определим по формуле:

,

где - постоянная, для колец Рашига 50 мм ,[1]

.

Давление, развиваемое газодувкой

,

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.

.



6. РАСЧЕТ И ПОДБОР НАСОСА

Выбираем диаметр трубопровода. Для этого, определяем минимальный диаметр, необходимый для обеспечения скорости движения потока, равной 2 м/с. [2]

где - плотность воды при 31°С.

По таблице [5] принимаем стандартный трубопровод выполненный из углеродистой стали при толщине стенки 5 мм, с внутренним диаметром d = 60 мм. Тогда скорость потока:

Определяем критерий Рейнольдса:

- скорость движения воды по трубопроводу, м/с

плотность воды,

- диаметр трубопровода, м

коэффициент динамической вязкости,

Абсолютную шероховатость трубы принимаем e = 0,2 мм [2]. Тогда степень шероховатости:

По рис 1.5 [3] определяем значения коэффициента трения

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений :

1) для всасывающей линии:

-вход в трубу (принимаем с острыми краями):[1].

-нормальный вентиль: для d=60 мм .

2)для нагнетательной линии

-выход из трубы

-2 нормальных вентиля .

-задвижка

-2 колена под углом 90 .

Определяем потери напора:

1)во всасывающей линии [2]

2)в нагнетательной линии [2]

Потери во всасывающем и напорном трубопроводах равны:



м

Насос подбираем по величинам подачи и напора. Необходимый напор равен:

Считаем, что насос качает жидкость из емкости с атмосферным давлением Р₂.

Т.к. колона работает под атмосферным давлением Р₁, то

Мощность, необходимая для перекачивания жидкости:

кВт,

где -объемный расход жидкости.

Принимаем значения КПД насоса , передачи от электродвигателя к насосу для насосов малой производительности [2]. Тогда мощность двигателя на валу двигателя:



Мощность, потребляемая двигателем от сети, при

С учетом коэффициента запаса мощности устанавливаем двигатель мощностью

Устанавливаем центробежный насос марки К20/18 (табл.3.1[2]) со следующими характеристиками:

производительность ;напор 18 м.

Насос снабжен электродвигателем 4А80B2 номинальной мощностью 2,2кВт; К.П.Д. двигателя 0,8; частотой вращения вала 2900 об/мин.

7. РАСЧЕТ И ПОДБОР ХОЛОДИЛЬНИКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

1. Рассчитываем среднюю разность температур [2]:

400°С 25°С

31°С 18°С



2. Определяем необходимую поверхность теплообмена [2]:

поверхность теплообмена, количество тепла, Вт коэффициент теплопередачи, [3, таб.4.8] -средняя разность температур,

- теплоемкость воздуха при средней температуре в холодильнике 212,5, [2, таб.27]

начальная и конечная температура газа, - объем газовой смеси, кг/с

- расход газовой смеси;

Определяем расход воды для охлаждения:

где t_в.н, t_в.к - начальная и конечная температура охлаждающей воды,

с_в - теплоемкость охлаждающей воды,

Примем ориентировочное значение, что соответствует развитому турбулентному движению.



м_в=911,8 - коэффициент динамической вязкости воды при её средней Т=24,5⁰С[2, табл. 39]

Из табл. 2.3[1] выбираем 6-ходовой кожухотрубчатый холодильник по ГОСТ 15120 - 79:

- поверхность теплообмена 233 м²

- длина труб 6 м

- диаметр труб 202 мм

- диаметр кожуха 800 мм

- общее число труб 618

- число ходов 6

3. Рассчитываем коэффициент теплопередачи К:

- теплопроводность воды при Т=24,5⁰С [3, табл. 39]

с=4190

Т.к. Re>10000, то Критерий Нуссельта находим по формуле [1]



Межтрубное пространство:

-теплопроводность газа при средней Т= 212,5 ⁰С [3,таб.30]

- площадь сечения потока между перегородками, [1, таб. 2.3]

µ_г=0,026^-3 Нс/м² - коэффициент динамической вязкости воздуха при температуре 212,5⁰С.[3, номограмма]

Принимаем

Загрязнения:

для газа

для воды

Теплопроводность нержавеющей стали:

Тогда



Требуемая поверхность составит:

Из табл. [1] выбираем 6-ходовой кожухотрубчатый холодильник по ГОСТ 15120 - 79:

- поверхность теплообмена 78 м²

- длина труб 2 м

- диаметр труб 202 мм

- диаметр кожуха 800 мм

- общее число труб 618

- число ходов 6 При этом запас:

Проверяем соотношение:

(для жидкости ) и (для газа).

Находим температуру стенки со стороны воды по формуле [3]:

Где t_ж=24,5⁰С - средняя температура воды t_г=212,5⁰C - средняя температура газа q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;



При этой температуре:

Сравним с принятым значением:

Находим температуру стенки со стороны газовой смеси по формуле:

Где t₁=212,5⁰С - средняя температура газовой смеси.

При этой температуре:

Сравним с принятым значением:



8. РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ

Присоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров.

Принимаем штуцер для ввода поглотителя и штуцер для подачи газовой смеси исходя из диаметра трубопровода D=0,056 м (рассчитан при подборе насоса).

По ОСТ 26-1404-76 [6] примем 2 штуцера со стальным приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком:

-условный диаметр штуцера

-условное давление

-наружный диаметр патрубка

-толщина патрубка

-общая высота штуцера

Используем прокладку из паронита или фторопласта. [6]

Штуцер для газовой смеси:

-условный диаметр штуцера

-условное давление

-наружный диаметр патрубка

-толщина патрубка

-общая высота штуцера

Используем прокладку из паронита или фторопласта. [6]

гидравлический абсорбер газовый насос



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте мы рассчитали насадочный абсорбер. Также мы рассчитали вспомогательное оборудование: подогреватель сырья, дефлегматор и кипятильник,кроме того подобрали сырьевой насос.

Нашей целью был также расчет штуцеров для ввода сырья в колонну, отвода жидкости из куба, возврата флегмы в колонну,ввода горячей струи в колонну и для вывода дистиллята.

Данный курсовой проект позволил нам не только самостоятельно рассчитать ректификационную установку, но и наиболее полно изучить процесс абсорбции в ходе расчета курсового проекта.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дытнерский И.А. «Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию».

2. Иоффе И.Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии».

3. Павлов К.Ф., Романков И.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии».

4. Рамм В.М. «Абсорбция газов».

5. Вильнер Я.М. «Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам».

6. Лащинский А.А. «Конструирование сварных химических аппаратов».

Размещено на Allbest.ru