Размещено на http://allbest.ru

20

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова”

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по процессам и аппаратам защиты окружающей среды

на тему: Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода

Выполнил: студент

Руководитель проекта

Доцент, к.т.н.

Чебоксары 2010г.

Содержание

Введение

1. Общие сведения об адсорбционных аппаратах

2. Области применения абсорбционных процессов

3 Устройство и принцип действия абсорберов

3.1 Устройство поверхностных абсорберов

3.1.1 Поверхностные абсорберы с горизонтальным зеркалом жидкости

3.1.2 Пленочные абсорберы

3.1.3 Насадочные абсорберы

3.1.4 Механические пленочные абсорберы

3.2 Устройство барботажных абсорберов

3.2.1 Абсорберы со сплошным барботажным слоем

3.2.2 Абсорберы тарельчатого типа

3.2.3 Абсорберы с подвижной насадкой

3.2.4 Абсорберы с механическим перемешиванием жидкости

3.3 Распыливающие абсорберы

4 Расчет абсорбционной колонны

4.1 Материальный баланс

4.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

4.3 Определение высоты колонны

4.4 Расчет гидравлического сопротивления колонны

5 Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом

Заключение

Литература

Введение

Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения компонентов из газовой или парогазовой смеси жидким поглотителем, в котором данный компонент растворим [1, с.203].

Если поглощаемый газ - абсорбтив - химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции [2, с.49].

Для очистки газов от СО₂ применяют различные процессы, которые можно разбить на следующие группы:

* хемосорбционные процессы, основанные на химическом взаимодействии СО₂ с активной частью абсорбента;

* процессы физической абсорбции, в которых извлечение кислых компонентов происходит за счет их растворимости в органических и неорганических поглотителях;

* комбинированные процессы, использующие одновременно химические физические поглотители;

* адсорбционные процессы, основанные на извлечении компонентов газа твердыми поглотителями - адсорбентами (молекулярные сита, активированные угли и др.)

Выбор процесса очистки газов от кислых соединений зависит от многих факторов, основными из которых являются: состав и параметры сырьевого газа, требуемая степень очистки и область использования товарного газа, наличие и параметры энергоресурсов, отходы производства и др.

Анализ мировой практики, накопленной в области очистки газов, показывает, что основными процессами для обработки больших потоков газа являются абсорбционные с использованием химических и физических абсорбентов и их комбинации. Адсорбционные процессы применяют, как правило, для очистки небольших потоков газа, либо для тонкой очистки газа.

Целью проекта является выработка навыков расчетов процессов абсорбции, основанной на уравнении массопередачи.

Исходные данные для расчета абсорбционной установки

Шифр по Иоффе;	4
Тип насадки ;	ситчатые тарелки
Поглощаемое вещество	диоксид углерода (СО2)
Количество газовой смеси, поступающей на установку G,	м3/с - 6;
Начальная объемная концентрация СО2 в газовой смеси ун,	СО2 - 8%,
остальное:	N2 -92%;
Степень извлечения е,	96%;
Начальная массовая концентрация вещества в поглотителе (воде) ,	- 0,2% ;
Степень насыщения поглотителя (воды) з;	0,76
Начальная температура охлаждающей воды, поступающей в холодильник tвн ,	21 оС
Температура поглотителя tп,	22оС
Давление Р	1 бар (0,1 МПа).

1. Общие сведения об адсорбционных аппаратах

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 [3].

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. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом [3].

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т. е. равновесие между жидкой 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 (с. 187) [3].

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 [3].

При хемосорбции 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 целью санитарной очистки газов, отработанный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию [3].

абсорбер колонна гидравлический

2. Области применения абсорбционных процессов

Некоторые из этих областей указаны ниже:

1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 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].

3. Очистка газа от примесей вредных компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H₂S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО, осушка 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 SO₂; очистка от С1₂ абгаза 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 [3].

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 [3].

3. Устройство и принцип действия абсорберов

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей [3, с.10].

б) Барботажные абсорберы, в которых поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж) либо в аппаратах колонного типа с различного типа тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой.

В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы) [3, с. 11].

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Из различных типов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Основные размеры абсорбера (например, диаметр и высота) определяют путем расчета, исходя из заданных условий работы (производительность, требуемая степень извлечения компонента и т. д.). Для расчета необходимы сведения по статике и кинетике процесса. Данные по статике находят из справочных таблиц, рассчитывают при помощи термодинамических параметров или определяют опытным путем. Данные по кинетике в значительной степени зависят от типа аппарата и режима его работы. Наиболее надежны результаты экспериментов, проведенных при тех же условиях. В ряде случаев подобные данные отсутствуют и приходится прибегать к расчету или опытам.

В настоящее время еще нет вполне надежного метода, позволяющего определять коэффициент массопередачи путем расчета либо на основе лабораторных или модельных опытов. Однако для некоторых типов аппаратов можно найти коэффициенты массопередачи с достаточно большой точностью при помощи расчета или сравнительно простых опытов. [3, с. 11]

3.1 Устройство поверхностных абсорберов

В группу поверхностных абсорберов, включены аппараты с фиксированной поверхностью, т. е. аппараты, в которых поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера.

Эти аппараты в свою очередь можно разделить на следующие основные типы:

1) Поверхностные абсорберы с горизонтальным зеркалом жидкости.

2) Пленочные абсорберы.

3) Насадочные абсорберы (с неподвижной насадкой).

4) Механические пленочные абсорберы. [3, 304]

3.1.1 Поверхностные абсорберы с горизонтальным зеркалом жидкости

В этих абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости, причем зеркало жидкости является поверхностью массообмена. Величина этой поверхности незначительна, вследствие чего поверхностные абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавливают несколько последовательно соединенных абсорберов с противоточным движением газа и жидкости. Для осуществления самотека жидкости абсорберы располагают ступенчато -- каждый последующий по ходу жидкости аппарат несколько ниже предыдущего. [3, с.304]

Ранее поверхностные абсорберы выполняли в виде горизонтальных цилиндрических аппаратов или сосудов особой формы (туриллы, цел-„тариусы), изготовленных из керамики. В таких аппаратах жидкость занимает значительную часть всего объема, поэтому они удобны для отвода выделяющегося при абсорбции тепла. В простейшем случае тепло отводится через стенки аппарата путем естественного воздушного охлаждения. Для более интенсивного отвода тепла в абсорберах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим хладагентом. Кроме того, применяют наружное водяное охлаждение, помещая абсорберы в ящики с проточной водой или орошая водой их наружные стенки.

Поверхностные абсорберы малоэффективны и в настоящее время находят ограниченное применение. Они используются в основном для абсорбции хорошо растворимых компонентов из небольших объемов газа при одновременном отводе тепла. Эти абсорберы применяют, в частности, при поглощении компонентов из высококонцентрированных газовых смесей.

3.1.2 Пленочные абсорберы

В пленочных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхностям, представляющим собой трубы или пластины. Известны три типа пленочных абсорберов:

- трубчатые абсорберы, в которых пленка стекает по внутренней поверхности вертикальных труб;

- абсорберы с листовой (плоско-параллельной) насадкой, в которых пленка стекает по обеим поверхностям вертикальных пластин;

- абсорберы с восходящим (обращенным) движением пленки.

Аппараты первых двух типов работают при противотоке газа и жидкости (газ движется снизу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать также при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутся сверху вниз).

Абсорберы третьего типа работают при восходящем прямотоке (газ и жидкость движутся снизу вверх).

Трубчатые абсорберы, а также абсорберы с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе тепла в процессе абсорбции; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз и по интенсивности массопередачи эти абсорберы значительно превосходят поверхностные.

Гидравлическое сопротивление трубчатых абсорберов и абсорберов с листовой насадкой даже при сравнительно больших скоростях газа (4--5 м/с) невелико. Абсорберы с восходящим движением пленки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15--20 м/с), -- высоко интенсивные аппараты, но в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением.

В настоящее время пленочные абсорберы применяются сравнительно редко; из них наиболее распространены трубчатые абсорберы, используемые для поглощения хорошо растворимых газов (НС1, NH₃) из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла.

Рис.1 а -- трубчатый; б -- с листовой насадкой; 1 -- трубы; 2 -- трубные решетки; 3 -- пластины; 4 -- распределительное устройство.

Перспективными следует считать абсорберы с листовой насадкой, а также абсорберы с нисходящим и восходящим прямотоком, работающие при высоких скоростях газа.

3.1.3 Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т. д.).

Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость.

Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, вследствие чего насадочные абсорберы можно рассматривать как разновидность пленочных.

В то же время между насадочными и пленочными абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, имеются различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, тогда как в насадочном -- лишь по высоте элемента насадки.

При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Некоторая часть жидкости при этом проваливается в виде капель через расположенные ниже слои насадки.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком.

Прямоток (нисходящий) применяют довольно редко. Однако в последнее время большое внимание уделяют созданию прямоточных насадочных абсорберов, работающих с большими скоростями газа (до 10 м/с).

При таких скоростях, которые в случае противотока недостижимы из-за наступления захлебывания, интенсифицируется процесс и уменьшаются габариты аппарата; гидравлическое сопротивление при прямотоке значительно ниже, чем при противотоке.

Применение таких абсорберов целесообразно в тех случаях, когда направление движения фаз не влияет заметно на движущую силу.

Недостаток насадочных абсорберов -- трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники. Предложенные конструкции абсорберов с внутренним отводом тепла при помощи помещенных в насадку охлаждающих элементов не получили распространения.

Насадки, применяемые для заполнения насадочных абсорберов, должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объема) и большим свободным объемом.

Кроме того, насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах.

Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес, Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые в навал) насадки.

К регулярным относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки.

К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке в навал), седлообразная и кусковая насадки. Кроме того, используют специальные типы насадок, которые могут быть регулярными и беспорядочными.

Наиболее полное смачивание насадки и наибольшая эффективность абсорбера достигаются при равномерном распределении жидкости по поперечному сечению колонны.

При течении по насадке жидкость не сохраняет первоначального распределения. Однако для достижения хорошего распределения жидкости по всей высоте насадки орошение следует подавать на нее равномерно.

Для равномерной подачи орошающей жидкости применяют различные распределительные устройства, которые можно подразделить на две группы:

- устройства, подающие жидкость отдельными струями (струйчатые оросители); к этой группе относятся распределительные плиты, желоба, дырчатые трубы, брызгалки и оросители типа сегнерова колеса;

- устройства, в которых подаваемая на насадку жидкость разбивается на капли (разбрызгивающие оросители) в результате удара струи о тарелку (тарельчатые оросители) или торец насадки (многоконусные оросители) или под действием центробежной силы (вращающиеся центробежные разбрызгиватели).

Основными требованиями к распределительным устройствам для насадочных колонн являются, помимо обеспечения равномерного распределения жидкости, подача ее в достаточном количестве точек и минимальный брызгоунос.

Этим требованиям лучше всего удовлетворяют струйчатые оросители, в частности, распределительные плиты и дырчатые трубы. Применение брызгалок и разбрызгивающих оросителей ведет обычно к заметному брызгоуносу, что вызывает необходимость установки брызгоуловителей.

3.1.4 Механические пленочные абсорберы

Механические пленочные абсорберы можно раз бить на две группы. В аппаратах первой группы механическое воздействие (вращение) используется для создания и поддержания пленки жидкости. К этой группе относится дископленочный абсорбер (рис.2 а).



Рис.2 Механические пленочные абсорберы: а -- дископленочный; б -- с вращающимися пакетами дисков; 1 -- горизонтальный цилиндр; 2 -- перегородка; 3 -- вал; 4 -- диск; 5 -- пакет кольцевых дисков.

В горизонтальном цилиндре 1 поддерживается некоторый уровень жидкости. Внутри цилиндра вращается горизонтальный вал 3 с закрепленными на 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 насадочных абсорберов [3,с.321].

Несколько иная конструкция механического пленочного абсорбера показана на рис. 2, б. 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 и вызывает дополнительный расход энергии. Поэтому эти аппараты не получили распространения.

Больший 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 термически нестойких веществ. Очевидно, возможно использование этих аппаратов и для абсорбции.

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 [3, с.323].

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.

3.2 Устройство барботажных абсорберов

Многочисленные типы барботажных абсорберов можно разделить на основные группы:

1) Абсорберы со сплошным барботажным слоем, в которых осуществляется непрерывный контакт между фазами.

2) Абсорберы тарельчатого типа со ступенчатым контактом между фазами, причем ступени (тарелки) размещены в одном аппарате.

3) Абсорберы с подвижной (плавающей) насадкой.

4) Абсорберы с механическим перемешиванием жидкости.

3.2.1 Абсорберы со сплошным барботажным слоем

Аппараты такого типа в промышленности применяются преимущественно как реакторы для проведения реакций между газом и жидкостью (например, окисление или хлорирование органических веществ) и обычно работают при невысоких скоростях газа (до 0,3--0,4 м/с).

В аппаратах со сплошным барботажным слоем возникает циркуляция жидкости в вертикальном направлении: в центральной части образуются восходящие потоки из пузырьков и увлеченной ими жидкости; последняя стекает вниз по кольцевому сечению у стенок колонны.

Циркуляция приводит к тому, что жидкость в значительной степени перемешана по высоте, т. е. концентрация жидкости по высоте мало изменяется и близка к конечной ее концентрации. Именно поэтому способ ввода и отвода жидкости в данном случае не является существенным.

Вредное влияние продольного перемешивания может быть устранено двумя способами. По первому способу аппарат разбивают на ряд ступеней с небольшой высотой барботажного слоя в каждой из них; этот способ наиболее распространен и осуществляется в барботажных абсорберах тарельчатого типа.

По второму способу в аппаратах со сплошным барботажным слоем применяют устройства, способствующие уменьшению продольного перемешивания. Данный способ реализован в секционированных барботажных колоннах и в барботажных абсорберах с насадкой [3,с.423].

3.2.2 Абсорберы тарельчатого типа

Барботажные абсорберы тарельчатого типа выполняют в виде колонн круглого (иногда прямоугольного) сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, причем на каждой тарелке осуществляется одна ступень контакта.

Таким образом, в рассматриваемых абсорберах происходит ступенчатый контакт с соединением ступеней противотоком: газ поступает в нижнюю часть колонны и выходит сверху; жидкость подводится сверху и выходит снизу. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, может осуществляться тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

Тарелки можно подразделить на три основные группы [3,с.425-426]:

1) Тарелки перекрестного типа, в которых движение газа и жидкости осуществляется перекрестным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую, причем газ по переливам не проходит.

2) Тарелки провального (беспереливного) типа, в которых переливные устройства отсутствуют, так что газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия. На этих тарелках контакт газа и жидкости осуществляется по схеме полного перемешивания жидкости.

3) Тарелки с однонаправленным движением газа и жидкости (прямоточные).

В данном случае газ выходит из отверстий в направлении движения жидкости по тарелке; это вызывает снижение продольного перемешивания и способствует движению жидкости, что приводит к уменьшению гидравлического градиента. Эти тарелки обычно имеют переливы, но существуют и конструкции без переливов.

3.2.3 Абсорберы с подвижной насадкой

В абсорберах с подвижной насадкой легкие насадочные тела поддерживаются током газа во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. В качестве насадочных тел обычно используют полые или сплошные шары из полиэтилена, полипропилена, пенополистирола и других пластических масс, а также из пористой резины. Предложено также использование насадочных тел иной формы, например, колец.

Абсорберы с подвижной насадкой рекомендуются при обработке загрязненных газов и жидкостей, так как вследствие интенсивного движения насадочных тел забивание насадки твердыми частицами не происходит. В частности, сообщается о применении этих абсорберов для поглощения водой газов, содержащих SiF₄ или SiCl₄ (в этих случаях выделяется твердая SiO₂).

Кроме того, абсорберы с подвижной насадкой могут работать при больших скоростях газа без наступления захлебывания и обладают высоким коэффициентом массопередачи. Их недостатком является довольно высокое гидравлическое сопротивление, значительный (по сравнению с неподвижной насадкой) брызгоунос и износ шаров в процессе работы [3,с.436].

3.2.4 Абсорберы с механическим перемешиванием жидкости

Барботажные абсорберы с механическим перемешиванием жидкости представляют собой сосуды с мешалками, в которых газ барботирует через слой перемешиваемой жидкости. Механическое перемешивание повышает скорость массопередачи, так как касательные напряжения, возникающие в жидкости при перемешивании, вызывают дробление пузырьков газа, что ведет к увеличению поверхности соприкосновения фаз. Сопротивление абсорберов с механическим перемешиванием, определяемое высотой уровня жидкости, велико [3, с.437].

Абсорберы с механическим перемешиванием используют сравнительно редко. Они находят применение при небольших отношениях газ : жидкость, а также, если в поглотителе присутствует мелко измельченное твердое вещество во взвешенном состоянии.

Эти абсорберы используют также в случаях, когда требуется значительное время пребывания жидкости в аппарате (например, при протекании в процессе абсорбции химической реакции) или при периодической абсорбции. В процессе поглощения можно отводить выделяющееся тепло при помощи рубашки или змеевика, по которым пропускают охлаждающий агент [3, с.437].

3.3 Распыливающие абсорберы

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы:

1) полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками;

2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока;

3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями [1].

Полые распыливающие абсорберы представляют собой полые колонны. В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны форсунки с направлением факела распыла обычно сверху вниз.

Эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. В результате объемный коэффициент массопередачи и число единиц переноса в этих аппаратах невелико. Поэтому распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают на нескольких уровнях [1].

Полые распиливающие абсорберы отличаются простотой устройства, низкой стоимостью, малым гидравлическим сопротивлением, их можно применять для обработки сильно загрязненных газов.

К недостаткам полых распыливающих абсорберов, помимо их низкой эффективности, относятся также низкие скорости газа (до 1 м/с) во избежание уноса, неудовлетворительная их работа при малых плотностях орошения, достаточно высокий расход энергии на распыление жидкости. Распыливающие полые абсорберы целесообразно применять для улавливания хорошо растворимых газов [2].

Скоростные прямоточные распыливающие абсорберы отличаются тем, что в случае прямотока процесс можно проводить при высоких скоростях газа (до 20-30 м/с и выше), причем вся жидкость уносится с газом и отделяется от него в сепарационном пространстве 4.

К этому типу аппаратов относится абсорбер Вентури (рис. 6), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1, течет в виде пленки и в горловине 2 распыляется газовым потоком. Затем жидкость газовым потоком выносится в диффузор 3, в котором скорость газа снижается и его кинетическая энергия переходит в энергию давления с минимальными потерями. Отделение капель от газа происходит в сепараторе 4 [9].

Рис. 3 Устройство бесфорсуночного абсорбера Вентури: а - с эжекцией жидкости; б - с пленочным орошением; /-коифузоры; 2-горловины; J-диффузоры; 4-сепараторы, 5-циркуляционная труба; 6-гидравлический затвор.

В механических распыливающих абсорберах разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т. е. с подводом внешней энергии для развития поверхности фазового контакта.

На рис. 16-30 представлен такой абсорбер, в котором разбрызгивание жидкости осуществляется с помощью лопастей или дисков, закрепленных на горизонтальных валах. Разбрызгивающие элементы устанавливают так, что газ движется перпендикулярно или параллельно осям их валов [5].

По сравнению с абсорберами других типов механические абсорберы более компактны и эффективны, но они значительно сложнее по конструкции и требуют больших затрат энергии для проведения процесса. Поэтому механические распыливающие абсорберы целесообразно применять в тех случаях, когда распыление с помощью форсунок или газом, взаимодействующим с жидкостью, по каким-либо причинам не представляется возможным [2].

4. Расчет абсорбционной колонны

4.1 Материальный баланс

Мольная масса газовой смеси:

Плотность газовой смеси, поступающей в абсорбер:

Начальные относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяется по формулам [1, с. 206]:

Концентрация диоксида углерода в газовой смеси на выходе из абсорбера определяется по формуле [1, с. 207]:

(1)

Конечную рабочую концентрацию диоксида углерода в жидкости на выходе из абсорбера определяют по формуле [1, с. 207]:

,(2)

где х* - равновесная концентрация поглощаемого компонента, которая определяется расчетным путем или находится по справочным данным.

Для определения равновесной концентрации диоксида углерода и построения линии равновесия выполняем расчет в такой последовательности: задаваясь рядом значений конечных концентраций диоксида углерода в жидкости, вытекающей из абсорбера, рассчитываем температуру жидкости t₂ и соответствующие им коэффициенты Генри по эмпирической формуле [3].

Далее пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х и по формуле 3 находим значение равновесного парциального давления компонента газовой фазы р^* и определяем равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе по формуле:

,(3)

где Е - коэффициент Генри.

.(4)

Где Р - общее давление газовой смеси, мм.рт.ст.; р* - равновесное парциальное давление поглощаемого газа, мм.рт.ст. [5, с. 591].

,(5)

где Ф - дифференциальная теплота растворения газа в поглотителе, Дж/кг;

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

t₁ и t₂ - температура жидкости на входе в абсорбер и на выходе из него.

Результаты расчета сведены в таблицу № 1 приложения А.

При парциальном давлении диоксида углерода в поступающем газе р_н = 1,013·10⁵·0,08=0,081·10⁵ Па равновесная концентрация диоксида углерода в жидкости, вытекающей из абсорбера составит (1 мм рт. ст. = 133,3 Па, 8100 па составит 60,77 мм рт.ст; см. таблицу №1 приложения А):):

Конечная концентрация диоксида углерода в жидкости при степени насыщения составит:

Газовая смесь, поступающая на установку абсорбции, охлаждается в холодильнике до температуры плюс 21^оС. В этом случае объем газовой смеси равен:

(6)

Количество диоксида углерода, поступающего в колонну:

,(7)

где - плотность диоксида углерода при 20 ^оС [4,с.513].

Количество газа, поступающего в колонну:

(8)

Количество поглощенного диоксида углерода:

Расход воды в абсорбер:

(9)

Расход воды в адсорбер является главной величиной для подбора циркуляционного насоса.

4.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При расчете движущей силы в аппаратах с переточными тарелками (ситчатыми, клапанными, колпачковыми и др.) необходимо учитывать влияние на нее взаимного направления потоков фаз, поперечной неравномерности потока жидкости, продольного перемешивания жидкости, уноса, продольного перемешивания газа и т.д.

При противотоке газа и жидкости в зависимости от скорости потоков на тарелке устанавливаются режимы неравномерной работы, равномерной работы, газовых струй и брызг.

Режим неравномерной работы наблюдается при малых скоростях газа в свободном сечении колонны w < 0,5 м/с. При рассматриваемом режиме образующаяся на тарелке двухфазная система состоит по высоте из трех зон (считая снизу вверх): зоны собственно барботажа (газ распределяется в виде пузырьков или газовых мешков -- факелов), зоны неподвижной пены и зоны брызг.

В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа не полностью открыты, имеет место пузырьковый режим барботажа. В ситчатых тарелках жидкость проваливается через отверстия и не успевает накапливаться на тарелках.

Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении скорости газа (до 1 м/с). При этом увеличивается высота зоны пены и уменьшается высота зоны собственно барботажа. В известных условиях зона собственно барботажа исчезает полностью и возникает так называемый пенный режим. Равномерный режим работы колпачковых тарелок характеризуется полным раскрытием прорезей всех колпачков и струйным движением газа (пара) через -жидкость. В ситчатых тарелках истечение газа в жидкость происходит через все отверстия.

Режим газовых струй и брызг наблюдается при повышении скорости газа (пара) более 1 м/с. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается. В результате над пеной появляется большое количество брызг. При дальнейшем увеличении скорости газа наблюдается инжекционный режим: жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени уносится с ним в виде брызг.

Так как в техническом задании на проектирование указан тип тарелок, то принимаем в качестве насадки ситчатые тарелки.

Допустимая оптимальная скорость газа может быть определена по формуле:

Предельная скорость для тарельчатых колон с ситчатыми тарелками определяется по формуле [1, с.215]:

(10)

где - плотность жидкой фазы и плотность газовой фазы соответственно.

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Диаметр колонны рассчитывают по уравнению расхода для газового потока при рабочей скорости:

(12)

Принимаем стандартный диаметр обечайки, равным 2,6 м.

При этом действительная скорость газа в колонне составит:

Действительная скорость в колонне не превышает предельную.

Для выбранной тарелки

4.3 Определение высоты колонны

Высота насадочной колонны определяется по формуле:

, (15)

где Н_т - высота тарельчатой части колонны, м;

h₁, h₂, - высота соответственно сепарационной части колонны и нижней части колонны , м.

, где n- необходимое число тарелок, h =0,6 м - расстояние между тарелками.

Расстояние между днищем абсорбера и тарельчатой частью h₂ определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны:

h₂= (1...1,5) · D = 1,0*2,6 = 2,6 м

Расстояние от верха тарелки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения тарелок и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны. Принимаем h₁ = 2,7 м.

Для построения кинетической кривой воспользуемся первым методом [1, с224].

Рассчитаем коэффициент массопередачи:

,

где m - коэффициент распределения компонента по фазам m=1,73.

Коэффициент массоотдачи в газовой и жидкой фазах:

,

где w_г - скорость газа, м/с; - гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке, Па.

Гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке определяется по формуле:

,

где к - отношение плотности пены к плотности жидкости (при расчетах к=0,5 [1, с.229]); h_пер = 75 мм - высота сливного порога (конструктивная особенность тарелки, определяемая по каталогу [11, с.16]). - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

,

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с; П=2,25 м- периметр сливной перегородки (величина, принимаемая по каталогу [11, с.17]).

Число единиц переноса одной тарелки:

, где = 3,27 м²- рабочая площадь тарелки, - количество газа поступающего в колонну, кг/с.

Определяем величину С_у:

Величина отрезков на вертикалях диаграммы у-х между линией рабочих концентраций и вспомогательной кинетической кривой:

.

На линии рабочих концентраций наносят ряд точек А1, А2, А3 и тд., а на линии равновесия соответствующие им точки С1, С2, С3 и тд. Пользуясь полученными равенствами находим на отрезках А1С1, А2С2 и тд. Точки В1, В2 и тд. Проводим через полученные точки В1, В2 и т.д. линию. Полученная линия является вспомогательной кинетической кривой. Из точки В1 в пределах заданных рабочих концентраций между линией рабочих концентраций и кинетической кривой строят ломанную линию.

Полученное число ступеней дает необходимое для заданных условий число тарелок. Таким образом необходимое число тарелок составит n=6

Расчетная высота абсорбера:

.

Истинная высота абсорбера определяется конструктивно по проектному чертежу общего вида.

4.4 Расчет гидравлического сопротивления колонны

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер [6, с.201].

Для тарельчатых колонн гидравлическое сопротивление всех тарелок равно сумме сопротивления сухой тарелки , сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения , и сопротивления газожидкостного слоя на тарелке :

Сопротивление сухой тарелки:

,

где - скорость газа в отверстиях тарелки, м/с; - коэффициент сопротивления, зависящий от типа тарелки [1, с.228], а =0,65 поправочный коэффициент для ситчатых тарелок, l - высота слоя жидкости на тарелке, м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения [1, с.228]:

, где = 58,9*10^-3 - поверхностное натяжение жидкости, Н/м [5, с. 812]; d_э = 0,005 м - эквивалентный диаметр отверстия [11. с. 17].

Гидравлическое сопротивление столба жидкости на тарелке определяется по формуле:

, где к - отношение плотности пены к плотности жидкости (при расчетах к=0,5 [1, с.229]); h_пер = 75 мм - высота сливного порога (конструктивная особенность тарелки, определяемая по каталогу [11, с.16]). - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

,

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с; П=2,25 м- периметр сливной перегородки (величина, принимаемая по каталогу [11, с.17]).

Гидравлическое сопротивление:

5. Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом

Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер или получение готового продукта. В данной работе рассматривается первая задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрами являются: 1) концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера; 2) температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию; 3) уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом, т. е. абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастет концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличится подача абсорбента в абсорбер, что обеспечит стабилизацию концентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера.

Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкая температура газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расхода охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа.

Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора жидкости из нее.

Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, тем пературы, давления технологических потоков [10].

Заключение

1. Для очистки газа от диоксида углерода требуется абсорбер со следующими характеристиками: внутренний диаметр D=2,6 м; высота абсорбера Н=8,3 м, количество необходимых тарелок n=6;

2. Для улавливания диоксида углерода из газовой смеси применим абсорбер с ситчатыми тарелками. При выборе насадки учитывались следующие факторы: дешевизна, малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при изменяющихся нагрузках по газу.

3. Приняты технические решения об автоматизации процесса абсорбции.

4. Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе закономерностей для определения кинетических коэффициентов из большого числа различных, порой противоречивых, зависимостей, представленной в технической литературе.

Литература

1. Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991.-352с.

2. Дытнерский. Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть вторая. - М.: Химия, 1995г. -368с.

3. Рамм В. М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976. - 655с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., доп. и перераб. -Л.: Химия, 1987. - 576с.

5. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии. - изд. 7-е. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. - 830с.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/под ред. Ю.И. Дытнерского. - М: Химия, 1991. -496с.

7. Основные правила разработки курсовых проектов по процессам и аппаратам химической технологии и защиты окружающей среды: метод. указан. / сост. А.И.Козлов, П.М. Лукин, Н.И. Савельев, П.Н. Эндюськин; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2005.-32с.

8. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 1 - М.: «Советская энциклопедия», 1988. - 625с

9. Плановский А.Н., Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - изд 5-ое, стереотипное. - М.: Химия, 1968. - 848с.

10. Основы автоматизации процессов химической технологии и защиты окружающей среды: учеб. пособие/ А.И.Козлов, П.М. Лукин и др. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2006.178с.

11. Каталог. Колонные аппараты. 1991г.

Приложение А

Таблица 1 Результаты расчета для построения кривой фазового равновесия

Размещено на Allbest.ru