Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Институт биотехнологии, пищевой и химической инженерии

Кафедра «Химическая техника и инженерная экология»

Пояснительная записка к курсовому проекту

Трехкорпусная выпарная установка для концентрирования водного раствора гидроксида калия

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Булгарин Д.Ш.,

студент группы ХТ-92

Барнаул 2022

Введение

Абсомрбция (от латинского absorptio от absorbere -- поглощать) -- это явление поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция -- частный случай сорбции. Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. На практике абсорбции подвергают не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых поглощаются жидкостью. Эти составные части смеси называют абсорбируемыми компонентами (абсорбат), а непоглощаемые части -- инертным газом.

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.

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, отбросный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно использовать поглотитель и выделять абсорбированный компонент в чистом виде. Для этого раствор после абсорбера направляют на десорбцию, где происходит выделение компонента, а регенерированный (освобожденный от компонента) раствор вновь возвращают на абсорбцию. При такой схеме (круговой процесс) поглотитель не расходуется, если не считать некоторых его потерь, и все время циркулирует через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

В некоторых случаях (при наличии малоценного поглотителя) в процессе проведения десорбции отказываются от многократного применения поглотителя. Пои этом регенерированный в десорбере поглотитель сбрасывают в канализацию, а в абсорбер подают свежий поглотитель.

Поглотители, абсорбция в которых сопровождается необратимой химической реакцией, не поддаются регенерации путем десорбции. Регенерацию таких поглотителей можно производить химическим методом. Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами. При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью.



1. Технологическая схема абсорбционной установки насадочного типа

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. Воздух на абсорбцию подается газодувкой 1 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 воздуха и жидкости.

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

Рисунок 1. Технологическая схема абсорбционной установки

Воздух после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсор-бент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекупера-торе 14. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обо-греваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 14, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.

В промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, которые изготавливают из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции. Виды насадок представлены на рисунке 2.

1-отдельное кольцо Рашига; 2 -кольцо Рашига навалом;

3 - регулярная насадка Рашига;4-кольца Палля; 5 -седлообразная насадка;

6-кольца с крестообразными перегородками; 7-керамические блоки;

8- витые из проволоки насадки;9-кольца с внутренними спиралями;

10- пропеллерная насадка; 11- деревянная хордовая насадка.

Рисунок 2. Виды насадок



В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига, имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15--150 мм. Хордовую насадку обычно применяют в абсорберах большого диаметра. В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать так называемые абсорберы с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких абсорберах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла, используя выносные холодильники. Также недостатком плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения и малопригодность при работе с загрязненными жидкостями.



2. Расчетная часть

2.1 Расчет материального баланса

Количество поглощаемого углекислого газа (CO₂) определяется по формуле:

где: - начальная концентрация CO₂ в газовой смеси, выраженная в мольных долях;

- молекулярная масса CO₂;

б - коэффициент извлечения CO₂;

22,4 - объем, занимаемый 1 кмоль газа, м³.

Начальная концентрация CO₂ в газовой смеси определяется по формуле:

где: - начальная концентрация CO₂ в смеси;

молекулярная масса = 64 кмоль/кг;

молекулярная масса воздуха M_возд = 29 кмоль/кг.

= 0,1414

Коэффициент извлечения CO2 рассчитывается по выражению:



=0,975

Тогда количество поглощаемого CO₂ по формуле равно

Расход абсорбента определяется по формуле:

где: - начальная и конечная концентрации CO₂ в абсорбенте, выраженные в относительных массовых единицах, ().

Конечная концентрация CO₂ в абсорбенте определяется по формуле:

где: - мольная доля CO₂ в абсорбенте, равновесная с начальной концентрацией CO₂ в газовой фазе, определяется по выражению:

где: К - коэффициент Генри для водных растворов.[4]

Для водного раствора CO₂ при t = 15°С коэффициент Генри К =123969 кПа;

П - давление абсорбции = 1519.88 кПа .

Вначале определяем равновесную мольную долю CO₂ в абсорбенте по формуле:

Затем определяем конечную равновесную концентрацию CO₂ в абсорбенте по формуле:

И наконец, определяем расход абсорбента по выражению:

Действительная концентрация CO₂ в абсорбенте на выходе из абсорбера определяется по формуле:

2.2 Расчет теплового баланса

При растворении газа в жидкости выделяется некоторое количество теплоты. При отсутствии отвода теплоты температура повышается, что ведет к возрастанию равновесного парциального давления компонента, изменению положения линии равновесия, уменьшению движущей силы процесса, ухудшению условий абсорбции.

Практически процесс абсорбции проводится с интенсивным отводом теплоты, чтобы температура раствора в аппарате повышалась незначительно.

Определим температуру газа на выходе из абсорбера, вычислив её по формуле:



Определим теплоту растворения газа в воде по формуле:

где: q=5137,5 Дж/моль;

- молекулярная масса CO_2.

В ходе расчета выяснилось, что разница между теплотой газа на входе и выходе незначительна, следовательно, предусматривать отвод тепла нет необходимости.



3. Конструктивный расчёт

3.1 Определение диаметра абсорбера

Выбираем материал и тип насадки. Кольца Рашига представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении, они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

Керамические кольца Рашига размером 25 Ч 25 Ч 3 мм.

Удельная поверхность - у =204.

Свободный объем - V_св = 0,74 м³/м³ .

Масса насадки - G_нас= 532 .

Эквивалентный диаметр - d_э= =0,0145 м.

Расчет абсорбера производят для работы при оптимальном гидродинамическом режиме. Рабочую скорость газа в абсорбере можно определить:

Скорость газа, соответствующая возникновению режима эмульгирования w_o (считая на полное сечение колонны), определяется по уравнению:

где: - средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях, кг/м³;

??_x - вязкость воды при рабочих условиях, мПа?с;

с_x - плотность воды при рабочих условиях, кг/м³;

L - расход абсорбента,кг/с ;

G_у - расход газа,кг/с.

Средняя плотность газовой смеси определяется по формуле:

где: - средняя плотность газовой смеси при рабочих условиях, кг/м3;

(Т₀ = 0°С = 273 К);

Т - температура, К;

П₀ = 760 мм рт. ст. = 101325 Па.

Прежде чем определить среднюю плотность газовой фазы при рабочих условиях, следует рассчитать конечную концентрацию CO₂ в газовой смеси, выраженную в мольных долях, по формуле:

=

Средняя концентрация CO₂ определяется по формуле:

Средняя концентрация воздуха определяется по формуле:



Средняя плотность газовой смеси определяется по формуле:

Подставляем полученные значения в формулу и получаем:

Средняя молекулярная масса газовой смеси определяется по формуле:

Расход газа определяется по формуле:

Подставляем полученные значения в формулу и получаем:



Тогда рабочая скорость газа будет равна:

Расход смеси при рабочих условиях определяется по формуле:

где: П₀ = 101325 Па;

Т₀ = 273 К.

Диаметр абсорбера определяется по формуле:

Принимаем стандартную колонну диаметром D_к= 1,2 м

Действительная скорость потока газа определяется по выражению:

Определяем плотность орошения по формуле:

Так как U > U_опт принимаем выбранную насадку - керамические кольца Рашига 25 Ч 25 Ч 3 мм.



3.2 Определение движущей силы внизу абсорбера

Движущая сила процесса внизу колонны определяется по формуле

?

где: - парциальное давление CO₂ на входе в абсорбер;

- парциальное давление CO₂ в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера.

Парциальное давление CO₂ на входе в абсорбер определяется по формуле:

Конечная концентрация CO₂ в жидкости, выраженная в мольных долях, определяется по выражению:

Парциальное давление CO2 в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера, определяется по формуле:

Тогда движущая сила внизу колонны составит:

?

3.3 Определение движущей силы вверху абсорбера

Движущая сила процесса вверху колонны определяется по формуле:

?,

где: - парциальное давление CO₂ в газе, выходящем вверху из абсорбера;

- парциальное давление CO₂ в равновесном с водой газе.

Парциальное давление CO₂ в газе, выходящем вверху из абсорбера, определяется по выражению:

Так как на орошение абсорбера подается чистая вода, то парциальное давление CO₂ в равновесном с водой газе равно нулю (); отсюда движущая сила процесса абсорбции на верху колонны:

?5,015 кПа

После подстановки в формулу соответствующих значений получаем среднюю движущую силу абсорбции:

3.4 Определение коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи определяется через константу в этом уравнении ц:

Коэффициент массоотдачи со стороны газа определяется по формуле:

где: - коэффициент диффузии CO₂ в воздухе при рабочих условиях;

- средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях,кг/м³;

- эквивалентный диаметр насадки, м;

- среднее парциальное давление инертного газа (в данном случае воздуха) в газовой смеси, кПа;

М_см- средняя молекулярная масса газовой смеси, кг/кмоль.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле:

Коэффициент диффузии при рабочих условиях определяется по формуле:

Критерий Прандтля - по формуле:



Критерий Нуссельта - по формуле

Среднее парциальное давление инертного газа определяется по формуле

Определяем коэффициент массоотдачи со стороны газа по формуле:

Коэффициент массоотдачи со стороны жидкости (жидкостной пленки) определяется по формуле

где: - критерий Нуссельта в жидкой фазе;

коэффициент диффузии CO₂ в воде;

d_э- эквивалентный диаметр насадки, м.

Определяем критерии Re, Pr и Ga в жидкой фазе:



где - площадь поперечного сечения колонны, .

Подставляем в формулу и находим коэффициент массоотдачи со стороны жидкости:

Находим коэффициент массопередачи:



3.5 Определение высоты насадки и высоты всей колонны

Находим высоту насадки:

Высоту колонны в целом определяем по формуле:

где: = 2,0 - высота нижней части колонны, м;

= 1,0 - высота верхней части колонны, м, принимается в зависимости от диаметра колонны;

- число разрывов между насадкой, шт.;

= 0,4 - высота разрыва, м.

3.6 Гидравлическое сопротивление абсорбера с насадкой

Гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера определяется по формуле:



где: - сопротивление орошаемой насадки, Па;

- потеря давления на преодоление местных сопротивлений, Па.

где b - коэффициент, зависящий от типа насадки. Для колец Рашига в навал 25 мм b = 56,1.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению:

где - коэффициент сопротивления регулярных насадок; - скорость газа в свободном сечении насадки.

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки будет равно:

Па.

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений в колонне определяется по формуле:



где: - потеря давления на преодоление местных сопротивлений входа и выхода газового потока в колонне;

- потеря давления на преодоление местных сопротивлений (два входа и два выхода из насадки).

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений входа и вы-хода газового потока в колонне определяется по формуле:

где: - коэффициент внезапного расширения;

- коэффициент внезапного сужения;

- скорость газового потока в подводящих и отводящих газопроводах, м/с .

Согласно ОНТП1-86 скорость газового потока принимается в пределах = 1ч1,2 м/с. Принимаем = 1 м/с тогда диаметр газопроводов по формуле:

Определяем Re_г - критерий Рейнольдса в газопроводах по формуле:

Отношение площадей сечений газопровода и колонны определяем по выражению:



Коэффициенты местных сопротивлений о принимаются в зависимости от отношения , коэффициент внезапного расширения = 0,85 и коэффициент внезапного сужения = 0,46. Тогда потеря давления на преодоление местных сопротивлений входа и выхода газового потока в колонне составит:

Потеря давления на преодоление местных сопротивлений - два входа и два выхода из насадки рассчитывается по формуле:

где: - коэффициент внезапного сужения при входе в насадку;

-коэффициент внезапного расширения при выходе из насадки;

w_н- фактическая скорость газового потока в насадке, м/с.

Фактическая скорость газового потока в насадке определяется по формуле:

Определяем критерий Рейнольдса по формуле:



Определяем отношение площадей сечений насадки и колонны по выражению:

Тогда при отношении = 0,74 коэффициент внезапного сужения при входе в насадку = 0,8, коэффициент внезапного расширения при выходе из насадки = 0,8. Потеря давления на преодоление местных сопротивлений (два входа и два выхода из насадки) составит:

По формуле определяем потерю давления на преодоление местных сопротивлений в колонне:

Тогда общее гидравлическое сопротивление насадочной колонны по формуле будет равно:

3.7 Расчет штуцеров

Одним из параметров колонны являются диаметры трубопроводов и штуцеров. Диаметр трубопровода для подбора штуцера можно определить по формуле:



где: V - расход перекачиваемой среды, м/с;

w - скорость продукта, м/с.

При определении скорости истечения по штуцеру, необходимо учитывать, что чем больше скорость, тем меньше требуется диаметр штуцера, т.е. меньше стоимость штуцера, его монтажа и ремонта. Определим скорость, расход и диаметр на входе и выходе из колонны, на каждом штуцере.

1) Диаметр штуцера для подачи ПВС:

где: w=(4…15)м/с, примем w=5 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 400 мм.

2) Диаметр штуцера для подачи абсорбента:

где w=(1,5…3,0)м/с, примем w=2 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 200 мм.

3) Диаметр штуцера для выхода очищенного воздуха:



где w=(4…15)м/с, примем w=5 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 400 мм.

4) Диаметр штуцера для выхода отработанного абсорбента:

где w=(0,8…2,0)м/с, примем w=2 м/с.

Принимается условный диаметр штуцера 200 мм.



Заключение

абсорбер массопередача тепловой баланс

В процессе проделанной работы была рассчитана абсорбционная установка насадочного типа для поглощения диоксида серы из его смеси с воздухом водой. Был выбран тип абсорбера - насадочный, в соответствии с этим, тип насадки - керамические кольца Рашига размером 25 Ч 25 Ч 3 мм. В ходе проектирования выполнен материальный баланс, в котором произведены расчеты массовых расходов основных материальных потоков (газовой смеси, поглотителя). Из расчета теплового баланса, определено, что в ходе процесса абсорбции происходит незначительное выделение тепла, следовательно, нет необходимости предусматривать отвод тепла. В конструктивном расчете определены габариты аппарата (высота, диаметр колонны). В соответствии с габаритами аппарата практически рассчитаны и подобраны диаметры штуцеров.



Список использованной литературы

1 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1973 - 754 с.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. И дополн. М.: Химия, 1991 - 496 с.;

3 Справочник химика. - М.-Л.:Химия, т.III, 1962.-1006 с, т.V, 1996.-974 с.

4 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 13-е изд., перераб. и дополн.- М.: Альянс, 2006- 576 с.

5 Вакуумные насосы. Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970. 63 с.

6 ОСТ 26716-73. Барометрические конденсаторы.

Размещено на Allbest.ru