Насадочный абсорбер для поглощения аммиака водой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра Оборудование и автоматизация химических производств

Факультет - химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий

Направление - Технология неорганических веществ

Кафедра - Кафедра Оборудование и автоматизация химических производств

Курсовая работа

По дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Тема: Насадочный абсорбер для поглощения аммиака водой

Выполнил студент гр. ТНВ-18-1бз

Бармин А.В.

Проверил: доцент, канд.техн.наук

Долганов В.Л.

г. Пермь, 2022



ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Оборудование и автоматизация химических производств

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой ОАХП

ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ №11

Студенту Бармину А.В. группы ТНВ-18з

Рассчитать и запроектировать Насадочный абсорбер для поглощения аммиака водой

По следующим основным данным:

Расход газа, считая на н.у. 550 м3ч.

Содержание аммиака на входе - 2,8% об.;

Содержание аммиака на выходе не должно превышать - 0,15% об.;

Давление - атмосферное, температура в аппарате 200С

Представить:

1.Пояснительную записку (технологическая схема установки, расчет материального и теплового балансов, выбор типа, конструкции и краткая характеристика аппарата, расчет основных размеров аппарата и его гидравлического сопротивления).

2.Чертежи общего вида аппарата, виды и разрезы.

Срок выполнения задания ___________________________20 г.

Руководитель проектирования ___________________________



ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсорбтивов) из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Обратный процесс -- выделение растворенного газа из раствора -- носит название десорбции.

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.

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.

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. 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[1, 2].

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) 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 [1, 2].

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).

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны 1. Некоторые из этих областей указаны ниже:

Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция HCI с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (получение азотной кислоты) и т.д.

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 этой газовой смеси. Например: абсорбция бензола из коксового газа, абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа.

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 азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2, и СО и т.д.)

Улавливание ценных компонентов из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям - например рекуперация летучих растворителей.

Технологический расчет абсорбера

Материальный баланс

Массу аммиака, переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель - воду за единицу времени определяем из уравнения материального баланса.

(1)

где G - расход инертной части газа, кг/с; L - расход чистого поглотителя, кг/с;, - относительная массовая концентрация аммиака в воде, кг NH3/ кг воды; , - относительная массовая концентрация аммиака в воздухе, кг NH3/ кг воздуха.

Относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяем по формулам:

, (2)

где - массовая доля аммиака в воде, кг NH3/ кг NH3+кг воды.

, (3)

где - мольная доля аммиака в воздухе, кмоль NH3/кмоль NH3+кмоль воздуха; - молярная масса аммиака, г/моль; - молярная масса воздуха, г/моль.

кг NH3/ кг воды

кг NH3/ кг воды

кг NH3/ кг воды

Конечная концентрация аммиака в воде обуславливает её расход, а так же часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и её регенерацией. Поэтому выбирают исходя из оптимального расхода поглотителя. Примем расход воды на 40% больше чем минимальный расход [6]. В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса используя данные по равновесию:

(4)

где кг/с минимальный расход поглотителя, кг/с.

Данные по равновесию

коэффициент распределения (5)

где E коэффициент Генри, ат; P общее давление смеси газов, ат.

E=0,823 ат [11].

Уравнение равновесной линии имеет вид:



(6)

Рис.14. Зависимость между содержанием аммиака в газе и в воде при 20єС

=0,0336 кг NH3/ кг воды - концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава (по рис.14.)

Решая уравнение (4) получаем:

кг NH3/ кг воды

Пересчитываем расход газа на заданные условия по формуле:

, (7)

м3/ч=0,163м3/с



Расход инертной части газа:

, (8)

кг/м3, [6]

кг/с

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

кг/с

Тогда соотношение между расходом фаз, или удельный расход поглотителя находим как:

кг/кг.

Движущая сила массопередачи

Движущая сила может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель последовательного вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентрации газовой фазы.

, (9)

- большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг NH3/ кг воды



, (10)

, (11)

- концентрации аммиака в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него.

=0,0009 кг NH3/ кг воздуха

=0,0203 кг NH3/ кг воздуха

кг NH3/ кг воздуха

кг NH3/ кг воздуха

кг NH3/ кг воздуха

Определение скорости газа и диаметра абсорбера c насадкой кольца Рашига

При противотоке газа и жидкости в зависимости от скоростей потоков наблюдаются четыре гидродинамических режима [1].

Первый режим (пленочный) наблюдается при сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости.

Второй режим (режим подвисания) характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличивается.

Третий режим (режим захлебывания) возникает в результате того, что жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока сила тяжести, действующая на находящуюся в насадке жидкость, не уравновесит сил трения. Это приводит к обращению (инверсии) фаз. Режим захлебывания соответствует максимальной эффективности колонны.

Четвертый режим (режим уноса) возникает при повышении скорости газа против величины, соответствующей режиму захлебывания, при этом происходит вторичная инверсия фаз.

Насадочные колонны проектируются таким образом, чтобы рабочая скорость газа была несколько меньше скорости, при которой наступает инверсия фаз.

Скорость Wинв в насадочных колоннах работающих в режиме эмульгирования (захлебывания) определяют как:

, (12)

- вязкость соответственно поглотителя при при температуре в абсорбере и воды при 20 єС, Пас; А,В - коэффициенты зависящие от типа насадки; L, G - расходы фаз, кг/с.

Рабочая скорость газа определяется:

W= , (13)

Находим плотность газовой смеси по формуле:

=кг/м3

Пересчитываем плотность газовой смеси на условия в абсорбере:

кг/м3



В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига внавал, со следующими характеристиками:

а=200 м2/м3

м3/м3

dэ=0,015 м

кг/м3

Выбор насадки обусловлен тем, что кольца Рашига наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самыми употребительными насадками. Водный раствор аммиака является коррозионно-активной средой, поэтому в качестве материала насадки выбираем керамику.

Рассчитываем предельную скорость газа:

А=0,073 В=1,75

м/c

W= м/c

Диаметр абсорбера находим из уравнения расхода:

, (14)

м

Рассчитанный диаметр соответствует стандартному диаметру обечайки абсорбера [5].

Рассчитаем долю орошения колонны по формуле:

, (15)

где S площадь поперечного сечения абсорбера, м2

м3/м2

Доля активной поверхности насадки может быть найдена:

, (16)

p=0,0367 -коэффициенты зависящие от типа насадки [1].

q=0,0086

- поверхность насадки смочена недостаточно, для увеличения плотности орошения выбираем другую насадку - керамические кольца Рашига внавал, со следующими характеристиками:

а=90 м2/м3

м3/м3

dэ=0,035 м

кг/м3

Находим предельную скорость газа:



м/c

W= м/c

Диаметр колонны:

м

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d=2,6 м [5].

Пересчитываем скорость на выбранный стандартный диаметр:

м/c

Плотность орошения колонны:

м3/м2

Доля активной поверхности насадки составит:

Где p=0,0240 и q=0,0012 - коэффициенты зависящие от типа насадки [1].

- достаточная доля активной поверхности насадки.

Определение коэффициента массопередачи для абсорбера c насадкой кольца Рашига

Коэффициент массопередачи находим по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

, (17)

где и коэффициенты массопередачи в газовой и жидкой фазах, кг/м2с; m коэффициент распределения.

Рассчитаем коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке определяется по формуле: физический абсорбция газовый вязкость

, (18)

Определим вязкость газовой смеси:

Вязкость аммиака при 20єС:

, (19)

Пас [6].

С= константа уравнения, [6].

Пас

Вязкость воздуха при при 20єС:



, (20)

Пас [6].

С= константа уравнения, [6].

Пас

Вязкость газовой смеси найдем из уравнения:

, (21)

,

=18,33 Пас

=5084

Коэффициент диффузии аммиака в газе можно рассчитать по уравнению:

, (22)

P=1 ат =1 кгс/см2

см3/моль [6]

см3/моль [6]



м2/с,

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы:

, (23)

Коэффициент массоотдачи находим из уравнения:

, (24)

м/с

Выразим в выбранной для расчета размерности:

, (25)

, (26)

,

кг/м2с

Рассчитаем коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости:



, (27)

=110,89

Средний коэффициент диффузии аммиака воде при 20єС:

м/с [6]

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

, (28)

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости:

, (29)

м

Коэффициен массоотдачи в жидкой фазе:

, (30)

м/с

Выразим в выбранной для расчета размерности:



, (31),

кг/м2с

Рассчитаем коэффициент массопередачи:

кг/м2с

Поверхность массопередачи и высота абсорбера

c насадкой кольца Рашига

Поверхность массопередачи в абсорбере равна:

, (32), м2

Высоту насадки необходимую для создания этой поверхности рассчитываем по формуле:

, (33), м

Высота колонны определяется по формуле:

, (34)

где высота насадочной части колонны, м; высота сепарационной части колонны, м; высота нижней части колонны, м; расстояние между слоями насадки, м.

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки. Его принимают равным:

, (35)

м

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

, (36)

м

Во избежание значительных нагрузок на нижние слои насадки её укладывают ярусами по 4 решетки в абсорбере. Промежутков между ними 3, расстояние между решетками 0,7 м [4].

м

Высота колонны:

м

6.6. Гидравлическое сопротивление абсорбера c насадкой кольца Рашига

Гидравлическое сопротивление обусловливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле:



, (37)

Гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки определяют по уравнению:

, (38)

скорость газа в свободном сечении насадки (39)

м/с

Коэффициент сопротивления л беспорядочно насыпанных кольцевых насадок при турбулентном режиме движения можно рассчитать:

, (40)

Па

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

[4]

Па

Т.к гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты проведем аналогичный расчет для более совершенной насадки с целью уменьшения гидравлического сопротивления.

Подбор штуцеров.

Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения рассчитывают по формуле:

Трубопровод подачи газа в колонну

м

Выбираем трубопровод по ГОСТу 100012 мм - ВСт.3.

Трубопровод подачи абсорбента

м

Выбираем трубопровод по ГОСТу 1006 мм - ВСт.3.

Штуцер Dу - 100 мм, Нт -150 мм.

Трубопровод для выхода отработанного газа

м

Выбираем трубопровод по ГОСТу 100012 мм - ВСт.3.

Трубопровод для выхода аммиачной воды

м



Выбираем трубопровод по ГОСТу 50012 мм - ВСт.3.

В качестве материалов для уплотнительных прокладок выберем фторопласт для штуцеров, которые соприкасаются с аммиаком (т.к. агрессивная среда), для штуцеров для воды выберем паронит марки ПОН ГОСТ 481-71.

Механический расчёт

Расчет толщины обечайки

Толщину обечайки определяем по формуле:

, (42)

где d диаметр аппарата, м; P рабочее давление, МПа; допускаемое напряжение, МПа; коэффициент прочности сварочных швов; поправка на коррозию.

Допускаемое напряжение можно рассчитать по формуле:

, (43)

МПа [4]

[4]

МПа

[2]

мм [3]

мм

Согласно рекомендациям [5] принимаем толщину обечайки мм.

Толщина стенки аппарата должна быть малой по сравнению с диаметром аппарата и должно соблюдаться условие:



, (43)

Условие соблюдается.

Расчет толщины днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 78 [4], толщина стенки днища мм.

Расчёт опор

Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется с помощью опор.

Для того, чтобы рассчитать нагрузку на опоры нужно определить вес аппарата в рабочем состоянии и во время гидравлического испытания. Т.к.

Выбираем опоры для аппарата из каталога с максимальной допустимой нагрузкой до 25 кН - Опора 25-222-1 ОСТ 26-2091-93 (ст3пс4 ГОСТ 380).



Заключение

В ходе данной работы был подобран абсорбер колонного типа с четырьмя полками для насадки, противоточный с орошением водой и подобраны штуцера.

Абсорбер имеет следующие параметры:

4 блока насадки высотой 11,4 м;

Поверхность массопередачи в абсорбере ;

Внутренний диаметр абсорбера ;



Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. / Касаткин А. Г. М.: Химия, 1971.

2. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособ. для студ. химико-технол. спец. вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. - 8-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1976. - 552 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Дытнерский Ю.И. - Москва, Химия, 1983 г. - 272 с.

4. Лащинский А. А., Толчинекий А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. - Ленинград: «Машиностроение», 1970. - 752 с.

Размещено на Allbest.ru