Пояснительная записка Абсорбция ПАХТ Ярославль. Пояснительная записка. 1. Задание на проектирование 5 Описание технологической схемы установки 6

Название	1. Задание на проектирование 5 Описание технологической схемы установки 6
Анкор	Пояснительная записка Абсорбция ПАХТ Ярославль
Дата	03.05.2022
Размер	67.77 Kb.
Формат файла
Имя файла	Пояснительная записка.docx
Тип	Документы #510070

1. Задание на проектирование 5

2. Описание технологической схемы установки 6

3. Определение расхода поглотителя и массы поглощаемого вещества 7

4. Расчет насадочной колонны 9

4.1. Скорость газа и диаметр абсорбера 9

4.2. Плотность орошения и активная поверхность насадки 10

4.3. Расчет коэффициентов массоотдачи 11

4.4. Поверхность массопередачи и высота абсорбера 14

4.5. Гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера 14

5. Расчет тарельчатой колонны 15

5.1. Скорость газа и диаметр абсорбера 15

5.2. Высота светлого слоя жидкости 15

5.3. Коэффициенты массоотдачи 16

5.4. Число тарелок абсорбера 16

5.5. Выбор расстояния между тарелками и определение высоты абсорбера 17

5.6. Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера 18

6. Сравнительная характеристика насадочной и тарельчатой колонн 18

7. Расчет вспомогательного оборудования 20

7.1. Расчет и подбор емкости для поглотителя 20

7.2. Расчет и подбор насоса для подачи поглотителя 20

7.3. Расчет и подбор вентилятора 22

8. Механический расчет абсорбционной колонны 23

8.1. Расчет толщины обечайки 23

8.2. Расчет штуцеров 24

Список литературы 25

1. Задание на проектирование

Рассчитать абсорбер для улавливания паров метанола из воздуха водой при следующих условиях:

Производительность по исходной смеси 7200 кг/ч
Концентрация ацетона в газе
- начальная 8,25 % об.
- конечная 0,32 % об.
Концентрация ацетона в абсорбенте
- начальная 0
- конечная определить
Коэффициент избытка абсорбента 1,3
Рабочая температура процесса 20 °С
Давление в аппарате 0,1

Расчеты выполнить для насадочного и тарельчатого абсорбера и привести их сравнительный анализ.

2. Описание технологической схемы установки

Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны. Абсорбция может использоваться для получения готового продукта, путем поглощения газа жидкостью; для разделения газовых смесей на их составляющие компоненты; для очистки газов от вредных примесей; для улавливания ценных компонентов из газовых выбросов.

Газ на абсорбцию подается газодувкой в нижнюю часть колонны, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелку). Абсорбент из промежуточной емкости подается насосом в верхнюю часть колонны и с помощью распределительного устройства (оросителя) равномерно распределяется по сечению колонны. В колонне осуществляется противоточное движение газа и жидкости. Газ, пройдя установленный в колонне брызгоотбойник, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор с низа колонны в промежуточную емкость. Из этой емкости абсорбент может подаваться на регенерацию, если она предусмотрена заданием на проектирование.

Конструкция колонны включается в себя контактный элемент (насадку или тарелку) и распределительные устройства. В случае насадочной колонны может быть несколько слоев загруженной насадки, между которыми должны располагаться распределительные устройства. Если используются тарелки, то их количество определяется взаимным расположением рабочей и равновесной линий процесса абсорбции. Распределительные устройства необходимы для обеспечения высокой смачиваемости контактных устройств (насадки).

3. Определение расхода поглотителя и массы поглощаемого вещества

Введем следующие обозначения: G – для газа-носителя, L – для поглотителя, M – для поглощаемого вещества.

Перевод мольных концентраций в относительные массовые осуществляется по формулам (1, 2):

	(1)
	(2)

Молярные массы:

паров метанола = 32 кг/кмоль;
воздуха = 29 кг/кмоль;
водой = 18 кг/кмоль;

Начальная и конечная концентрация газа:

Материальный баланс абсорбера выглядит следующим образом:

(3)

Масса поглощаемого вещества:

Минимальный расход абсорбента:

(4)

– состав абсорбента, равновесный начальному составу газа. Уравнение фазового равновесия для системы пары метанола-воздух-вода при температуре процесса 20 °С выглядит следующим образом:

(5)

Учитывая коэффициент избытка поглотителя, получаем его расход:

Тогда конечная концентрация абсорбента определяется по формуле (6):

(6)

Рабочая линия процесса строится по уравнению (7):

(7)

Рабочая и равновесная линия процесса приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Построение рабочей и равновесной линий процесса

Движущая сила процесса представляет собой:

	(8)
	(9)
	(10)

4. Расчет насадочной колонны

В качестве насадки выбираем керамические кольца Рашига. Тип укладки – неупорядоченные. Основные характеристики насадки приведены ниже:

Размер 50×50×5 мм
Удельная поверхность a = 90 м²/м³
Свободный объем ε = 0,785 м³/м³
Эквивалентный диаметр d_э = 0,035 м
Насыпная плотность ρ = 530 кг/м³

4.1. Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению (11)

(11)

Значения коэффициентов А и В для колец Рашига внавал следующие:

Плотность и вязкость поглотителя при температуре в абсорбере 20 °C:

Плотность воды при 20 °С:

Плотность газа при условиях абсорбера:

(12)

Плотность воздуха при нормальных условиях:

Подставляя значения в уравнение (11) и решая его, получаем значение предельной скорости:

Принимаем рабочую скорость газа равной 80% от предельной:

Объемный расход газа:

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

(13)

Выбираем ближайший больший диаметр обечайки абсорбера из нормального ряда диаметров колонн, принятых в химической промышленности:

. При этом фактическая скорость газа в колонне составляет:

4.2. Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

(14)

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов:

(15)

Эффективная линейная плотность орошения для всех насадок кроме колец Рашига размером 75 мм и хордовых насадок с шагом более 50 мм:

Фактическая плотность орошения больше минимальной, значит можем считать, что вся поверхность насадки смочена. Однако не вся смоченная поверхность является активной, ее доля определяется по формуле:

(16)

Для неупорядоченных колец Рашига размером 50 мм:

Доля активной поверхности тогда составляет:

4.3. Расчет коэффициентов массоотдачи

Расчет газовой фазы:

Диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы в колоннах с неупорядоченной насадкой:

(17)

Критерий Рейнольдса для газовой фазы:

(18)

Динамическая вязкость воздуха при условиях в колонне:

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы:

(19)

Коэффициент диффузии паров метанола в воздухе при нормальных условиях:

Коэффициент диффузии при условиях в колонне:

(20)

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

(21)

Расчет жидкой фазы:

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости:

(22)

Коэффициент диффузии паров метанола в воде рассчитывается по формуле для разбавленных растворов:

(23)

Коэффициенты А и В для паров метанола и воды

Мольный объем вещества:

(24)

Молярная масса и плотность паров метанола (в жидком состоянии):

Молярная масса и плотность воды:

Диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы в колоннах с любым типом укладки насадки:

(25)

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости:

(26)

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

(27)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

(28)

Коэффициент массопередачи в газовой фазе:

(29)

4.4. Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере:

(30)

Высота насадки, необходимая для создания требуемой поверхности массопередачи:

(31)

4.5. Гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер и рассчитывают по следующей формуле:

(32)

Коэффициент b для выбранной насадки (неупорядоченные керамические кольца Рашига размером 50 мм):

Сопротивление сухой насадки:

(33)

Коэффициент сопротивления для выбранной насадки при турбулентном режиме (

> 40):

(34)

5. Расчет тарельчатой колонны

5.1. Скорость газа и диаметр абсорбера

Примем, что в колонне установлены ситчатые тарелки.

Рабочая скорость газа для таких тарелок:

(35)

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

. При этом фактическая скорость газа в колонне составляет:

Принимаем ситчатые тарелки со следующими характеристиками:

Тип – ТС-Р;
Диаметр отверстия – 4 мм;
Шаг между отверстиями – 8 мм;
Периметр слива L_c – 0,86 м;
Свободное сечение тарелкиF_c – 13,9 %;
Рабочее сечение тарелки f – 1,368 м².

5.2. Высота светлого слоя жидкости

Высота светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке находится по уравнению:

(36)

Принимаем высоту перегородки h_пер равной 40 мм.

Объемный расход абсорбента:

Газосодержание барботажного слоя:

(37)

Критерий Фруда:

(38)

5.3. Коэффициенты массоотдачи

При интенсивном гидродинамическом коэффициенты массоотдачи (отнесенные к единице рабочей площади тарелки) можно рассчитать по следующим уравнениям

	(39)
	(40)

Коэффициент массопередачи в газовой фазе:

(41)

5.4. Число тарелок абсорбера

Суммарная поверхность тарелок абсорбера:

(42)

Рабочая поверхность тарелки:

Требуемое количество тарелок:

5.5. Выбор расстояния между тарелками и определение высоты абсорбера

Расстояние между тарелками принимают равным или нескольким большим суммы высот барботажного слоя и сепарационного пространства:

(43)

Высоту сепарационного пространства вычисляют, исходя из допустимого брызгоуноса с тарелки, принимаемого равным 0,1 кг жидкости на 1 кг газа. Для расчета брызгоуноса e (кг/кг) с ситчатых тарелок рекомендовано следующее уравнение:

(44)

Решая это уравнение, находим высоту сепарационного пространства:

Высота барботажного слоя:

(45)

Принимаем

. Тогда высота тарельчатой части колонны:

(46)

5.6. Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

(47)

Коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки принимаем:

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке

(48)

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

(49)

Эквивалентным диаметром ситчатой тарелки является диаметр ее отверстий.

Полное гидравлическое сопротивления абсорбера:

(50)

6. Сравнительная характеристика насадочной и тарельчатой колонн

Результаты расчетов насадочного и тарельчатого абсорберов приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Сравнение насадочного и тарельчатого абсорберов

Параметр	Насадочный абсорбер	Тарельчатый абсорбер
Диаметр, м	1,2	1,4
Высота насадки/тарельчатой части, м	8,9	4,8
Скорость газа, м/с	1,469	1,079
Гидравлическое сопротивление колонны, Па	3998,4	3878,2

Сравнение и анализ этих данных показывают, что тарельчатому абсорберу соответствует бóльший диаметр, но гораздо меньшая высота, чем для насадочного. При этом общее гидравлическое сопротивление практически не отличается. Поэтому для проектирования выбираем тарельчатый абсорбер.

Чертеж аппарата с разрезами и узлами приведен в приложении.

7. Расчет вспомогательного оборудования

7.1. Расчет и подбор емкости для поглотителя

Емкость предназначена для хранения абсорбента – воды. Требуемая вместимость рассчитывается по формуле:

(52)

Необходимый запас времени и коэффициент заполнения принимаем равными:

К установке принимаем емкость со следующими параметрами:

Вместимость – 25 м³
Диаметр – 2000 мм
Длина – 7300 мм

7.2. Расчет и подбор насоса для подачи поглотителя

Насос предназначен для подачи абсорбента в верхнюю часть абсорбера.

Принимаем скорость абсорбента во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковой и равно 1,5 м/с. Рассчитываем внутренний диаметр трубопровода:

(53)

Выбираем стандартный трубопровод размером d_н × δ = 56 × 3,5 мм, где d_н – наружный диаметр трубопровода, δ – толщина стенки. Внутренний диаметр трубопровода составит:

Уточняем скорость движения абсорбента в трубопроводе:

(54)

Определяем режим движения в трубопроводе:

(55)

Re > 10000, следовательно режим движения в трубопроводе – турбулентный.

При турбулентном режим движения коэффициент трения может быть рассчитан по формуле А.Д. Альтшуля:

(56)

Принимаем абсолютную шероховатость трубопровода:

Геометрическую высоту подъема примем равной высоте насадочного абсорбера, т.е.:

Общая длина питающего трубопровода с учетом длины горизонтальных участков:

Коэффициенты местного сопротивления для каждого вида сопротивления трубопровода представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов местного сопротивления

Вид сопротивления	Значение коэффициента
Вход с острыми краями	0,5
Два отвода (плавный поворот на 90°)	2 · 0,15
Два вентиля	2 · 4,0
Выход из трубы	1,0
Σξ	9,8

Требуемый напор насоса составит:

(57)

Объемная производительность насоса составит:

Выбираем центробежный насос со следующими характеристиками:

Марка – X20/18
Производительность – 0,0055 м³/с
Напор – 10,5 м.

7.3. Расчет и подбор вентилятора

Вентилятор предназначен для подачи исходной газовой смеси (пары ацетона – воздух) в нижнюю часть противоточного абсорбера.

Требуемая объемная производительность составит

Общее гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера составляет:

По расходу смеси и гидравлическому сопротивлению колонны подбираем газодувку со следующими характеристиками:

Марка – ТВ-200-1/12
Производительность – 3,33 м³/с
Полное давление – 12000 Па
Мощность – 75 кВт.

8. Механический расчет абсорбционной колонны

8.1. Расчет толщины обечайки

Толщину тонкостенных обечаек при D > 200 мм рассчитывают по формуле:

(58)

Давление в аппарате по гидравлическому испытанию:

Допускаемое напряжение на растяжения для материала обечайки

Коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, принимаем:

Прибавка для учета толщины коррозии за 10 лет службы аппарата:

Границей применения формулы (58) является условие

Стандартом ОСТ 26-291-94 установлены минимальные толщины стенок для сосудов и аппаратов. Толщины обечаек, днищ, опор с учетом прибавки для компенсации коррозии должны быть для обечаек, выполненных из углеродистых и низколегированных сталей, не менее:

Окончательно принимаем толщину обечайки

= 5 мм. Такой же принимаем толщину эллиптического днища.

8.2. Расчет штуцеров

Штуцеры для входа и выхода газовой смеси

(59)

Скорость газового потока в штуцерах принимается из диапазона 20‑30 м/с. Принимаем 25 м/с:

Выбираем стандартные штуцеры для входа и выхода газового потока с условным диаметром 300 мм.

Штуцеры для входа и выхода поглотителя

(60)

Скорость жидкости в штуцерах принимается из диапазона 0,5‑2,5 м/с. Принимаем 1,5 м/с:

Выбираем стандартные штуцеры для входа и выхода поглотителя с условным диаметром 50 мм.

Список литературы

Процессы и аппараты химической технологии. Абсорбция: учеб. пособие / В. К. Леонтьев, О. Н. Кораблева, Е. А. Гирба. - Ярославль: ИД ЯГТУ, 2018.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; под ред. П. Г. Романкова. - 12-е изд., стер. - М.: Альянс, 2005.
Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию: учеб. пособие для студ. хим.-технол. спец. вузов / Г. С. Борисов [и др.]; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 2-е изд., перераб., и доп. - М.: Химия, 1991.