|
|
насадочная абсорбционная колонна для поглощения паров муравьиной кислоты. Литература Аннотация
Содержание
Аннотация
Введение
1 Выбор типа абсорбера
2 Технологическая схема
3 Выбор конструкционного материала
4 Материальный расчет абсорбера
4.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат.
4.2 Массовые расходы
4.3 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе:
4.4 Расход инертной фазы.
5 Определение диаметра абсорбера
5.1 Средняя плотность газовой фазы.
5.2 Предельная скорость газовой смеси
5.3 Рабочая скорость газовой фазы:
5.4 Диаметр колонны:
6 Расчет высоты слоя насадки
6.1 Число единиц переноса
6.2 Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе:
6.3 Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе:
6.4 Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса:
6.5 Суммарная высота насадки:
7 Гидравлический расчет
7.1 Плотность орошения насадки:
7.2 Коэффициент сопротивления:
7.3 Скорость газа в свободном сечении насадки:
7.4 Гидравлическое сопротивление сухой насадки:
7.5 Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:
7.6 Подбор насоса для подачи воды.
8 Конструктивный расчет
8.1 Толщина обечайки:
8.2 Днища.
8.3 Фланцы.
8.4 Штуцера.
8.5 Расчет опоры.
Выводы
Литература
Аннотация
В данном курсовом проекте проведен расчет насадочного абсорбера для поглощения муравьиной кислоты (СН2О2) из смеси ее с воздухом. Выполнен материальный, гидравлический и конструктивный расчеты, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы. Подобраны газодувная машина и насосы для подачи воды.
Проект, включает в себя страниц, рисунков и таблиц. Графическая часть проекта выполнена на формате А1.
ВВЕДЕНИЕ
Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.
В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.
При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика – основными уравнениями массопередачи.
При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.
В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.
Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насадкой - твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличивается поверхности соприкосновения газа и жидкости.
Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.
В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в насадочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата
В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх.
1. ВЫБОР ТИПА АБСОРБЕРА
Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недостатки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.
Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками – дополнительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости
Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление.
Насадочные колонны – наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, насадка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным преимуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных абсорберах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидкости и при больших тепловыделениях.
В результате абсорбции аммиака водой образуется щелочной раствор являющийся коррозионно-активным, поэтому выбираем насадочный тип абсорбера с керамической насадкой, кроме того при работе под атмосферным давлением гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера будет меньше, чем у барботажного.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Описание технологической схемы
Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД, подается в насадочный абсорбер А. В верхнюю часть абсорбера, центробежным насосом Н, подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз кислота растворяется в воде и воздух очищается. Вода, насыщенная кислотой самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.
3 ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Так как водный раствор муравьиной кислоты при температуре 20 С° является коррозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600°С [4с59].
4 МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АБСОРБЕРА
4.1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат.
Мольная концентрация кислоты в газовой смеси на входе в аппарат:
где  – молярная масса муравьиной кислоты,
 – мол. масса воздуха.
Плотность газовой смеси при нормальных условиях:
при рабочих условиях:  ;
4.2. Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:
Определяем объемный расход в 
4.3. Расход распределяемого компонента и инертного вещества
Масса распределяемого компонента поглощенного водой
Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе
Расход газовой фазы на выходе
4.5. Относительная концентрация распределяемого компонента на входе и выходе из аппарата:
4.6. Расход инертной фазы.
Коэффициент распределения  , определяет минимальный расход абсорбента (воды)
Действительный расход воды
тогда уравнение рабочей линии примет вид:
отсюда конечная концентрация кислоты (при  в воде 
Расход воды на входе:
.
Расход воды на выходе:
Средний расход воды:
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА
Средний расход газовой фазы:
5.2. Плотность газовой смеси при нормальных условиях на выходе из аппарата.
Мольная концентрация кислоты в газовой смеси на выходе из аппарата:
Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях
Средняя мольная концентрация
Молекулярная масса газовой фазы
5.3. Предельная и рабочая скорость газовой фазы
Предельную скорость газовой фазы wпр, соответствующую точке инверсии фаз, т. е. переходу от пленочного гидродинамического режима к эмульгированию найдем из уравнения
где
ж и в – вязкость абсорбента и воды при 20С; в нашем случае
  – плотность воды при рабочей температуре;
 и  – коэффициенты зависящие от типа насадки: для колец Рашига
 [2c. 65]
 – эквивалентный диаметр насадки с размерами 35354
 – свободный объем насадки
откуда 
Рабочая скорость газовой фазы:
где n = 0,9 – для турбулентного режима работы абсорбера [2c. 65].
5.4. Диаметр колонны:
Принимаем стандартный диаметр  , тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:
Условие  что соответствует турбулентному режиму.
РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ НАСАДКИ
6.1 Число единиц переноса  находим как площадь под кривой 
х
|
Y
|
Yр
|
1/(Y-Yр)
|
0
|
0,007
|
0,000
|
142,86
|
0,033077
|
0,028
|
0,017
|
87,25
|
0,066153
|
0,050
|
0,033
|
59,09
|
0,09923
|
0,071
|
0,050
|
46,76
|
0,132307
|
0,093
|
0,066
|
37,25
|
0,165383
|
0,114
|
0,083
|
31,94
|
0,19846
|
0,136
|
0,099
|
27,2
|
Искомую площадь находим методом трапеций:
6.2 Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе:
где  – для колец Рашига [2c. 69],
 – удельная поверхность насадки [1c. 524],
 – коэффициент смачивания насадки, зависящий от отношения рабочей плотности орошения  к оптимальной 
где  – для процесса абсорбции [2c. 70]
  [2c. 69]
Критерий Рейнольдса:
Вязкость воздуха при рабочей температуре 20С
где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],
c = 124 – вспомогательный коэффициент.
Вязкость муравьиной кислоты при 20С
 [1c.557]
Вязкость газовой смеси найдем из соотношения
или
Откуда 
Диффузионный критерий Прандтля
где Dг – коэффициент диффузии муравьиной кислоты в воздухе:
 и  – мольные объемы паров компонентов
6.3. Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе:
Критерий Рейнольдса
где  - площадь поперечного сечения колонны.
Диффузионный критерий Прандтля:
Коэффициент диффузии для жидкой фазы при температуре 
 – мольный объем жидкой фазы
 – вязкость жидкой фазы (воды)
A и В – коэффициенты, учитывающие склонность к ассоциации растворов
 - для кислоты
 - для воды
6.4 Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса:
6.5. Суммарная высота насадки:
Отношение 
Высота слоя насадки не должна превышать  , поэтому принимаем 4 слоя насадки высотой  м, над которым устанавливается распределительная тарелка ТСН-III.
Техническая характеристика тарелок [2c. 146]
|
ТСН-III
|
Рабочее сечение, м2
|
0,113
|
Сечение слива, м2
|
0,0127
|
Максимально допустимая нагрузка по жидкости, м2/(м3ч)
|
145
|
Диаметр патрубка, мм
|
45
|
Количество патрубков
|
21
|
Шаг патрубков, мм
|
80
|
Масса тарелки, кг
|
5,0
|
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
7.1. Гидравлическое сопротивление насадки
Плотность орошения насадки:
Коэффициент сопротивления:
Скорость газа в свободном сечении насадки:
Гидравлическое сопротивление сухой насадки:
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:
где  – для колец Рашига [3c. 201]
По этой величине и объемному расходу  выбираем газодувку ТГ-170-1,1 [3c. 42], для которой
 ; 
Устанавливаем две газодувки.
7.2 Подбор насоса для подачи воды.
Из материального расчета имеем  . Это количество воды необходимо подать на высоту  .
Объемный расход воды  По этим величинам выбираем центробежный насос Х45/21 [3c. 38], для которого
 ;  .
8 Конструктивный расчет 8.1. Толщина обечайки:
где
 – допускаемое напряжение [3c. 394],
 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,
 – поправка на коррозию.
Согласно рекомендациям [4 c.24] принимаем толщину обечайки = 8 мм. Корпус колонны диаметром до  изготовляют из отдельных царг, соединяемых между собой с помощью фланцев.
Высота царги равна:
Каждый слой насадки располагается на опорной решетке, конструкция которой, приводится на рисунке:
Для загрузки и выгрузки каждого слоя насадки в корпусе колонны должны быть предусмотрены два люка: один – под распределительной (или перераспределительной) тарелкой, второй над опорной решеткой.
Диаметр люка для колонн диаметром  и  –  .
8.2. Днища
150 40
Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.
 
600
Масса днища mд = 28,3 кг.
Объем днища Vд = 0,035 м3.
9.3. Фланцы.
Соединение царг между собой и с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:
8.4. Штуцера
Принимаем скорость жидкости в штуцере  , а для смеси газов  , тогда
диаметр штуцера для входа и выхода воды:
принимаем 
диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:
принимаем  .
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
dусл
|
D
|
D2
|
D1
|
h
|
n
|
d
|
25
|
100
|
75
|
60
|
12
|
4
|
11
|
250
|
370
|
335
|
312
|
21
|
12
|
18
|
8.5. Расчет опоры.
Аппараты вертикального типа с соотношением  , размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.
Ориентировочная масса аппарата.
Масса обечайки
где  – наружный диаметр колонны;
 – внутренний диаметр колонны;
 – высота цилиндрической части колонны
 – плотность стали
Общая масса колонны.
Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда
где
 – масса тарелки
 – число тарелок
 – масса днища
Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании
Масса воды при гидроиспытании
Максимальный вес колонны
mmax = mкол + mв = 1677 + 12353 = 14030 кг = 0,12 МН
Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0,54 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,7 м.
Площадь опорного кольца
А = 0,785(D22 – D12) = 0,785(0,702 – 0,542) = 0,156 м2
Удельная нагрузка опоры на фундамент
= Q/A = 0,12/0,156 = 0,77 МПа < [] = 15 МПа – для бетонного фундамента.
Выводы
Выполнен материальный, гидравлический и конструктивный расчет абсорбционной колоны для поглощения паров муравьиной кислоты из смеси с воздухом производительностью 3500 м3/час. Рассчитан расход воды на абсорбцию, определена оптимальная скорость газа в колонне и рассчитан диаметр колонны – 0,6 м. Рассчитано число единиц перенос и высота единицу переноса по жидкой и газообразной фазы, на основе этих расчетов найдена высота насадки – 8,78 м.
Рассчитано гидравлическое сопротивление насадки и подобрана газодувная машина – ТГ-170-1,1.
Подобран насос для подачи воды на абсорбцию – Х45/21.
Выбраны стандартные конструктивные элементы колонны: обечайка, днища, фланцы, штуцера, опора.
Литература
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.
|
|
|
Скачать 313.35 Kb.