Расчет адсорбционной колонны

На рис. Х1-20 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно» Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так - как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что спосоосгвует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

Колпачковые тарелки изготовляют  с радиальным или диаметральным  переливами жидкости. Тарелка с  радиальным переливом жидкости (рис. Х1-21, а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т. д.

Тарелка с диаметральным переливом  жидкости (рис. Х1-21, б) представляет собой  срезанный с двух сторон диск /, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой — сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

Колпачковые тарелки устойчиво  работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

На рис. Х1-22 показана распространенная конструкция штампованного капсюльного колпачка. Он состоит из патрубка, который развальцован в отверстии тарелки 2, и планки 3, приваренной к верхней части патрубка. К планке с помощью болта 4 крепится колпачок 5 диаметром 80—150 мм, закрепляемый на требуемой высоте контргайкой.

Колпачковые тарелки  устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

Клапанные и балластные тарелки (рис. XI-23). Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.

Принцип действия клапанных тарелок (рис. Х1-23. а, б) состоит в том, что  свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис. X1-23, в) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке.

Балластные тарелки (рис. X1-23, г) отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта. Известны разновидности клапанных и балластных тарелок, отличающиеся конструкцией клапанов (балластов) и ограничителей.

 

Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных выше, работают при однонаправленном движении фаз, т. е. каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз. В колонне с пластинчатыми тарелками (рис. Х1-24) жидкость (движение которой показано на рисунке сплошными стрелками) поступает с вышележащей тарелки в гидравлический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку 3, состоящую из ряда наклонных пластин 4. Дойдя до первой щели, образованной наклонными пластинами, жидкость встречается с газом (пунктирные стрелки), который с большой скоростью (20—40 м/сек) проходит сквозь щели. Вследствие небольшого угла наклона пластин (б_т = 10—15°) газ выходит на тарелку в направлении, близком к параллельному по отношению к плоскости тарелки. При этом происходит эжектирование жидкости, которая диспергируется газовым потоком на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей щели, где процесс взаимодействия жидкости и газа или пара повторяется. В результате жидкость с большой скоростью движется вдоль тарелки от переливной перегородки 2 к сливному карману 5. В данном случае нет, необходимости в установке переливного порога у кармана 5, что уменьшает общее гидравлическое сопротивление тарелки.

Таким образом, пластинчатые тарелки работают так, что в отличие от тарелок других конструкций жидкость является дисперсной фазой, а газ — сплошной, и контактирование жидкости и газа осуществляется на поверхности капель и брызг. Описанный гидродинамический режим газожидкостной дисперсной системы на контактной тарелке может быть определен как капельный или капельно-брызговой.

 

Этот режим позволяет резко  повысить нагрузки по жидкости и газу   в   колоннах с  пластинчатыми тарелками.

Помимо работы пластинчатых тарелок  в интенсивном капельном режиме к числу их достоинств относятся: низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными жидкостями, низкий расход металла при их изготовлении. На тарелках этого типа уменьшается продольное перемешивание жидкости, что приводит к увеличению движущей силы массопередачи. Недостатками пластинчатых тарелок являются: трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходах жидкости. В настоящее время разработан ряд других конструкций тарелок с однонаправленным движением жидкости и газа, описание которых приводится в специальной литературе.

Колонны с тарелками без сливных  устройств (рис. Х1-25). В тарелке без  сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку — «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки. Для проектирования приняли тарельчатый абсорбер с ситчатыми тарелками.

 

2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Так как газовая смесь бензола и коксового газа при температуре 30 С° является коррозионно активной и взрывоопасной, 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].

 

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ  АБСОРБЕРА

1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат.

Мольная концентрация C₆H₆ в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,035/78)/(0,035/78 + 0,965/10) = 0.00463

где М_В = 17 – мол. масса C₆H₆;

         М_А = 10 – мол. масса коксового газа.

  Молекулярная масса исходной  смеси:

М_см = М_B + (1– )М_A = 78*0,00463+10*0,99537 = 10,03 кг/кмоль

При нормальных условиях:

r_0Н = М_см/ 22,4 = 10,03/22,4 = 0,448 кг/м³,

при рабочих условиях: t = 30° C;   Р =  0,1 МПа:

r_Н = r_ОНТ₀Р/(ТР₀) = 0,448*273/303=0,404 кг/м³.

3.2. Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:

G_Н = Vr_Н = 2,22/0,404=0,898 кг/с.

V = 8000/3600 = 2,22 м³/с.

3.4. Расход распределяемого компонента и инертного вещества

G_ркн = G_{Н н}  = 0,898*0,035=0,0314 кг/с,

G_ин = G_Н(1 – _н) = 0,898*0,965=0,867 кг/с.

5. Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = G_ркн0,66 = 0,0314×0,66 = 0,021 кг/с

0,66- степень извлечения бензола  = 3,5-1,2/3,5

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

G_ркк = G_ркн – М = 0,0314-0,021=0,0104 кг/с

  Расход газовой фазы на  выходе:

G_К = G_н – М = 0,898-0,021=0,877 кг/с.

3.6. Относительная концентрация  C₆H₆ на входе и выходе:

= G_ркн / G_ин = 0,0314/0,867=0,036 кг/кг,

= G_ркк / G_ин = 0,0104/0,867=0,012 кг/кг.

3.7. Расход инертной фазы.

С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на   нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где М_вод = 18 – молярная масса коксового газа,

      = 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для C₆H₆

0,036 = 78×0,276 /{10×0,1[78/58 + ×(1 – 0,276/0,1)]}.

 

Решая это уравнение получим  = 0,0022 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,012) и точку В ( = 0,036; = 0,0022) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе коксового газа m_min:

m_min = tga_min =   = (0,036-0,012)/0,0022 = 10,9 кг/кг.

Действительный расход коксового газа

m = 1,3m_min = 1,3×10,9  = 14,17 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии  будет:

У=14,17Х+0,005

отсюда конечная концентрация C6H6 в КУМ = 0,00136.

 

Через точки А и С ( ; ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции.

 

 

 

                                                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Рабочая диаграмма абсорбции бензола каменноугольным маслом.

 

Расход коксового газа на входе:

L_ин = mG_ин = 14,17*0,867= 12,3 кг/с.

Расход коксового газа на выходе:

L_K = L_ин + М = 12,3+0,021=12,321 кг/с.

Средний расход коксового газа:

L_ср = 0,5(L_ин + L_K) = 0,5×(12,3+12,321) = 12,31 кг/с

 

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА

1. Скорость газа в абсорбере

w = 0,05(ρ_ж/ρ_г)^0,5

где ρ_ж = 998 кг/м³ – плотность коксового газа при 30 ºС [1c. 537];

                 ρ_г – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

y_к = М_{В к}/(М_{В к}+М_А) = 10*0,012/(10*0,012+78*0,988) = 0,0016

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,00463+0,0016) = 0,003115.

  Средняя молекулярная масса  газовой смеси:

М = М_Ау+(1 – у)М_В = 78*0,003115+10*0,9968  = 10,24 кг/моль.

  Средняя плотность газовой  фазы при рабочих условиях:

r_г = МТ₀Р/(22,4ТР₀) = 10,24×273∙0,1/(22,4×303∙0,1) = 0,41 кг/м³.

w = 0,05(998/0,41)^0,5 = 2,46 м/с

4.2. Диаметр абсорбера:

d =

где G_ср – средний расход газовой фазы:

G_ср = 0,5(G_H + G_K) = 0,5×(0,896+0,877) = 0,8865.

d = (4∙0,8865/2,46∙π∙1,16)^0,5 = 1,18 м.

Принимаем стандартный диаметр  колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой  фазы:

w_г = 2,47(1,18/1,0)² = 1,77 м/с.

4.4.  Характеристика стандартной тарелки:

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м²;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение  тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м²;

Периметр слива, L_c – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

 

 

5. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ АБСОРБЕРА

1. Высота светлого слоя жидкости: