Расчет адсорбционной колонны

h₀ = 0,787q^0,2h_пер^0,56w_г^m[1 – 0,31exp(-0,11μ_x)]

где h_пер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

      q – линейная плотность орошения;

      μ_х = 1,0 мПа∙с – вязкость КУМ при 30 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6h_пер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/L_c = 0,0034/0,8 =  0,0043 м³/м∙с

      Q = L/ρ_ж = 3,436/998 = 0,0034 м³/с – объемный расход КУМ

h₀ = 0,787∙0,0043^0,2∙0,04^0,56∙1,59^-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м

2. Плотность орошения:

U = L/ρ_жS_к

где S_к = 0,785d² – площадь колонны; 

U = 3,436/998∙0,785∙1,0² = 0,0044 м³/м²∙с

5.3. Газосодержание барботажного слоя:

ε = Fr^0,5/(1+Fr^0,5)

где Fr – критери Фруда:

Fr = w²/gh₀ = 1,59²/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,9^0,5/(1+8,9^0,5) = 0,75

5.4.  Вязкость газовой смеси:

Вязкость коксовый газа при 30° С

,

где m₀ = 17,3×10^-6 Па×с – вязкость коксового газа при 0° С  [1c. 513],

      c = 124 – вспомогательный коэффициент .

= 17,3×10^-6×(273+124)/(293+124)×(293/273)^3/2 = 18,3×10^-6 Па×с

Вязкость C6H6 при 30° С

где m₀ = 9,18×10^-6 Па×с – вязкость бензола при 0° С  [1c. 513]

      c = 626 – вспомогательный коэффициент

= 9,18×10^-6×(273+626)/(293+626)×(293/273)^3/2 = 9,98×10^-6 Па×с

 

Вязкость газовой смеси найдем из соотношения

 или

27,81 / m_см = 17×0,099/9,98×10^-6 + 29×0,901/18,3×10^-6

откуда m_г = 17,4×10^-6 Па×с

5.5. Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии C₆H₆ в коксовый газе:

= 17,0×10^-6×0,1(293/273)^3/2/0,1 = 18,9×10^-6 м²/с,

D₀ = 17,0×10^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях

Коэффициент диффузии C6H6 в КУМ:  D_ж = 1,8×10^-9 м²/с [1c. 540].

6. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

β_жf = 6,24∙10⁵D_ж^0,5[U/(1–ε)]^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(1,8×10^-9)^0,5[0,0044/(1–0,75)]^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 =  0,013 м/с

β_жf = 0,0013∙ρ_ж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м²∙с.

7. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

β_гf = 6,24∙10⁵D_г^0,5(w/ε)^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(18,9×10^-6)^0,5(1,59/0,75)^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 =  14,98 м/с

β_гf = 14,98∙ρ_г = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м²∙с.

5.8. Коэффициент массопередачи:

K_yf = 1/(1/β_гf + m/β_жf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м²∙с

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

        клона равновесной линии.

5.9. Движущая сила процесса массопередачи:

Δ _м = _к = 0,012 кг/кг

Δ _б = _н – _рн = 0,036-0,012=0,024  = 0,032 кг/кг

Δ _ср = ( _б – _м)/ln( _б/ _м) =

(0,024-0,012)/ln(0,024/0,012) = 0,0145 кг/кг

5.10. Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/K_yfΔ _cp = 0,021/4,86∙0,0145 = 2,53 м²

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d² = 0,1∙0,785∙1,0² = 0,0785 м²

где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

  5.11. Высота колонны:

Н = Н_т(n-1)+Z₁+Z₂

где Н_т = 0,5 м – расстояние между тарелками;

       Z₁ = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

       Z₂ = 2,8 м – высота кубового пространства. 

Н = 0,5(32-1)+1,6+2,8 = 19,9 м

 

6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ  КОЛОННЫ

6.1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

ΔР_с = ζw²ρ_г/2φ²

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

       φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔР_с = 1,5∙1,59²∙1,16/2∙0,1² = 220 Па

2. Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ΔР_σ = 4σ/d_э = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение коксового газа;

       d_э = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя:

ΔР_сл = ρ_жgh₀ = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па

6.4.  Полное сопротивление тарелки:

ΔР_т = ΔР_с+ΔР_σ+ΔР_сл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5. Полное сопротивление колонны:

ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7.  Подбор газодувки и насоса для подачи КУМ.

Объемный расход газовой смеси  на входе в аппарат: V = 2,22 м/с.

По полному сопротивлению колонны  и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=2,67 м³/с, а ΔР = 20000 Па.

 

Объемный расход КУМ и напор развиваемый насосом:

Q = L_ин/ρ_ж = 3,347/998 = 0,0034 м³/с.

КУМ необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос  Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,0055 м³/с и Н=25 м.

7. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

7.1 Толщина обечайки:

= 1,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м,

           где s_д = 138 МН/м² – допускаемое напряжение [3c 394],

                 j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

                  С_к = 0,001 м – поправка на коррозию.

        Согласно рекомендациям  [4 c24] принимаем толщину обечайки d = 8 мм.

7.2. Днища.

Наибольшее распространение в  химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25],  толщина стенки днища d₁ =d = 8 мм.

 

 

Масса днища m_д = 74,3 кг.

Объем днища V_д = 0,162 м³.

7.3.  Фланцы.

Соединение обечайки  с днищами  осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79  [4c36]:

7.4.  Штуцера.

Принимаем скорость жидкости в штуцере  w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода коксового газа:

d_1,2 = (3,436/0,785×1×998)^0,5 = 0,066 м,

принимаем d_1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и  выхода газовой смеси:

d_3,4 = (1,451/0,785×25×1,16)^0,5 = 0,252 м,

принимаем d_3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ    12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

 

 

dусл	D	D2	D1	h	n	d
65	160	130	110	14	4	14
250	370	335	312	21	12	18

 

7.5. Расчет опоры.

Аппараты вертикального типа с  соотношением Н/D > 5, 

          размещаемые  на открытых площадках, оснащают  так называемыми юбочными цилиндрическими  опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

m_об = 0,785(D_н²-D_вн²)Н_обρ

где D_н = 1,016 м – наружный диаметр колонны;

      D_вн = 1,0 м – внутренний диаметр колонны;

      Н_об = 20 м – высота цилиндрической части колонны

      ρ = 7900 кг/м³ – плотность стали

m_об = 0,785(1,016²-1,0²)20,0·7900 = 4000   кг

     Общая масса колонны.  Принимаем, что масса вспомогательных  устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

m_к = m_об + m_т + 2m_д = 1,1(4000+32∙41,5+2·74,3) = 6024  кг

 

     Масса колонны заполненной  водой при гидроиспытании.

Масса коксового газа при гидроиспытании

m_в = 1000(0,785D²H_ц.об + 2V_д) = 1000(0,785·1,0²·20 + 2·0,162) = 16024 кг

      Максимальный вес  колонны

m_max = m_к + m_в =  6024 +16024 =22048  кг = 0,216 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D₁ = 0.94 м, наружный диаметр опорного кольца D₂ = 1,1 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D₂² – D₁²) = 0,785(1,10² – 0,94²) = 0,256 м²

Удельная нагрузка опоры на фундамент

s = Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

 

 

Заключение.

В данном курсовом проекте решена инженерно-техническая задача по расчету, проектированию и оптимизации аппарата в составе конкретной технологической установки. Курсовой проект содержит:

• технологическую схему установки;
• чертеж общего вида;
• расчеты конструктивно-технологических параметров проектируемого объекта.

Данный аппарат (абсорбер) служит для  извлечения бензола из газовой смеси каменноугольным маслом при температуре 30⁰С и давлении 0,1 МПа.

 

 

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
2. Г.С. Михайлов, П.Т. Петрик, В.А. Плотников, Е.Ю. Старикова Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания.-Кемерово 2004.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

4. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия .1976. – 655с.