Спроектировать абсорбционную установку для поглощения ацетона из его смеси с воздухом

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химических технологий.

^{наименование  кафедры}

 

 

 

Допускаю к защите

Руководитель    Губанов Н.Д.

______________________________       

                            ^{И.О.Фамилия}

 

 

 

Спроектировать абсорбционную  установку для поглощения ацетона из его смеси с воздухом         

^{наименование  темы}

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту  по дисциплине

 

 

Процессы  и аппараты химической технологии

1. 000. 00. 00 ПЗ

^{обозначение документа}

 

 

Выполнил студент группы  ХТО-08-1          _____________  Константинова Л.      

                                                                                  ^{шифр                                      подпись                       И.О.Фамилия}

 

Нормоконтролер                              ___________                 Губанов Н.Д.

                                                                                                     ^{подпись                                                 И.О.Фамилия}

 

 

 

 

 

Курсовой проект защищен 

с оценкой___________

 

 

Иркутск 2011 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………….3

1. Технологическая схема………………………………………...5
2. Выбор конструкционного материала………………………….6
3. Инженерный расчет аппарата….………………………………7
4. Определение диаметра абсорбера……………………………..10
5. Расчет высоты колонны и числа тарелок..……………………12
6. Гидравлический расчет…………………………………………16
7. Конструктивный расчет………………………………………...17
8. Расчет теплообменника…………………………………………19

Заключение……………………………………………………………..21

Список литературы…………………………………………………….22

Приложение А –  График равновесной и рабочей  линии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Абсорберы – это аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на границе раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыливающие. В поверхностных и пленочных абсорберах поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки. Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили насадочные колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя  равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом – большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости. В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах – только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Тарельчатые абсорберы представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов. В распыливающих абсорберах тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Технологическая  схема

Газовоздушная смесь  с помощью газодувки ГД подается в барботажный 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 СО₂ растворяется в воде и воздух очищается. Вода, насыщенная СО₂ самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор конструкционного материала

Так среда в аппарате коррозионная, то для деталей колонны, соприкасающихся с разделяемой  средой выбираем сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600°С [4], а для остальных – сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Инженерный расчет аппарата

3.1 Плотность газовой смеси на  входе в аппарат

Переведем расход газа из м³/с в м³/ч

м³/ч.

При н.у. 1 кмоль газа занимает объем 22,4 м³. Следовательно, мольный расход газа

 кмоль/ч.   (3.1)

Объемные концентрации ацетона в газе совпадают с мольными

% мольн.

Поэтому расход ацетона

кмоль/ч.   (3.2)

Расход инертного носителя (воздуха)

кмоль/ч = 0,0325 кмоль/с (3.3)

Массовый расход инертного  носителя (воздуха)

кг/ч = 0,9425 кг/с.  (3.4)

Количество ацетона в уходящем газе

 кмоль/ч.           (3.5)

Относительные концентрации ацетона

 кмоль ацетона / кмоль воздуха;

 кмоль ацетона/ кмоль воздуха.

Рассчитываем количество поглощенного ацетона

,    (3.6)

M = 0,0325 (0,09 - 0,01)=0,0026

.

 

 

3.2 Константа фазового равновесия

Константу фазового равновесия при растворении ацетона в воде под давлением определяем по эмпирическому уравнению (в МПа)

= ,      (3.7)

где - парциальное давление ацетона в газе (МПа);

       а и b – постоянные, зависящие от температуры.

Температура, ºС      0              25                  50

а                              1,84         0,755             0,425

b                             0,265       0,0428           0,0159

Методом интерполирования рассчитываем постоянные а и b при температуре 20ºС

;

.

Парциальное давление ацетона в газе

,      (3.8)

где Р - общее давление (по заданию).

р= 0,1 · 0,09 = 0,009 МПа;

т_рх = 124,5 / (0,972 – 0,08724·0,009) = 128,19 МПа.

Парциальное давление определяется также по формуле

= ,     (3.9)

где - равновесная концентрация ацетона в жидкости.

Отсюда следует, что  равновесная концентрация ацетона в жидкости определяется по формуле

= ;      (3.10)

х* =0,009 / 128,19 = 0,00007.

 

3.3 Расход абсорбента

Расход абсорбента можно определить по формуле

,      (3.11)

где - коэффициент избытка поглотителя, принимаем 1,1;

     - минимальный расход воды.

Минимальный расход определяем по формуле

,    (3.12)

где Х_н – начальная концентрация ацетона в жидкой фаре, равна 0.

Подставляя имеющиеся  данные в формулу, получим

L _min = 0,0026/ 0,00007 =37,14

.

Отсюда находим расход абсорбента

.

 По уравнению материального  баланса

,

отсюда конечная концентрация ацетона в жидкой фазе

;      (3.13)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Определение диаметра абсорбера

4.1 Скорость  захлебывания

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами  и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для абсорбционной колонны с ситчатыми тарелками рабочую скорость пара рассчитываем по уравнению [1]

                                                 ,                                              (4.1)

 

где - плотности жидкости и пара,

;      (4.2)

  ;

;       (4.3)

;

МПа;

;

;

= 998,2 ;

 м/с.

4.2 Рабочая  скорость

Принимаем рабочую скорость газа в  колонне

;      (4.6)

м/с.

 

 

4.3 Диаметр абсорбера

Диаметр абсорбера определяется по формуле

,      (4.7)

где - объемный расход газа при заданных условиях.

;     (4.8)

  ;

Отсюда диаметр колонны

м.

Принимаем стандартный минимальный диаметр с запасом

м.

Отсюда рабочая скорость газа будет

;      (4.9)

  .

По каталогу для колонны  диаметром 400 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку типа ТС со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстия в  тарелке                               5 мм

Шаг между отверстиями                                        10 мм

Свободное сечение тарелки                                 9,1 %

Высота переливного  порога                               40  мм

Ширина переливного  порога                                302 мм

Рабочее сечение тарелки                                     0,126 м².

 

 

5 Расчет высоты  колонны и числа тарелок

5.1 Высота светлого слоя жидкости на тарелке

Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок находят по уравнению

,       (5.1)

где  − удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки, м²/с;

           h_пер − высота переливной перегородки, м;

           − коэффициент вязкости, мПа∙с;

.

 м³/(м∙с).

м.

Паросодержание барботажного слоя находим по формуле

,     (5.2)

где                                                .

;

.

5.2 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз

;   (5.3)

,      (5.4)

где – коэффициенты диффузии соответственно в жидкой и паровой фазах; – плотность орошения, м³/(м²∙с); – вязкость паров, мПа∙с.

Плотность орошения определим  по формуле

;

 

 м³/(м²∙с).

  ;