Расчет абсорбционной колонны

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  2 1 Масса поглощаемого компонента и расход поглотителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Движущая сила массопередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5

3 Скорость газа и диаметр абсорбера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  6

4 Высота светлого слоя  жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7

5 Коэффициенты массотдачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6 Число тарелок абсорбера . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

7 Выбор расстояния между  тарелками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

и определение высоты абсорбера

8 Гидравлическое сопротивление  тарелок абсорбера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

9 Технологическая схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Приложение А (построение рабочей и равновесной линий) . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Приложение Б (колонна абсорбционная с ситчатыми тарелками) . . . . . . . . . . 20

 

 

 

 

 

 

Введение

Области применения абсорбционных  процессов в промышленности довольно обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных  примесей; улавливание ценных компонентов  из газовых выбросов.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на границе  раздела фаз. По способу образования  поверхности соприкосновения между  жидкостью и газом абсорберы  можно условно разделить на следующие  группы: 1) поверхностные и пленочные;                  2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.

В данной курсовой работе проводится технологический расчет тарельчатого абсорбера, который представляет 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 различные  конструкции тарельчатых аппаратов.

Целью курсовой работы является:

1) Изучение конструкции  колонных массообменных аппаратов,  ознакомление с методами их  технологического расчета и приобретение  навыков выполнения инженерных  расчетов. Изучение устройства и  принципа работы типовых конструкций  колонных массообменных аппаратов  для проведения процесса абсорбции,  назначения и устройства основных  конструктивных элементов.

2) Выполнение индивидуального  задания по технологическому  расчету колонного массообменного  аппарата.

1 Масса поглощаемого компонента  и расход поглотителя

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности по формулам (1) и (2)

 

 

где – средняя плотность аммиачно-воздушной смеси при нормальных условиях [2],

Получим

 

 

 

Определим величину с помощью графической зависимости    (рисунок А.1)

 

Тогда по уравнению (3) определим конечную концентрацию аммиака

 

 

где – концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава,

Расход инертной части  газа определяется по уравнению (4)

 

где – объемная доля аммиака в газе, вычисляется по формуле (5)

 

 

где – мольная масса аммиака,

Тогда

 

Производительность абсорбера  по поглощаемому компоненту вычислим по уравнению (6)

 

 

Расход поглотителя равен (7)

 

 

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит (8)

 

 

 

 

 

 

2 Движущая сила массопередачи

Для случая линейной равновесной  зависимости между составами  фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим  движущую силу в единицах концентраций газовой фазы [1] по формуле (9)

 

где и – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него,

В данном примере

 

 

где и – концентрации аммиака в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (рисунок А.1).

 

 

 

 

 

 

 

3 Скорость газа и диаметр  абсорбера

Скорость газа в интервале  устойчивой работы ситчатых тарелок может быть определена с помощью уравнения (12) [1]

 

где – плотность поглотителя, ;

 – средняя плотность аммиачно-воздушной смеси при условиях в абсорбере, определяемая по формуле (13)

 

 

Подставив, получим

 

Диаметр абсорбера находят из уравнения (14)

 

где V₀ – объемный расход газа при стандартных условиях, м³/с. Отсюда

 

Принимаем стандартный диаметр  обечайки абсорбера d_об = 0,4 м. При этом действительная скорость газа в колонне рассчитывается по     уравнению (15)

 

 

4 Высота светлого слоя  жидкости

Высоту светлого слоя жидкости на тарелке h₀ находят из соотношения (16)

 

где h_пер – высота переливной перегородки, м;

m – показатель степени, равный 0,05–4,6 h_пер;

здесь μ_x – в мПа·с, σ_x, σ_в – в мН/м;

q – линейная плотность орошения, определяемая по     формуле (17)

 

где Q – объёмный расход жидкости,

L_c – периметр слива (ширина переливной перегородки), м.

 

Высота светлого слоя

 

Определим высоту газожидкостного  барботажного слоя (пены) на тарелке  по формуле (18)

 

где ε – газосодержание барботажного слоя, м³/м³, определяемое по     формуле (19)

 

где Fr – критерий Фруда.

 Критерий Фруда определится по формуле (20)

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Коэффициенты массотдачи

Для расчета коэффициентов  массотдачи потребуется расчет коэффициентов  диффузии. Коэффициент диффузии аммиака  в аммиачно-воздушной смеси рассчитаем по уравнению (22). Предварительно определим значения мольных объемов аммиака и воздушной смеси

 

Подставив, получим

 

Коэффициент диффузии D_x вычислим по уравнению (23)

 

 

Вычислим коэффициенты массотдачи по уравнениям (24) и (25)

 

 

где U – плотность орошения тарелки, определяемая по формуле (26)

 

 

 

Подставим значения

 

 

Выразим и в выбранной для расчета размерности (27) и (28)

 

 

 

 

Коэффициент массопередачи рассчитаем по формуле (29)

 

 

 

 

 

 

 

6 Число тарелок абсорбера

Суммарная поверхность тарелок рассчитываем по формуле (30)

 

 

Рабочую площадь тарелок  с перетоками f определяют с учетом площади, занятой переливными устройствами (31)

 

где φ – доля рабочей  площади тарелки, [5];

 – диаметр абсорбера,  м.

Тогда требуемое число  тарелок вычисляется по формуле (32)

 

 

 

 

 

 

 

7 Выбор расстояния между  тарелками и определение высоты  абсорбера

Расстояние между тарелками  принимают равным или несколько  большим суммы высот барботажного слоя (пены) h_П и сепарационного пространства h_С (32)

 

Для ситчатых тарелок высоту сепарационного пространства вычисляют  по формуле (33)

 

 

Тогда расстояние между тарелками

 

Выберем стандартное расстояние между тарелками в пределах вычисленного значения h = 350 мм. Тогда высота тарельчатой части абсорбера по формуле (34) будет равна

 

 

Примем расстояние между  верхней тарелкой и крышкой абсорбера  2,5 м; расстояние между нижней тарелкой и днищем абсорбера 4 м [3]. Тогда общая  высота абсорбера

 

 

 

8 Гидравлическое сопротивление  тарелок абсорбера

Гидравлическое сопротивление  тарелок абсорбера определяют по формуле (35)

 

где – полное гидравлическое сопротивление одной тарелки, Па.

Полное гидравлическое сопротивление  одной тарелки ΔP по   формуле (36) складывается из трех слагаемых

 

где – гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки, Па;

 – гидравлическое  сопротивление газожидкостного  слоя (пены) на тарелке, Па;

 – гидравлическое  сопротивление, обусловленное силами  поверхностного натяжения, Па.

Гидравлическое сопротивление  сухой (неорошаемой) тарелки (37)

 

Значения коэффициентов  сопротивления  сухих тарелок ситчатого типа примем = 1,5 [4], тогда

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя (пены) на тарелке рассчитывается по формуле (38)

 

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения [4] определяется по формуле (39)

 

 

Тогда полное гидравлическое сопротивление

 

Гидравлическое сопротивление  всех тарелок абсорбера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 Технологическая схема

На рисунке 1 дана схема  абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подаётся газодувкой 1 в  нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на тарелки. Абсорбент из промежуточной  емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю  часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера  с помощью оросителя. В колонне  осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник, выходит из колонны. Абсорбент стекает через  гидрозатвор в промежуточную  емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после  предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей  на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно  охлаждается в холодильнике 5. Регенерация  может осуществляться также другими  методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижение давлении, повышения температуры. Выбор метода регенерации существенно сказывается  на технико-экономических показателях  абсорбционной установки в целом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – вентилятор (газодувка); 2 – абсорбер; 3 – тарелка; 4 – слив;             6 – ороситель; 5 – холодильник; 7 – десорбер; 8 – куб десорбера;                     9, 13 – емкости для абсорбента; 10, 12 – насосы; 11 – теплообменник-рекуператор.

Рисунок 1 – Принципиальная схема абсорбционной установки

 

 

 

Заключение

Выполнено индивидуальное задание  по технологическому расчету абсорбера, контактным устройством которого является ситчатая тарелка типа ТС-Р. Приобретены  навыки выполнения инженерных расчетов.

В результате выполнения данной работы было изучено устройство (основные конструктивные элементы, их назначение) и принцип работы колонного массообменного аппарата - тарельчатого абсорбера. Рассчитаны его основные геометрические характеристики: диаметр d = 0,4 м, высота рабочей части аппарата , выбрали расстояние между тарелками     h = 350 мм, число тарелок n = 7, гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. А. Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с.
2. К. Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 10-е издание, переработанное и дополненное. Под. ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
3. Колонные аппараты. Каталог. – М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ,    1978. – 31 с.
4. Рамм В. М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976. – 391 с.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание:

1) Рассчитать абсорбер  для улавливания NH₃ из воздушной смеси водой.

Таблица 1 – Исходные данные для расчета абсорбционного аппарата

Производительность по газу при нормальных условиях, V0, м3/ч		150
Концентрация NH3 в воздухе при нормальных условиях	на входе в абсорбер, yH, кг/м3	0,48
	на выходе из абсорбера yK, кг/м3	0,15
Содержание NH3 в воде, подаваемой в абсорбер, xH, %		0,0003
Тип абсорбции		изотермическая
Средняя температура потоков  в абсорбере, t ⁰C		25
Тип абсорбера		тарельчатый (ситчатый)