Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

Рис. 1.4.

 

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.

Ситчатые тарелки. Колонка с  ситчатыми тарелками (рис. 1.5) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.

Ситчатые тарелки устойчиво  работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

 

Ситчатая колонна.

а  б

а–схема устройства колонны, б–схема работы тарелки, 1–корпус, 2–тарелка, 3–переливная труба, 4–стакан.

Рис. 1.5.

 

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны  к загрязнениям, чем колонны с  ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками (рис. 1.6). Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

 

Схема работы колпачковой тарелки.

1–тарелка, 2–газовые патрубки, 3–колпачки, 4–сливные трубы.

Рис. 1.6.

Клапанные и балластные тарелки (рис. 1.7). Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.

 

Клапанные тарелки.

а, б–с круглыми клапанами, в–пластинчатым клапаном, г – балластная, 1–клапан, 2–кронштейн-ограничитель, 3–балласт.

Рис. 1.7.

 

Принцип действия клапанных тарелок (рис. 1.7) 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. 1.7) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке.

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.

2. Колонны с тарелками без сливных устройств.

В тарелке без сливных устройств (рис. 1.8) 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 — «прокаливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальным и к ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

 

Колонна с тарелками без сливных  устройств.

1–колонна, 2–тарелки, 3–распределитель  жидкости.

Рис. 1.8.

 

Дырчатые тарелки (рис. 1.9) аналогичны по устройству ситчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4—10 мм, а суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10—25 °d.

 

Провальные тарелки.

а  б

а — дырчатая; б — решетчатая; 1 — тарелка; 2 — отверстия; 3 —  щели.

Рис. 1.9.

 

Решетчатые тарелки (рис. 1.9) имеют отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных щелей шириной 3—8 мм.

Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

К достоинству трубчатых провальных тарелок относится легкость отвода тепла от барботажного слоя на тарелке  путем пропускания охлаждающего агента по трубам, из которых состоит тарелка. Однако эти тарелки в сравнении с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.

Основной недостаток колонн с дырчатыми, решетчатыми и трубчатыми провальными  тарелками — небольшой интервал изменения скоростей газа и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная их работа.

3. Насадочные абсорберы

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис. 1.3) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение 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 4.

 

Насадочный абсорбер.

1 — насадка; 2 — опорная решетка; 3 — распределитель жидкости;

4 — перераспределитель жидкости;

Рис. 1.3.

 

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.

Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность и свободный объем.

Выбор насадок. Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих  всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рис. 1.4), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции.

Типы насадок.

 

а — кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом); б — кольца с перегородками, правильно уложенные; в — насадка Гудлое; г — кольца Паля; д — насадка «Спрейпак»; е — седла йерля; ж — хордовая насадка; з — седла «Инталлокс».

Рис. 1.4.

Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

В качестве насадки используют также  засыпаемые навалом в колонну  куски кокса или кварца размерами 25—100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т. д.) кусковую насадку сейчас применяют редко. Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца  Рашига), который изменяется в пределах 15—150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рис. 1.4). Большие кольца (размерами не менее 50 Х 50 мм) укладывают правильным и рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рис. 1.4). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку — регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа.

Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

 

2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

По условию задания на курсовое проектирование необходимо рассчитать и спроектировать установку для абсорбции СO₂, концентрацией 7 % СO₂ и 93 % воздуха, водой.

Газовая смесь не содержит твердых включений и подается на абсорбцию компрессором K. Перед этапом абсорбции СO₂ водой производится охлаждение газовой смеси, происходящее в кожухотрубчатом теплообменнике T1. В нем происходит охлаждение газовой смеси от 42 °С до температуры абсорбции 18 °С. В качестве второго теплоносителя используется рассол, содержащий 20 масс. % хлористого натрия.

Затем газовая смесь поступает  на абсорбцию в насадочный абсорбер АК с насадкой – керамические кольца Рашига 35´35´4. При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность аппарата) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата. При выборе насадки необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под повышенным давлением потеря его существенного значения не имеет и в данном случае предпочтительнее беспорядочно загруженные насадки, в частности, кольца внавал.

После абсорбции воздух достигает заданной степени очистки и может быть выброшен в атмосферу.

В качестве поглотителя используется вода, которая поступает в установку при температуре 28 °С. Охлаждение поглотителя до температуры абсорбции происходит в кожухотрубчатом теплообменнике Т2. В качестве второго теплоносителя используется захоложенная вода с начальной температурой 10 °С. Поглотитель (абсорбционная вода) подается в абсорбционную колонну при помощи центробежного многоступенчатого секционного насоса Н1.

Смесь воды и двуокиси углерода из абсорбера идет на десорбцию в ректификационную колонну РК. Очищенная вода после ректификации может повторно использоваться для абсорбции, что повышает экономию ресурсов.

 

3. РАСЧЕТ АБСОРБЕРА

1. Определение условий равновесия процесса

 

Определяем равновесные концентрации диоксида углерода в воде. Если поглощается  труднорастворимый газ, то расчет равновесных концентраций ведут по закону Генри /1/:

,  (3.1)

где  Õ - давление в абсорбере, Па;

E- константа растворимости, Па;

x^* - равновесная концентрация СО₂ в воде, ;

у - концентрация СО₂ в воздухе, .

E = 1,02×10⁶ мм рт. ст. = 1,36×10⁸ Па при температуре абсорбции 18 °С /4/.

,  (3.2)

Величины равновесных концентраций в жидкости достаточно рассчитать для  диапазона значений концентраций в  газовой фазе от нуля до величины, которая в 1,2-1,5 раз превышает начальную концентрацию абсорбтива.