Тарельчатый абсорбер с провальными тарелками

Содержание
  1. Курсовая работа: Расчет тарельчатого абсорбера
  2. 3. Материальный расчет абсорбера
  3. 3.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат
  4. 3.2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат
  5. 3.4 Расход распределяемого компонента и инертного вещества
  6. 3.5 Масса распределяемого компонента поглощенного водой
  7. 3.6 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе
  8. 3.7 Расход инертной фазы
  9. 4.1 Скорость газа в абсорбере
  10. 4.2 Диаметр абсорбера
  11. 4.4 Характеристика стандартной тарелки
  12. 5. Расчет высоты абсорбера
  13. 5.1 Высота светлого слоя жидкости
  14. 5.2 Плотность орошения
  15. 5.3 Газосодержание барботажного слоя
  16. 5.4 Вязкость газовой смеси
  17. 5.5 Коэффициенты диффузии
  18. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:
  19. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:
  20. 5.8 Коэффициент массопередачи
  21. 5.9 Движущая сила процесса массопередачи:
  22. 5.10 Число тарелок в абсорбере
  23. 5.11 Высота колонны
  24. 6. Гидравлический расчет колонны
  25. 6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки
  26. Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:
  27. 6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя
  28. 6.4 Полное сопротивление тарелки:
  29. 6.5 Полное сопротивление колонны:
  30. 6.7 Подбор газодувки и насоса для подачи воды
  31. 7.1 Толщина обечайки
  32. 7.2 Днища
  33. 7.3 Фланцы
  34. 7.4 Штуцера

Курсовая работа: Расчет тарельчатого абсорбера

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.

В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика – основными уравнениями массопередачи.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.

В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.

Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насадкой — твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличивается поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарелками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх.

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недостатки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками – дополнительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны – наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, насадка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным преимуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных абсорберах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидкости и при больших тепловыделениях.

Для поглощения NH3 водой; V = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас.%

Степень улавливания 96%. Температура 20 С.

Константа Генри 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа

1. Технологическая схема

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер А с ситчатыми тарелками. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор аммиака при температуре 20 С° является коррозионно активным веществом, 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

3.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат

Мольная концентрация NH3 в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

МА = 29 – мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

Мсм = МB + (1–A = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

r = Мсм / 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м 3 ,

при рабочих условиях: t = 20° C; Р = 0,1 МПа:

3.2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат

V = 5000/3600 = 1,39 м 3 /с.

3.4 Расход распределяемого компонента и инертного вещества

Gркн = GН н = 1,54×0,12 = 0,185 кг/с,

Gин = GН (1 – н ) = 1,54×0,88 = 1,355 кг/с.

3.5 Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = Gркн 0,96 = 0,185×0,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

Gркк = Gркн – М = 0,185 – 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gн – М = 1,54– 0,178 = 1,362 кг/с.

3.6 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе

= Gркн / Gин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= Gркк / Gин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

3.7 Расход инертной фазы

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

,

где Мвод = 18 – молярная масса воды,

= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH3

0,136 = 17×0,276 /<29×0,1[17/18 + ×(1 – 0,276/0,1)]>.

Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,005) и точку В ( = 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды mmin :

mmin = tgamin = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3mmin = 1,3×1,90 = 2,47 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:

,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

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

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .

Расход воды на входе:

Расход воды на выходе:

LK = Lин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

4. Определение диаметра абсобера

4.1 Скорость газа в абсорбере

где ρж = 998 кг/м 3 – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρг – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

yк = МВк /(МВкА ) = 29×0,005/(29×0,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = МА у+(1 – у)МВ = 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

w = 0,05(998/1,16) 0,5 = 1,47 м/с

4.2 Диаметр абсорбера

d =

где Gср – средний расход газовой фазы:

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16) 0,5 = 1,04 м.

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

4.4 Характеристика стандартной тарелки

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м 2 ;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м 2 ;

Периметр слива, Lc – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

5. Расчет высоты абсорбера

5.1 Высота светлого слоя жидкости

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

q – линейная плотность орошения;

μх = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

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

q = Q/Lc = 0,0034/0,8 = 0,0043 м 3 /м∙с

Q = L/ρж = 3,436/998 = 0,0034 м 3 /с – объемный расход воды

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

5.2 Плотность орошения

где Sк = 0,785d 2 – площадь колонны;

U = 3,436/998∙0,785∙1,0 2 = 0,0044 м 3 /м 2 ∙с

5.3 Газосодержание барботажного слоя

ε = Fr 0,5 /(1+Fr 0,5 )

где Fr – критери Фруда:

Fr = w 2 /gh = 1,59 2 /9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,9 0,5 /(1+8,9 0,5 ) = 0,75

5.4 Вязкость газовой смеси

Вязкость воздуха при 20° С

,

где m = 17,3×10 -6 Па×с – вязкость воздуха 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 аммиака при 20° С

где m = 9,18×10 -6 Па×с – вязкость воздуха 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 найдем из соотношения

или

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

откуда mг = 17,4×10 -6 Па×с

5.5 Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

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

D = 17,0×10 -6 м 2 /с – коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: Dж = 1,8×10 -9 м 2 /с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

= 6,24∙10 5 ∙(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

βжf = 0,0013∙ρж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м 2 ∙с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

= 6,24∙10 5 ∙(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

βгf = 14,98∙ρг = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м 2 ∙с.

5.8 Коэффициент массопередачи

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

клона равновесной линии.

5.9 Движущая сила процесса массопередачи:

Δм = к = 0,005 кг/кг

Δб = нрн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δср = (бм )/ln(б /м ) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг

5.10 Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/Kyf Δcp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м 2

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d 2 = 0,1∙0,785∙1,0 2 = 0,0785 м 2

где φ = 10% — доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11 Высота колонны

где Нт = 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

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

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔРс = 1,5∙1,59 2 ∙1,16/2∙0,1 2 = 220 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

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

dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

6.4 Полное сопротивление тарелки:

6.5 Полное сопротивление колонны:

ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7 Подбор газодувки и насоса для подачи воды

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

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

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = Lинж = 3,347/998 = 0,0034 м 3 /с.

Воду 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 м 3 /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 sд = 138 МН/м 2 – допускаемое напряжение [3c 394],

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

Ск = 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 mд = 74,3 кг.

Объем днища Vд = 0,162 м 3 .

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 воды:

d1,2 = (3,436/0,785×1×998) 0,5 = 0,066 м,

принимаем d1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d3,4 = (1,451/0,785×25×1,16) 0,5 = 0,252 м,

принимаем d3,4 = 250 мм.

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

Источник

Читайте также:  Рисование тарелки первая младшая группа
Поделиться с друзьями
Название: Расчет тарельчатого абсорбера
Раздел: Промышленность, производство
Тип: курсовая работа Добавлен 20:33:30 06 декабря 2010 Похожие работы
Просмотров: 971 Комментариев: 12 Оценило: 2 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать