Абсорбент.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400512

Абсорбент.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2015

Тип роботи:

Розрахункова робота

Предмет:

Інші

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Для поглощения NH3 водой; V = 3500 м/ч; NH3 = 0,14 мас. доли; конечная концентрация 0,06 мас. доли. Избыточное давление 150 мм рт.ст. Температура воды 15 С. SHAPE \* MERGEFORMAT ВВЕДЕНИЕ 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. 1. ВЫБОР ТИПА АБСОРБЕРА 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. В результате абсорбции аммиака водой образуется щелочной раствор являющийся коррозионно-активным, поэтому выбираем насадочный тип абсорбера с керамической насадкой, кроме того при работе под атмосферным давлением гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера будет меньше, чем у барботажного. 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА EMBED KompasFRWFile 4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в насадочный 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 аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу. 5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Так как водный раствор аммиака при температуре 15 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]. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АБСОРБЕРА 6.1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат. Мольная концентрация аммиака в газовой смеси на входе в аппарат: EMBED Equation.3 = (0,14/17) / (0,14/17 + 0,86/29) = 0,22. Мольная концентрация аммиака в газовой смеси на выходе из аппарата: yк = (0,06/17) / (0,06/17 + 0,94/29) = 0,010, где МВ = 17 – мол. масса аммиака, МА = 29 – мол. масса воздуха. При нормальных условиях: 0Н = [МАyн + (1–yн)МВ] / 22,4 = [170,22+(1 – 0,22)29]/22,4 = 1,18 кг/м3, при рабочих условиях: t = 15 C; Р = 760+150 = 910 мм рт.ст. = 121 кПа: Н = ОНТ0Р/(ТР0) = 1,18273121/(101288) = 1,34 кг/м3. 6.2. Массовые расходы Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат: GН = VН/3600 = 35001,34/3600 = 1,30 кг/с. Расход распределяемого компонента Gркн и инертного вещества Gин: Gркн = GН EMBED Equation.3 = 1,300,14 = 0,182 кг/с, Gин = GН(1 – EMBED Equation.3 ) = 1,300,86 = 1,118 кг/с. Расход газовой фазы на выходе: GК = Gин / (1 – EMBED Equation.3 ) = 1,118/(1– 0,060) = 1,189 кг/с. Количество поглощенного вещества: М = 1,30 – 1,189 = 0,111 кг/с. Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе: Gркк = GК – Gин = 1,288– 1,118= 0,017 кг/с. 6.3. Относительная концентрация аммиака на входе и выходе: EMBED Equation.3 = Gркн / Gин = 0,182/1,118= 0,163 кг/кг, EMBED Equation.3 = Gркк / Gин = 0,017/1,118= 0,015 кг/кг. 6.4. Расход инертной фазы. С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму EMBED Equation.3 и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции: EMBED Equation.3 , где Мвод = 18 – молярная масса воды, EMBED Equation.3 = 0,654 атм = 66 кПа константа Генри для NH3 [2c. 826]. 0,163 = 1766 EMBED Equation.3 /{29121[17/18 + EMBED Equation.3 (1 – 66/121)]}. Решая это уравнение получим EMBED Equation.3 = 0,626 кг/кг. EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = 0.163 EMBED Equation.3 =0,015 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 =0,626 А В С Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси EMBED Equation.3 и воде EMBED Equation.3 . Через точку А ( EMBED Equation.3 = 0; EMBED Equation.3 = 0,015) и точку В1 ( EMBED Equation.3 =0,163; EMBED Equation.3 = 0,626) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды mmin: mmin = tgmin = EMBED Equation.3 = (0,163-0,015)/0,626 = 0,236 кг/кг. Действительный расход воды m = 1,3mmin = 1,30,236 = 0,31 кг/кг, тогда уравнение рабочей линии будет: EMBED Equation.3 , отсюда конечная концентрация аммиака в воде EMBED Equation.3 = 0,477. Через точки А и В ( EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции. Расход воды на входе: Lин = mGин = 0,311,118= 0,347 кг/с. Расход воды на выходе: LK = Lин + М = 0,347 + 0,111 = 0,458 кг/с. Средний расход воды: Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(0,347 + 0,458) = 0,403 кг/с Средний расход газовой фазы: Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(1,30 + 1,189) = 1,245 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА Средняя плотность газовой фазы. Средняя мольная концентрация: у = 0,5(0,22 +0,010) = 0,160. Средняя молекулярная масса газовой смеси: М = МАу+(1 – у)МВ = 170,160+290,840 = 27,08 кг/моль. Плотность газовой фазы при рабочих условиях t=15 C; Р = 121 кПа, г = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,08273121/(22,4288101) = 1,37 кг/м3. 7.2. Предельная скорость газовой смеси Принимаем в качестве насадки кольца Рашига с размерами 25253,0 Предельную скорость газовой фазы wпр, соответствующую точке инверсии фаз, т. е. переходу от пленочного гидродинамического режима к эмульгированию найдем из уравнения EMBED Equation.3 , где ж и в – вязкость абсорбента при 15 С и воды при 20 С; в нашем случае (ж / в)0.16 = (1,14/1,0)0,16 = 1,02 ж = 1000 кг/м3 – плотность воды; А и В – коэффициенты зависящие от типа насадки: для колец Рашига А = – 0,073; В = 1,75 [2c. 65] dэ = 0,015 м – эквивалентный диаметр насадки с размерами 25253,0  = 0,740 м3/м3 – свободный объем насадки lg[wпр21,37/(9,80,0150,74021000)1,02] = - 0,073–1,75(0,403/1,245)0,25(1,37/1000)0,125 откуда wпр = 3,6 м/с 7.3. Рабочая скорость газовой фазы: wг = wпрn = 3.60.9 = 3.24 м/c, где n = 0,9 – для турбулентного режима работы абсорбера [2c. 65]. 7.4. Диаметр колонны: EMBED Equation.3 = [1,245/(0,7851,373,24)]0,5 = 0,59 м. Принимаем стандартный диаметр 0,6 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы: wг = Gcр / (0,785dк2г) = 1,245/(0,7850,621,37) = 3,22 м/с. Условие wг/wпр = 3,22/3,6 = 0,89 < 1 выполняется. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ НАСАДКИ 8.1 Число единиц переноса Число единиц переноса EMBED Equation.3 находим как площадь под кривой EMBED Equation.3 . По данным рис. 1 составляем таблицу 1 и строим график 2 EMBED Equation.3 my = 4,89 EMBED Equation.3 EMBED MSGraph.Chart.8 \s Рис.2 Определение числа единиц переноса графическим методом. Искомую площадь находим методом трапеций: EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = S = (0,163-0,015)/6[(67+26)/2+50+40+33+29]=4,89 8.2 Высота эквивалентная единице переноса по газовой фазе: EMBED Equation.3 , где b = 0,123 – для колец Рашига [2c. 69], а = 200 м2/м3 – удельная поверхность насадки [1c. 524],  – коэффициент смачивания насадки, зависящий от отношения рабочей плотности орошения U к оптимальной Uопт. Uопт = Ва = 0,158200 = 31,6 м3/(м2ч) где В = 0,158 – для процесса абсорбции [2c. 70] U = Lср3600/(0,785dк2ж) = 0,4033600/(0,7850,621000) = 5,1 м3/(м2ч). U/Uопт = 5,1/31,6 = 0,16   = 0,19 [2c. 69]. Критерий Рейнольдса: Reг = 4wгг/(га) , где г – вязкость газовой смеси, Вязкость воздуха при 15 С EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 = 17,310-6(273+124)/(288+124)(288/273)3/2 = 18,110-6 Пас где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513], c = 124 – вспомогательный коэффициент . Вязкость аммиака при 15 С EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = 9,1810-6(273+626)/(288+626)(288/273)3/2 = 9,7810-6 Пас где 0 = 9,1810-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513] c = 626 – вспомогательный коэффициент Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения EMBED Equation.3 или 27,08/см = 170,160/9,7810-6 + 290,840/18,110-6 откуда см = 16,710-6 Пас Reг = 43,221,37 / (16,710-6200) = 5283. Диффузионный критерий Прандтля: Prг = см / (гDг) = 16,710-6/(1,3715,410-6) = 0,79, где Dг – коэффициент диффузии аммиака в воздухе: EMBED Equation.3 = 17,010-6101/121(288/273)3/2 = 15,410-6 м2/с, D0 = 17,010-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях . hY = [0,740/(2000,1230,19)]52830,250,790,67 = 1,15 м. 8.4. Высота эквивалентная единице переноса по жидкой фазе: hX = 119(ж2/ρж2g)1/3Reж0,25Prж0,5. Критерий Рейнольдса: Reж = 4Lср/(Sкаж) = 40,403/(0,7850,622001,1410-3) = 25,0 где Sк – площадь поперечного сечения колонны. Диффузионный критерий Прандтля: Prж = ж/(жDж) = 1,1410-3/(10001,810-9) = 633, где Dж = 1,810-9 м2/с – коэффициент диффузии аммиака в воде [1c. 540]. hX = 119[(1.1410-3)2 / 100029,81]1/325,00.256330.5 = 0,34 м 8.5. Высота слоя насадки эквивалентная единице переноса: EMBED Equation.3 = 1,15+(0,2601,245/0,403)0,34 = 1,42 м, где m = 0,260 – тангенс угла наклона равновесной линии. 8.6. Суммарная высота насадки: H = mYh0 = 4,891,42= 6,9 м. Отношение Н/dк = 6,9/0,6 = 11,6. Высота слоя насадки не должна превышать 4dк, поэтому принимаем 3 слоя насадки высотой 2,30 м, между которыми устанавливаем перераспределительную тарелку ТСН-II. Над верхним слоем насадки устанавливается распределительная тарелка ТСН-III. Техническая характеристика тарелок [2c. 146] ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 9.1. Плотность орошения насадки: U = 5,1/3600 = 0,0014 м3/(м3с). 9.2. Коэффициент сопротивления:  = 16 / Re0,2 = 16 / 52830,2 = 2,88. 9.3. Скорость газа в свободном сечении насадки: w0 = wг /  = 3,22/0,740 = 4,35 м/с. 9.4. Гидравлическое сопротивление сухой насадки: EMBED Equation.3 = 2,886,94,3521,37/(20,015) = 17172 Па. 9.5. Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки: EMBED Equation.3 = 17172101840,0014 = 31076 Па, где b = 184 – для колец Рашига [3c. 201] По этой величине и объемному расходу 0,972 м3/с выбираем газодувку ТВ-42-1,4 [3c. 42], для которой Р = 40000 Па; Q = 1,00 м3/с. 9.6 Подбор насоса для подачи воды. Из материального расчета имеем L = 0,403 кг/с. Это количество воды необходимо подать на высоту приблизительно 14 м. Объемный расход воды Q = 0,403/1000 = 0,0004 м3/с. По этим величинам выбираем центробежный насос Х2/25 [3c. 38], для которого Q = 0.00042 м3/c; Н = 25 м. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ 10.1. Толщина обечайки: EMBED Equation.3 = 0,60,121/21380,8 + 0,001 = 0,003 м, где д = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение [3c 394],  = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва, Ск = 0,001 м – поправка на коррозию. Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки  = 8 мм. Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг, соединяемых между собой с помощью фланцев. Высота царги равна: lц = lн+1000 = 2300+1000 = 3300 мм. Каждый слой насадки располагается на опорной решетке, конструкция которой приводится на рисунке: EMBED KompasFRWFile Для загрузки и выгрузки каждого слоя насадки в корпусе колонны должны быть предусмотрены два люка: один – под распределительной (или перераспределительной) тарелкой, второй над опорной решеткой. Диаметр люка для колонн диаметром 600 и 800 мм – 250 мм. 150 40 10.2. Днища. Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм. 600 Масса днища mд = 28,3 кг. Объем днища Vд = 0,035 м3. 10.3. Фланцы. Соединение царг между собой и с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]: EMBED KompasFRWFile 10.4. Штуцера. Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле: d = EMBED Equation.3 , где G – массовый расход теплоносителя,  - плотность теплоносителя, w – скорость движения теплоносителя в штуцере. 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 = (0,403/0,78511000)0,5 = 0,023 м, принимаем d1,2 = 25 мм. диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси: d3,4 = (1,245/0,785251,37)0,5 = 0,22 м, принимаем d3,4 = 200 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile 10.5. Расчет опоры. Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приво- дится на рисунке. Ориентировочная масса аппарата. Масса обечайки mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны; Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны; Ноб = 14 м – высота цилиндрической части колонны ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали mоб = 0,785(0,6162-0,62)14,0·7900 = 1689 кг Масса тарелок mт = mр+2mпр = 5,0+2·7 = 19 кг где 5,0 и 7– масса распределительной и перераспределительной тарелки EMBED KompasFRWFile Общая масса колонны. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда mк = mоб + mт + 2mд = 1,1(1689 +19+2·28,3) = 1941 кг Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании. Масса воды при гидроиспытании mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) = 1000(0,785·0,62·13 + 2·0,035) = 3744 кг Максимальный вес колонны mmax = mк + mв = 1941 + 3744 = 5685 кг = 0,056 МН Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0.54 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,7 м. Площадь опорного кольца А = 0,785(D22 – D12) = 0,785(0,702 – 0,542) = 0,156 м2 Удельная нагрузка опоры на фундамент  = Q/A = 0,056/0,156 = 0,36 МПа < [] = 15 МПа – для бетонного фундамента. Литература Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.

Розрахункова робота Інші

2015

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись