Абсорбция.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400518

Абсорбция.

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 = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас.% Степень улавливания 96%. Температура 20 С. Константа Генри 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа 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. 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. 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. EMBED KompasFRWFile 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 Плотность газовой смеси на входе в аппарат. Мольная концентрация NH3 в газовой смеси на входе в аппарат: EMBED Equation.3 = (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19 где МВ = 17 – мол. масса NH3; МА = 29 – мол. масса воздуха. Молекулярная масса исходной смеси: Мсм = МB EMBED Equation.3 + (1– EMBED Equation.3 )МA = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль При нормальных условиях: 0Н = Мсм/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м3, при рабочих условиях: t = 20 C; Р = 0,1 МПа: Н = ОНТ0Р/(ТР0) = 1,19273/293 = 1,11 кг/м3. 3.2. Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат: GН = VН = 1,391,11 = 1,54 кг/с. V = 5000/3600 = 1,39 м3/с. 3.4. Расход распределяемого компонента и инертного вещества Gркн = GН EMBED Equation.3 н = 1,540,12 = 0,185 кг/с, Gин = GН(1 – EMBED Equation.3 н) = 1,540,88 = 1,355 кг/с. Масса распределяемого компонента поглощенного водой М = Gркн0,96 = 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: EMBED Equation.3 = Gркн / Gин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг, EMBED Equation.3 = Gркк / Gин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг. 3.7. 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 = 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH3 0,136 = 170,276 EMBED Equation.3 /{290,1[17/18 + EMBED Equation.3 (1 – 0,276/0,1)]}. Решая это уравнение получим EMBED Equation.3 = 0,069 кг/кг. Через точку А ( EMBED Equation.3 = 0; EMBED Equation.3 = 0,005) и точку В ( EMBED Equation.3 = 0,136; EMBED Equation.3 = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды mmin: mmin = tgmin = EMBED Equation.3 = (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: EMBED Equation.3 , отсюда конечная концентрация аммиака в воде EMBED Equation.3 = 0,053. Через точки А и С ( EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции. EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = 0.136 EMBED Equation.3 =0,005 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 =0,069 А В С Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси EMBED Equation.3 и воде EMBED Equation.3 . Расход воды на входе: Lин = mGин = 2,471,355= 3,347 кг/с. Расход воды на выходе: LK = Lин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с. Средний расход воды: Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА Скорость газа в абсорбере w = 0,05(ρж/ρг)0,5 где ρж = 998 кг/м3 – плотность воды при 20 ºС [1c. 537]; ρг – плотность газовой фазы при средней концентрации. Молярная концентрация на выходе из аппарата yк = МВ EMBED Equation.3 к/(МВ EMBED Equation.3 к+МА) = 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 = МАу+(1 – у)МВ = 170,099+290,901 = 27,81 кг/моль. Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях: г = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,83273∙0,1/(22,4293∙01) = 1,16 кг/м3. w = 0,05(998/1,16)0,5 = 1,47 м/с 4.2. Диаметр абсорбера: d = EMBED Equation.3 где Gср – средний расход газовой фазы: Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(1,54 + 1,362) = 1,451. 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: wг = 1,47(1,04/1,0)2 = 1,59 м/с. 4.4. Характеристика стандартной тарелки: Тарелка ТС-1000 Рабочее сечение тарелки – 0,713 м2; Диаметр отверстий – 5 мм; Шаг отверстий – 12 мм; Относительное свободное сечение тарелки – 10% Сечение перелива – 0,036 м2; Периметр слива, Lc – 0,8 м; Масса тарелки 41,5 кг. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ АБСОРБЕРА Высота светлого слоя жидкости: h0 = 0,787q0,2hпер0,56wгm[1 – 0,31exp(-0,11μx)] 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 м3/м∙с Q = L/ρж = 3,436/998 = 0,0034 м3/с – объемный расход воды h0 = 0,787∙0,00430,2∙0,040,56∙1,59-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м Плотность орошения: U = L/ρжSк где Sк = 0,785d2 – площадь колонны; U = 3,436/998∙0,785∙1,02 = 0,0044 м3/м2∙с 5.3. Газосодержание барботажного слоя: ε = Fr0,5/(1+Fr0,5) где Fr – критери Фруда: Fr = w2/gh0 = 1,592/9,8∙0,029 = 8,9 ε = 8,90,5/(1+8,90,5) = 0,75 5.4. Вязкость газовой смеси: Вязкость воздуха при 20 С EMBED Equation.3 , где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513], c = 124 – вспомогательный коэффициент . EMBED Equation.3 = 17,310-6(273+124)/(293+124)(293/273)3/2 = 18,310-6 Пас Вязкость аммиака при 20 С EMBED Equation.3 где 0 = 9,1810-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513] c = 626 – вспомогательный коэффициент EMBED Equation.3 = 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 EMBED Equation.3 или 27,81 / см = 170,099/9,9810-6 + 290,901/18,310-6 откуда г = 17,410-6 Пас 5.5. Коэффициенты диффузии Коэффициент диффузии аммиака в воздухе: EMBED Equation.3 = 17,010-60,1(293/273)3/2/0,1 = 18,910-6 м2/с, D0 = 17,010-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях . Коэффициент диффузии аммиака в воде: Dж = 1,810-9 м2/с [1c. 540]. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе: βжf = 6,24∙105Dж0,5[U/(1–ε)]0.5h0[μг/(μг+μж)]0,5 = = 6,24∙105∙(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/м2∙с. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе: βгf = 6,24∙105Dг0,5(w/ε)0.5h0[μг/(μг+μж)]0,5 = = 6,24∙105∙(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/м2∙с. 5.8. Коэффициент массопередачи: Kyf = 1/(1/βгf + m/βжf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м2∙с где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на- клона равновесной линии. 5.9. Движущая сила процесса массопередачи: Δ EMBED Equation.3 м = EMBED Equation.3 к = 0,005 кг/кг Δ EMBED Equation.3 б = EMBED Equation.3 н – EMBED Equation.3 рн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг Δ EMBED Equation.3 ср = ( EMBED Equation.3 б – EMBED Equation.3 м)/ln( EMBED Equation.3 б/ EMBED Equation.3 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/KyfΔ EMBED Equation.3 cp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м2 Рабочая площадь тарелки: f = φ0,785d2 = 0,1∙0,785∙1,02 = 0,0785 м2 где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки. Требуемое число тарелок: n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт 5.11. Высота колонны: Н = Нт(n-1)+Z1+Z2 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 ΔРс = ζw2ρг/2φ2 где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44]; φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны. ΔРс = 1,5∙1,592∙1,16/2∙0,12 = 220 Па Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения: ΔРσ = 4σ/dэ = 4∙0,07/0,005 = 56 Па где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды; dэ = 0,005 м – диаметр отверстий. 6.3. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя: ΔРсл = ρжgh0 = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па 6.4. Полное сопротивление тарелки: ΔРт = ΔРс+ΔРσ+ΔРсл = 220+56+284 = 560 Па. 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 м3/с, а ΔР = 20000 Па. Объемный расход воды и напор развиваемый насосом: Q = Lин/ρж = 3,347/998 = 0,0034 м3/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 м3/с и Н=25 м. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ 7.1 Толщина обечайки: EMBED Equation.3 = 1,00,1/2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. 7.2. Днища. Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм. EMBED KOMPAS.FRW Масса днища mд = 74,3 кг. Объем днища Vд = 0,162 м3. 7.3. Фланцы. Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]: EMBED KOMPAS.FRW 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: EMBED KompasFRWFile 7.5. 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 = 1,016 м – наружный диаметр колонны; Dвн = 1,0 м – внутренний диаметр колонны; Ноб = 20 м – высота цилиндрической части колонны ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали mоб = 0,785(1,0162-1,02)20,0·7900 = 4000 кг 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(4000+32∙41,5+2·74,3) = 6024 кг EMBED KompasFRWFile Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании. Масса воды при гидроиспытании mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) = 1000(0,785·1,02·20 + 2·0,162) = 16024 кг Максимальный вес колонны mmax = mк + mв = 6024 +16024 =22048 кг = 0,216 МН Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0.94 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 1,1 м. Площадь опорного кольца А = 0,785(D22 – D12) = 0,785(1,102 – 0,942) = 0,256 м2 Удельная нагрузка опоры на фундамент  = Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 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