Расчет насадочного адсорбера

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Технологический Университет им.Кирова

Абсорбер

Пояснительная записка

к курсовому проекту

Выполнил: Руководитель:_______________________________

Проект защищен с оценкой:__________

Казань 2010

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

4. Тема проекта и исходные данные:

Рассчитать и спроектировать насадочный адсорбер для уменьшения концентрации абсорбтива с yн

=0,80[моль.%] до yк

=0,01[моль.%] в инертном газе, объемный расход которого при нормальных условиях V0

=3,0[м3
/с] с помощью абсорбента при t
=20[0
C] и давлении P
=1[атм].; xн

=0.

Абсорбтив – этанол; абсорбент – вода; инертный газ – азот; тип насадки – кольца Рашига, керамические, упорядоченные .

Коэффициент распределения m=1,08. (Коэффициент Генри E=______мм.рт.ст.)

Перечень обязательного графического материала проекта:

1) Сборочный чертеж колонны – 1 лист формата А1;

2) Сборочная единица – 1 лист формата А2 или А3.

Основная литература:

1. «Выполнение и оформление курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии»: Методические указания. Каз.гос. технол. Ун-т; Маминов О.В. и др. Казань, 2002, 40с.

2. «Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию» под. редакцией Дытнерского Ю.И. – М., Химия 1983, 272с.

Руководитель проекта, доцент ________________________________

www.nbs47@yandex.ru

Содержание

Введение

1. Расчет насадочного абсорбера

1.1 Расчет массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

1.2 Расчет движущей силы массопередачи

1.3 Коэффициента массопередачи

1.4 Расчет скорости газа и диаметр абсорбера

1.5 Расчет плотности орошения и активной поверхности насадки

1.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

1.7 Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера

1.8 Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

1.9 Механический расчет основных узлов и деталей абсорбера

Заключение

Список используемой литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, называют растворителем. Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы:

1) поверхностные и пленочные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие.

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

Насадочный абсорбер состоит из колонны, в которой помещены поддерживающие решетки, на которые уложены слои насадки. Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства. Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком. Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.

Рисунок 1. Насадочный абсорбер

Насадки, применяемые для заполнения насадочных абсорберов, должны обладать большой удельной поверхностью (поверхностью на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес.

Рисунок 2. Типы насадок:

а
— кольца Рашига; б — кольца с перегородками; в
— спиральные кольца; г— шары; д— пропеллерная насадка; е— седлообразная насадка; ж— хордовая насадка.

Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки. К регулярным относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки. К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке внавал), седлообразная и кусковая насадки.

Подробнее остановимся на кольцевых насадках.

Кольцевая насадка- насадочные тела, представляющие собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов.

Кольца Рашига представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

Для увеличения поверхности применяются кольца с перегородкой (кольца Лессинга), кольца с крестообразной перегородкой и спиральные кольца, имеющие внутри одну, две или три спирали. При регулярной укладке кольца с крестообразной перегородкой и спиральные применяют размером 75мм и более.

В ФРГ предложены кольца с прободенными стенками (Палля). Эти кольца предназначены в основном для засыпки внавал и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига. Но указанные преимущества нельзя считать весьма существенными, если учесть большую стоимость и сложность изготовления колец Палля. Изготавливают эти кольца из стали и пластических масс.

1. Расчет насадочного абсорбера

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

, (1)

где , - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м2
·с);

М– количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, кг/с;

- средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно, кг/кг.

1.1 Расчет массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

Обозначим: A - абсорбтив, В – инертный газ, С – абсорбент.

Массу абсорбтива A (этанола) переходящего из газовой смеси в абсорбент можно найти из уравнения материального баланса:

, (2)

где L, G -
расходы соответственно чистого абсорбента (воды) и инертной части газа (азота), [кг/с];

- начальная и конечная относительные массовые концентрации абсорбтива (этанола) в абсорбенте (воде), кг этанола/кг воды ;

- начальная и конечная относительные массовые концентрации абсорбтива (этанола) в инертной части газа (воздухе), кг этанола /кг воздуха.

Переведем мольные концентрации в относительные массовые концентрации по формуле:

. (3)

y

- мольные доли, [%]; мольные массы абсорбтива (этанола) и инертного газа (азота).

Исходная концентрация этанола в воде .

Конечная концентрация этанола в поглотителе обусловливает его расход (который, в свою очередь, влияет на размеры, как абсорбера, так и десорбера), а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию.

Уравнение равновесной линии в относительных массовых концентрациях:

(4)

где m/
- коэффициент распределения:

(5)

m=1,08 - для смеси этанол-вода.

Рисунок 3. Зависимость между содержанием этанола в азоте и в воде:

1 - равновесная линия; 2 – рабочая линия.

Уравнение равновесной линии 1 (рисунок 1) .

(6)

Отсюда

Отсюда уравнение рабочей линии 2 (рисунок 1) имеет вид:

Расход инертной части газа:

, где (7)

- плотность инертного газа (азота) при условиях в абсорбере;

- объемный расход инертного газа (азота) при условиях (t=20[0
С];

Р=760[мм.рт.ст]=0,1[МПа]) в абсорбере.

Приведем объемный расход азота к условиям в абсорбере:

, (8)

где V0
- объемный расход инертной части газа (азота) при нормальных условиях (0[0
С]; 760[мм.рт.ст]=0,1[МПа]), V0
=3[м3
/с] (по заданию) T0
=273[К] t=20[0
C].

Пересчитаем плотность инертного газа (азота) на условия в абсорбере:

, (9)

где - плотность азота при нормальных условиях (0[0
С]; 760[мм.рт.ст] =0,1[МПа])

t - температура в абсорбере ,[0
С];

P0
- нормальное давление (760[мм.рт.ст.]=0,1[МПа]);

P - давление в абсорбере, [МПа].

ρ0z
=1,25046[кг/м3
] - плотность азота при нормальных условиях.

T0
=273[К]; t=20[0
C]; P0
=0,1[МПа]; P=0,1[МПа].

Определим массовый расход воздуха по формуле (7):

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту в соответствии с уравнением (2):

Отсюда из уравнения (2) определим расход поглотителя:

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит:

1.2 Расчет движущей силы массопередачи

Движущая сила в соответствии с уравнением (1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентрации газовой фазы:

, (10)

где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг/кг (рисунок 1 и 2).

; ,

где и - концентрации этанола в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (рисунок 2).

Средняя движущая сила процесса абсорбции:

1.3 Коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи Ky
находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

, (11)

где - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м2
с); m – коэффициент распределения, кг/кг.

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса – нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колоне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В нашем случае насадка определена условиями задания:

Тип насадки: Кольца Рашига, керамические, упорядоченные.

1.4 Расчет скорости газа и диаметр абсорбера

Скорость газа в точке инверсии фаз ωп
м/сек, соответствующая возникновению режима эмульгирования (считая на полное сечение колоны), определяется из уравнения (Павлов. с.380):

, (12)

где σ – удельная поверхность насадки, м2
/м3
;

g – ускорение свободного падения, м/сек2
;

VСВ
– свободный объем насадки, м3
/м3
;

ρг
ρж
– плотность газа и жидкости, кг/м3
;

μж
– вязкость жидкости, спз;

A=-0,022 (для процесса абсорбции);

L и G – расход жидкости и газа, кг/ч.

Рабочая скорость газа (или пара) в обычных насадочных колонах (Павлов. с.380): ω=(0,6..0,85)ωп

В рассматриваемом проекте используются в качестве насадки керамические кольца Рашига упорядоченные, возьмем насадки размером 80X80X8, насадка из таких колец имеет следующие характеристики (см. таблица 1):

Таблица 1 Регулярные насадки "керамические кольца Рашига"

(определили по формуле 9)

(3, c. 578)

(3, c. 555)

ωп
=2,6598[м/с]