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.
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
где МВ
= 17 – мол. масса NH3
;
МА
= 29 – мол. масса воздуха.
Молекулярная масса исходной смеси:
Мсм
= МB
+ (1–)МA
= 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль
При нормальных условиях:
r0Н
= Мсм
/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м3
,
при рабочих условиях: t = 20° C; Р = 0,1 МПа:
rН
= rОН
Т0
Р/(ТР0
) = 1,19×273/293 = 1,11 кг/м3
.
3.2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат
GН
= VrН
= 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
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:
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
4. Определение диаметра абсобера
4.1 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
= МВк
/(МВк
+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 = МА
у+(1 – у)МВ
= 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.
Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:
rг
= МТ0
Р/(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 =
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.
5. Расчет высоты абсорбера
5.1 Высота светлого слоя жидкости
h0
= 0,787q0,2
hпер
0,56
wг
m
[1 – 0,31exp(-0,11μx
)]
где hпер
= 0,04 м – высота переливной перегородки;
q – линейная плотность орошения;
μх
= 1,0 мП
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
5.2 Плотность орошения
U = L/ρж
Sк
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
,
где m0
= 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 m0
= 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
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∙105
Dж
0,5
[U/(1–ε)]0.5
h0
[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∙105
Dг
0,5
(w/ε)0.5
h0
[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:
Δм
= к
= 0,005 кг/кг
Δб
= н
– рн
= 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг
Δср
= (б
– м
)/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 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
= ζw2
ρг
/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
= ρж
gh0
= 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.
7. Конструктивный расчет
7.1 Толщина обечайки
= 1,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м,
где sд
= 138 МН/м2
– 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 м3
.
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:
| dусл
|
D |
D2
|
D1
|
h |
n |
d |
| 65 |
160 |
130 |
110 |
14 |
4 |
14 |
| 250 |
370 |
335 |
312 |
21 |
12 |
18 |
7.5 Расчет опоры
Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,
размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.
Ориентировочная масса аппарата.
Масса обечайки
mоб
= 0,785(Dн
2
-Dвн
2
)Ноб
ρ
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
Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.
Масса воды при гидроиспытании
mв
= 1000(0,785D2
Hц.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(D2
2
– D1
2
) = 0,785(1,102
– 0,942
) = 0,256 м2
Удельная нагрузка опоры на фундамент
s = Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.
Литература
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
2. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
4. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.