Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова”

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра охраны окружающей среды

и рационального использования природных ресурсов

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

  по процессам и аппаратам защиты окружающей среды на тему:

Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил

студент группы ЗХС-22-06     “ ”    

Руководитель проекта

Доцент, к.т.н.       “ ”       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2010г.

 

Исходные данные для расчета абсорбционной установки:

 

Шифр по Иоффе – 4;

Тип насадки – ситчатые тарелки;

Поглощаемое вещество – диоксид углерода (СО2);

Количество   газовой   смеси, поступающей на установку   G, м3/с –  6;

Начальная объемная концентрация СО2 в газовой смеси ун, % - 8, остальное: N2 –92%;

Степень извлечения ε, % - 96;

Начальная массовая концентрация вещества в поглотителе (воде) , %  - 0,2;

Степень насыщения поглотителя (воды) η – 0,76;

Начальная    температура     охлаждающей    воды,   поступающей в холодильник  tвн ,оС – 21;

Температура поглотителя tп, оС – 22.

Давление Р=1 бар (0,1 МПа).

 

 

 

Содержание

 

Введение......................................................................................................................4

1 Общие сведения об адсорбционных аппаратах....................................................6

2 Области применения абсорбционных  процессов.................................................8

3 Устройство и принцип действия  абсорберов........................................................9

3.1 Устройство поверхностных абсорберов............................................................11

3.1.1 Поверхностные абсорберы с  горизонтальным зеркалом   жидкости..........12

3.1.2 Пленочные  абсорберы.....................................................................................13

3.1.3 Насадочные абсорберы....................................................................................14

3.1.4 Механические пленочные абсорберы.............................................................17

3.2 Устройство барботажных абсорберов...............................................................18

3.2.1 Абсорберы со сплошным барботажным слоем.............................................19

3.2.2 Абсорберы тарельчатого типа.........................................................................19

3.2.3 Абсорберы с подвижной насадкой.................................................................20

3.2.4 Абсорберы с механическим  перемешиванием жидкости............................21

3.3 Распыливающие абсорберы................................................................................22

4 Расчет абсорбционной колонны...............................................................................24

4.1 Материальный баланс.........................................................................................24

4.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера...........................................26

4.3 Определение высоты колонны...........................................................................28

4.4 Расчет гидравлического сопротивления колонны............................................30

5 Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом...............................................................................................32

Заключение.................................................................................................................33

Литература..................................................................................................................34

Приложение А............................................................................................................35

Приложение Б............................................................................................................36

Приложение В............................................................................................................37

 

Введение

 

Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения компонентов из газовой  или парогазовой смеси жидким поглотителем, в котором данный компонент растворим [1, с.203].

Если поглощаемый газ – абсорбтив - химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции [2, с.49].

Для очистки газов от СО2 применяют различные процессы, которые можно разбить на следующие группы:

• хемосорбционные процессы, основанные на химическом взаимодействии  СО2 с активной частью абсорбента;

• процессы физической абсорбции, в которых извлечение кислых компонентов происходит за счет их растворимости в органических и неорганических поглотителях;

• комбинированные процессы, использующие одновременно химические физические поглотители;

• адсорбционные процессы, основанные на извлечении компонентов газа твердыми поглотителями - адсорбентами (молекулярные сита, активированные угли и др.)

Выбор процесса очистки газов от кислых соединений зависит от многих факторов, основными из которых являются: состав и параметры сырьевого газа, требуемая степень очистки и область использования товарного газа, наличие и параметры энергоресурсов, отходы производства и др.

Анализ мировой практики, накопленной в области очистки газов, показывает, что основными процессами для обработки больших потоков газа являются абсорбционные с использованием химических и физических абсорбентов и их комбинации. Адсорбционные процессы применяют, как правило, для очистки небольших потоков газа, либо для тонкой очистки газа.

Целью проекта является выработка навыков расчетов процессов абсорбции, основанной на уравнении массопередачи.

 

 

 

 

1 Общие сведения об  адсорбционных аппаратах

 

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы — жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи [3].

На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а непоглощаемые составные части — инертным    газом.

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, будем называть растворителем.

Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом [3].

Протекание абсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т. е. равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т. е. скорость процесса массообмена, определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т. д.). При этом возможно осуществление непрерывного или ступенчатого контакта. В абсорберах с непрерывным контактом характер движения фаз не меняется по длине аппарата и изменение движущей силы происходит непрерывно. Абсорберы со ступенчатым контактом состоят из нескольких ступеней, последовательно соединенных по газу и жидкости, причем при переходе из ступени в ступень происходит скачкообразное изменение движений силы (с. 187) [3].

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента [3].

При хемосорбции абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции.

Промышленное проведение абсорбции может сочетаться или не сочетаться с десорбцией. Если десорбцию не производят, поглотитель используется однократно. При этом в результате абсорбции получают готовый продукт, полупродукт или, если абсорбция проводится с целью санитарной очистки газов, отработанный раствор, сливаемый (после обезвреживания) в канализацию [3].

 

 

2 Области применения абсорбционных  процессов 

 

Некоторые из этих областей указаны ниже:

1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты} или щелочными растворами (получение нитратов) и т. д. При этом абсорбция проводится без последующей десорбции.

2.  Разделение   газовых   смесей   для   выделения   одного    или    нескольких    ценных    компонентов    смеси. В этом случае применяемый  поглотитель должен  обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту  и возможно меньшей  по отношению  к другим составным частям  газовой  смеси   (избирательная,   или  селективная,   абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе.   В  качестве примеров   можно  привести  абсорбцию  бензола  из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п [3].

3.  Очистка  газа  от  примесей  вредных  компонентов. Такая     очистка    осуществляется    прежде    всего   с   целью   удаления примесей, не  допустимых при дальнейшей переработке  газов (например, очистка нефтяных  и коксовых газов от H2S, очистка азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т. д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO2; очистка от С12 абгаза после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т. п.). В рассматриваемом случае извлекаемый компонент обычно используют, поэтому его выделяют путем десорбции или направляют раствор на соответствующую переработку. Иногда, если количество извлекаемого компонента очень мало и поглотитель не представляет ценности, раствор после абсорбции сбрасывают в канализацию [3].

4. Улавливание ценных компонентов  из газовой смеси для предотвращения их потерь, а также по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.).

Следует отметить, что для разделения газовых смесей, очистки газов и улавливания ценных компонентов наряду с абсорбцией применяют и иные способы: адсорбцию, глубокое охлаждение и др. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими соображениями. Обычно абсорбция предпочтительнее в тех случаях, когда не требуется очень полного извлечения компонента [3].

 

3 Устройство и принцип  действия абсорберов

 

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости  (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы  (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для  поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов  абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей [3, с.10].

б) Барботажные абсорберы, в  которых поверхность контакта  развивается  потоками  газа,  распределяющегося  в  жидкости  в  виде  пузырьков  и  струек.  Такое  движение  газа   (барботаж)   осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной  барботаж)  либо в  аппаратах колонного типа  с различного типа тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается  также  в  насадочных  абсорберах  с  затопленной  насадкой.

В эту же группу входят барботажные абсорберы с перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами  (механические распыливающие абсорберы) [3, с. 11].

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Из различных типов аппаратов в настоящее время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Основные размеры абсорбера (например, диаметр и высота) определяют путем расчета, исходя из заданных условий работы (производительность, требуемая степень извлечения компонента и т. д.). Для расчета необходимы сведения по статике и кинетике процесса. Данные по статике находят из справочных таблиц, рассчитывают при помощи термодинамических параметров или определяют опытным путем. Данные по кинетике в значительной степени зависят от типа аппарата и режима его работы. Наиболее надежны результаты экспериментов, проведенных при тех же условиях. В ряде случаев подобные данные отсутствуют и приходится прибегать к расчету или опытам.

В настоящее время еще нет вполне надежного метода, позволяющего определять коэффициент массопередачи путем расчета либо на основе лабораторных или модельных опытов. Однако для некоторых типов аппаратов можно найти коэффициенты массопередачи с достаточно большой точностью при помощи расчета или сравнительно простых опытов. [3, с. 11]

 

3.1 Устройство  поверхностных абсорберов

 

В группу поверхностных абсорберов, включены аппараты с фиксированной поверхностью, т. е. аппараты, в которых поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера.

Эти аппараты в свою очередь можно разделить на следующие основные типы:

1)  Поверхностные абсорберы с горизонтальным зеркалом жидкости.

2)  Пленочные абсорберы.

3)  Насадочные абсорберы (с неподвижной  насадкой).

4)  Механические пленочные абсорберы. [3, 304]

 

3.1.1 Поверхностные абсорберы с  горизонтальным зеркалом   жидкости

 

В этих абсорберах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости, причем зеркало жидкости является поверхностью массообмена. Величина этой поверхности незначительна, вследствие чего поверхностные абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавливают несколько последовательно соединенных абсорберов с противоточным движением газа и жидкости. Для осуществления самотека жидкости абсорберы располагают ступенчато — каждый последующий по ходу жидкости аппарат несколько ниже предыдущего. [3, с.304]

Ранее поверхностные абсорберы выполняли в виде горизонтальных цилиндрических аппаратов или сосудов особой формы (туриллы, цел-„тариусы), изготовленных из керамики. В таких аппаратах жидкость занимает значительную часть всего объема, поэтому они удобны для отвода выделяющегося при абсорбции тепла. В простейшем случае тепло отводится через стенки аппарата путем естественного воздушного охлаждения. Для более интенсивного отвода тепла в абсорберах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим хладагентом. Кроме того, применяют наружное водяное охлаждение, помещая абсорберы в ящики с проточной водой или орошая водой их наружные стенки. [3, с.305]

Поверхностные абсорберы малоэффективны и в настоящее время находят ограниченное применение. Они используются в основном для абсорбции хорошо растворимых компонентов из небольших объемов газа при одновременном отводе тепла. Эти абсорберы применяют, в частности, при поглощении   компонентов     из   высококонцентрированных    газовых   смесей. [3, с.305]

 

3.1.2 Пленочные  абсорберы

 

В пленочных абсорберах газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки. Течение пленки происходит по вертикальным поверхностям, представляющим собой трубы или пластины. Известны три типа пленочных абсорберов:

- трубчатые абсорберы, в которых  пленка стекает по внутренней  поверхности вертикальных труб;

- абсорберы с листовой (плоско-параллельной) насадкой, в которых пленка стекает  по обеим поверхностям вертикальных  пластин;

- абсорберы с восходящим  (обращенным)  движением пленки.

Аппараты   первых   двух   типов   работают  при   противотоке   газа   и жидкости (газ движется снизу вверх навстречу стекающей по поверхности пленке); они могут работать также при нисходящем прямотоке (газ и жидкость движутся сверху вниз). Абсорберы третьего типа работают при восходящем прямотоке (газ и жидкость движутся снизу вверх).

Трубчатые абсорберы, а также абсорберы с восходящим движением пленки могут применяться при одновременном отводе тепла в процессе абсорбции; по развиваемой в единице объема поверхности соприкосновения фаз и по интенсивности массопередачи эти абсорберы значительно превосходят поверхностные.

Гидравлическое сопротивление трубчатых абсорберов и абсорберов с листовой насадкой даже при сравнительно больших скоростях газа (4—5 м/с) невелико. Абсорберы с восходящим движением пленки, работающие при высоких скоростях газа (свыше 15—20 м/с), — высоко интенсивные аппараты, но в то же время обладают значительным гидравлическим сопротивлением.

В настоящее время пленочные абсорберы применяются сравнительно редко;  из них наиболее распространены трубчатые  абсорберы, используемые для поглощения хорошо растворимых газов (НС1, NH3) из концентрированных газовых смесей при одновременном отводе тепла.

Рис.1 а — трубчатый; б — с листовой насадкой; 1 — трубы; 2 — трубные решетки;  3 — пластины; 4 — распределительное устройство.

Перспективными следует считать абсорберы с листовой насадкой, а также абсорберы с нисходящим и восходящим прямотоком, работающие при высоких скоростях газа.

 

3.1.3 Насадочные абсорберы

 

Насадочные абсорберы  представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки и т. д.). 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.

Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, вследствие   чего   насадочные    абсорберы   можно   рассматривать   как разновидность пленочных. В то же время между насадочными и пленочными абсорберами, в том числе абсорберами с листовой насадкой, имеются различия. В пленочных абсорберах пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, тогда как в насадочном — лишь по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Некоторая часть жидкости при этом проваливается в виде капель через расположенные ниже слои насадки.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком. Прямоток (нисходящий) применяют довольно редко. Однако в последнее время большое внимание уделяют созданию прямоточных насадочных абсорберов, работающих с большими скоростями газа (до 10 м/с). При таких скоростях, которые в случае противотока недостижимы из-за наступления захлебывания, интенсифицируется процесс и уменьшаются габариты аппарата; гидравлическое сопротивление при прямотоке значительно ниже, чем при противотоке. Применение таких абсорберов целесообразно в тех случаях, когда направление движения фаз не влияет заметно на движущую силу.

Недостаток насадочных абсорберов — трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники. Предложенные конструкции абсорберов с внутренним отводом тепла при помощи помещенных в насадку охлаждающих элементов не получили распространения.

Насадки, применяемые для заполнения насадочных абсорберов, должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность 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, Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые в навал) насадки. К регулярным относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки.

К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке в навал), седлообразная и кусковая насадки. Кроме того, используют специальные типы насадок, которые могут быть регулярными и беспорядочными.

Наиболее полное смачивание насадки и наибольшая эффективность абсорбера достигаются при равномерном распределении жидкости по поперечному сечению колонны. При течении по насадке жидкость не сохраняет первоначального распределения. Однако для достижения хорошего распределения жидкости по всей высоте насадки орошение следует подавать на нее равномерно. Для равномерной подачи орошающей жидкости применяют различные распределительные устройства, которые можно подразделить на две группы:

- устройства, подающие жидкость  отдельными струями (струйчатые  оросители); к этой группе относятся  распределительные плиты, желоба, дырчатые трубы, брызгалки и оросители типа сегнерова колеса;

- устройства, в которых подаваемая  на насадку жидкость разбивается  на капли (разбрызгивающие оросители) в результате удара струи о  тарелку (тарельчатые оросители) или торец насадки (многоконусные оросители) или под действием центробежной силы (вращающиеся центробежные разбрызгиватели).

Основными требованиями к распределительным устройствам для насадочных колонн являются, помимо обеспечения равномерного распределения жидкости, подача ее в достаточном количестве точек и минимальный брызгоунос. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют струйчатые оросители, в частности, распределительные плиты и дырчатые трубы. Применение брызгалок и разбрызгивающих оросителей ведет обычно к заметному брызгоуносу, что вызывает необходимость установки брызгоуловителей.

 

 

3.1.4 Механические пленочные абсорберы

 

Механические пленочные абсорберы можно раз бить на две группы. В аппаратах первой группы механическое воздействие (вращение) используется для создания и поддержания пленки жидкости. К этой группе относится дископленочный абсорбер (рис.2 а).

Рис.2 Механические  пленочные   абсорберы: а — дископленочный; б — с вращающимися пакетами дисков; 1 — горизонтальный цилиндр; 2 — перегородка; 3 — вал; 4 — диск; 5 — пакет кольцевых дисков.

В горизонтальном цилиндре 1 поддерживается некоторый уровень жидкости. Внутри цилиндра вращается горизонтальный вал 3 с закрепленными на нем перфорированными дисками 4. Поверхность дисков, выступающая над зеркалом жидкости покрыта жидкой пленкой; на поверхности этой пленки и происходит абсорбция. Окружная скорость вращения дисков 0,2- 0,3 м/с. Коэффициенты массопередачи примерно те же, что и для насадочных абсорберов [3,с.321].

Несколько иная конструкция механического пленочного абсорбера показана на рис. 2, б. Абсорбер разделен перегородками 2 на несколько секций. В каждой секции на валу 3 закреплен сплошной диск 4, к которому прикреплены два пакета кольцевых дисков 5. Благодаря такому устройству газ движется зигзагообразно.

Аппараты первой группы не обладают существенными достоинствами, а наличие вращающихся частей усложняет конструкцию и вызывает дополнительный расход энергии. Поэтому эти аппараты не получили распространения.

Больший интерес представляют аппараты второй группы, в которых вращение ротора используется для перемешивания фаз, что ведет к интенсификации массообмена. Это так называемые роторные пленочные колонны, применяющиеся при ректификации термически нестойких веществ. Очевидно,  возможно  использование  этих  аппаратов  и  для абсорбции.