Проектирование и расчет тарельчатого абсорбера в производстве водки

Введение 

     Абсорбцией  называется процесс поглощения газов  или паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

     При физической абсорбции поглощаемый  компонент (абсорбтив) не взаимодействует  химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то этот процесс называется хемосорбцией.

     Физическая  абсорбция в большинстве случаев  обратима. На этом свойстве абсорбционных  процессов основано выделение поглощенного газа или пара из растворов. Для регенерации поглотителя используется либо десорбция, либо ректификация.

     В промышленности абсорбция используется главным образом для извлечения ценных компонентов из парогазовых  смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

     Абсорбционные процессы широко распространены в химической промышленности. Например, абсорбция SO₂ и SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCl в производстве соляной кислоты, абсорбция окислов азота в производстве азотной кислоты, абсорбция паров ацетона и бензола в соответствующих производствах.

     Наибольшее  применение  промышленности нашли  тарельчатые и насадочные абсорберы.

     Достоинством  насадочных аппаратов является их простота, высокая эффективность и невысокое  гидравлическое сопротивление. Однако эти аппараты имеют сравнительно большой вес и громоздкость.

     Преимуществами  тарельчатых абсорберов являются их высокая эффективность и надежность, меньшая (по сравнению с насадочными) масса, устойчивая работа при изменении  нагрузок по жидкости и газу.

     Целью настоящего курсового проекта является разработка и проектирование тарельчатого абсорбера для улавливания водой из паровоздушной смеси паров этилового спирта. 

     1 Технология абсорбционной  установки 

     Основными элементами установки являются абсорбционная  колонна для улавливания паров  этилового спирта водой. Абсорбция ведется при избыточном давление P = 0,02 МПа (0,12МПа абсолютное) и температуре 82 ⁰С. Начальное содержание паров этилового спирта в исходной паровоздушной смеси составляет      31 % (об.).

     Работа  установки осуществляется следующим образом.

     Для улавливания паров спирта и очистки  воздуха паровоздушная смесь  из всех резервуаров (сборников, мерников) направляется в тарельчатый абсорбер А, подогреваясь предварительно в теплообменнике Т. В абсорбере паровоздушная смесь взаимодействует с водой на тарелках. Вода подается самотеком из напорной емкости НА 1 в тарельчатый абсорбер А, предварительно пройдя холодильник Х. Пройдя очистку, воздух выбрасывается в атмосферу, а раствор этилового спирта, с конечной концентрацией последнего в воде 2 % (масс.), насосом Н подается в напорный резервуар НА 2, откуда направляется в песочный фильтр для исправимого брака ПФ. Далее он проходит последующие этапы очистки и поступает в емкость, из которой идет на розлив, фасование и упаковку. Далее на реализацию. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Конструкция абсорбционной колонны

2.1 Описание конструкции  колонны

     Современные абсорбционные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и типа внутренних устройств, обеспечивающих контакт между паром и жидкостью.

     В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяют на вакуумные, атмосферные  и работающие под избыточным давлением.

     В зависимости от вида внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные аппараты.

     К аппаратам предъявляются следующие  требования:

     - высокая разделительная способность;

     - гибкость и надежность в работе;

     - высокая производительность;

     - низкие эксплуатационные расходы;

     - простота и технологичность конструкции.

     Выбор конструкции аппарата зависит от назначения аппарата и его места в технологической цепочке установки, состава разделяемой смеси и требований к качеству разделяемых продуктов, а также возможности уменьшения энергетических затрат.

     При выборе типа аппарата следует учитывать  технологические требования к процессу и его экономические показатели.

     Пленочные аппараты и насадочные абсорберы  незаменимы при проведении процесса в условиях разряжения, поскольку  их гидравлическое сопротивление самое низкое. Пленочные и насадочные колонны предпочтительнее также для обработки коррозионных сред и пенящихся жидкостей.

     Тарельчатые колонны удобны для крупнотоннажных  производств при сравнительно небольших  расходах жидкости, недостаточных для  равномерного смачивания насадки, а  также для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры, так периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушить  
 

хрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отвода теплоты. Тарельчатые колонны также применяются при обработке потоков с твердыми примесями или при выделении твердого осадка.

     В современных тарельчатых колоннах используются различные конструкции контактных устройств, основное назначение которых – создание максимально развитой поверхности контакта фаз.

     Основные  типы наиболее часто используемых в промышленности тарелок:

     - провальные (дырчатые, решетчатые, трубчатые);

     - со сливными устройствами (колпачковые,  ситчатые, клапанные, балластные, струйные  и др.).

     Выбор типа контактного устройства основывается на опыте эксплуатации массообменной аппаратуры и рекомендаций с учетом технико-экономических показателей, а также возможных колебаний нагрузок по жидкости и пару.

     В соответствии с заданием предлагаются к использованию решетчатые провальные тарелки. К их основным достоинствам относятся: большие эффективность и интенсивность; малые капитальные затраты; малый расход металла; легкость осмотра, чистки, ремонта и монтажа; возможность использования в агрессивных средах.

     Конструкция абсорбционной колонны приведена  на чертеже общего вида.

     Учитывая результаты расчетов: D = 1м, принято цельносварное исполнение корпуса колонны.

     Аппарат состоит из цельносварного корпуса  с приварными эллиптическими нижним и верхним днищами. Внутри аппарата монтируются решетчатые провальные тарелки ТР 12шт. Для монтажа, демонтажа и осмотра тарелок колонна снабжена люками D_y = 500мм. Аппарат устанавливается на бетонный фундамент с помощью цилиндрической опоры. Для подачи и отвода соответствующих технологических потоков колонна снабжена штуцерами. 
 
 
 

2.2 Выбор конструкционного материала 

     При выборе конструкционного материала  для изготовления аппаратов учитываются  следующие факторы: рабочее давление в аппарате, температура среды  и ее коррозионная активность. Также при выборе материала следует избегать дорогих и дефицитных материалов и при этом учитывать такие его свойства, как плотность, теплопроводность, пластичность и свариваемость.

     Так как колонна работает под избыточным давлением и температуре 82 ⁰С, выбираю в качестве основного материала элементов колонны (корпус, штуцера и люки) нержавеющую сталь 08Х22Н6Т ГОСТ 1256-84.

     Скорость  коррозии стали в рабочей среде  менее 1 мм/год.

     Для изготовления остальных элементов  колонны используют сталь 08Х13 ГОСТ 1256-84; прокладки – паронит ПМБ ГОСТ 481-80. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Технологический расчет тарельчатого абсорбера 

     Целью технологического расчета абсорбера  является составление материального  баланса, расчет диаметра аппарата, числа  тарелок и высоты аппарата, а также  гидравлический расчет и расчет штуцеров абсорбера. 

Исходные  данные: 

Расход  паровоздушной смеси                                                             G = 0,7  кг/c,

Поглотитель                                                                                                      вода,

Содержание  паров этилового спирта  в исходной смеси              у_н = 31 % (об.),

Конечная  концентрация этилового спирта  в воде                          % (масс.),

Температура в абсорбере                                                                          t = 82 ,

Давление  в абсорбере (избыточное)                                                 P = 0,02 МПа,

Тип контактного  устройства                                                                       тарелка. 

     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 К_x, К_y – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²*с). 
 
 
 
 
 
 

3.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя 

       Массу этилового спирта (СП), переходящего в процессе абсорбции из воздушной смеси (ВОЗ) в поглотитель за единицу времени, нахожу из уравнения материального баланса:

                                                  .                                  (2)

где L, G – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

- начальная и конечная концентрации  этилового спирта в газовой фазе, кгСП/кгГ.

-  начальная и конечная  концентрации этилового спирта в воде, кг СП/кг В.

Перевожу  все известные концентрации в  относительные массовые доли.

 кг СП/ кг В.

                                                             ,                                                   (3)

 кг СП/ кг В.

                                                        ,                                               (4)

где  =  46 кг/кмоль – молекулярная масса этилового спирта ;

= 29 кг/кмоль - молекулярная масса воздуха.

  Подставляя  численные значения в (4), получаю:

  кг СП/ кг ВОЗ.

     Дальнейший  расчет ведется в относительных  массовых концентрациях.

     Принимаю, что конечная концентрация этилового спирта  в воздухе равна предельно допустимой концентрации (ПДК) этилового спирта  в воздухе, согласно [5]:

      , тогда

                                                             ,                                                (5)

где - плотность паровоздушной смеси, кг/м³ , при условиях в абсорбере.  
 

     Но  т.к. концентрация этилового спирта  в исходной смеси мала то, принимаю, что плотность паровоздушной смеси приближенно равна плотности чистого воздуха.        

                                                            ,                                                  (6)

где Р – абсолютное  давление в абсорбере.

                                                 Р_абс =  Р_изб + P₀                                                     (7)

     Подставляя  численные значения в (6), получаю:

тогда

     Зная  все относительные массовые концентрации, строю рабочую линию абсорбера АВ, по точкам  А ( ) и В ( ). Причем рабочая линия расположена выше линии равновесия, т.к. при абсорбции содержание компонента (этилового спирта) в газовой фазе выше равновесного.

     Строю линию равновесия используя [2, с.44] в интервале концентраций ( ), т.е. (0; 0,02). Т.е. строю линию равновесия, используя данные таблицы 1,

 см. рисунок 1: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1

     По  рисунку 1 находим , восстанавливая перпендикуляр из до пересечения с линией равновесия. И находим , соответствующее полученной точке, = 0,242.

     В уравнение материального баланса подставляется расход воздуха, который можно найти из пропорции:

0,7              -              100%

G_спирта          -                31%.

Отсюда  G_спирта = 0,217 кг/c, 

G_воз = G - G_спирта = 0,7 – 0,217 = 0,483 кг/c.

     Производительность  абсорбера по поглощаемому компоненту:

кг/с.

     Расход  поглотителя из (2):

,                                                  

   кг/с.

     Удельный  расход поглотителя:

                                                      ,                                                                (8)

            кг/кг. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2 Движущая сила  массопередачи 

     Движущая  сила в соответствии с уравнением (1) может быть выражена в единицах концентрации, как в жидкой, так и в газовой фазах. Средняя движущая сила определяется по уравнению (9):

                                             ,                                                       (9)

где = -  , = -  .                                                           (10, 11)

кг СП/кг ВОЗ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.3 Скорость газа и диаметр абсорбера 

     Скорость  газа в интервале устойчивой работы провальных тарелок может быть определена с помощью уравнения (12):

                             ,                                                          (12)

Здесь ,

где ω - скорость газа в колонне, м/с; d_э – эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке, м; F_c – доля свободного сечения тарелки, м²/м²; μ_х, μ_в – вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 20⁰С, Па*с.

     Пересчитываю  плотность поглотителя в абсорбере по уравнению (13):

                                                         ,                                         (13)

     Причем, т.к. концентрация этилового спирта в воде мала то, принимаю, что плотность жидкой фазы равна плотности чистой воды.        

 кг/м³.

     Тогда

     Коэффициент В равен 2,95 для нижнего и 10 – для верхнего пределов нормальной работы тарелки. Наиболее интенсивный режим работы тарелок соответствует верхнему пределу, когда В = 10, однако с учетом возможного колебания нагрузок по газу принимают В  = 6-8.

     Приняв  коэффициент В = 8, получаю:

     Нахожу  вязкости воды при 20 и 82°С согласно [3, стр.514]:

= 0,3478^.10^-3  Па^.с,

= 1,005^.10^-3  Па^.с. 
 

     По  каталогу [6] выбираю решетчатую провальную тарелку со свободным сечением F_c = 0,2 м²/м² и шириной щели      

     _{при этом dэ = 2b = 2*0,006 = 0,012м.}

     Подставляя  численные значения в (12), получаю:

     Отсюда м/с.

     Диаметр абсорбера находится из уравнения  расхода:

                                                 ,                                            (14)

где  V₀ = - производительность по газу при нормальных условиях,  м³/с.

V₀ = м³/с.

     Подставляя численные значения в (14), получаю:

 м.

     Принимаю  [7] стандартный диаметр обечайки абсорбера d=1м.

     При этом действительная скорость газа в  колонне будет равна:

                                                     ,                                                 (15)

 м/с. 
 
 
 
 
 
 
 

3.4 Высота светлого слоя жидкости 

     Высоту  светлого слоя жидкости на тарелке h₀ нахожу из соотношения:

где h_п – высота газожидкостного барботажного слоя (пены) на тарелке, м.

     Отсюда:

     Высоту  газожидкостного слоя для провальных тарелок определяю из уравнения:

где  - критерий Фруда; - скорость газа в свободном сечении (щелях) тарелки, м/с; С – величина равная:

     Плотность орошения U для провальных тарелок без переливных устройств равна:

     Отсюда  получаю:

     Тогда

     Пересчитаю  коэффициент В (который ранее был принят равным 8) с учетом действительной скорости газа в колонне:

     Тогда

     Отсюда  нахожу высоту газожидкостного слоя: 

     Газосодержание  барботажного слоя нахожу по уравнению:

     Тогда высота светлого слоя жидкости:

3.5 Расчет коэффициентов массоотдачи и коэффициента массопередачи 

     Коэффициент массопередачи К_yf нахожу по уравнению аддитивности

фазовых диффузионных сопротивлений:

                                                          ,                                          (20)

где β_yf и β_хf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и газовой фаз, ; m – коэффициент распределения, кг/кг.

                                                         т = ,                                                    (21)

т =

     В литературе приводится ряд зависимостей для определения коэффициентов  массоотдачи. На основании сопоставительных расчетов рекомендуют использовать обобщенное критериальное уравнение, применимое для различных конструкций барботажных тарелок: 

                                                                                (22)

     _{При этом для жидкой фазы}

                                                                     _{(23, 24)}

_{для газовой фазы}

                                                                        _{(25, 26)}

_{где А – коэффициент; Dx, Dy – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента соответственно в жидкости и газе, м²/с; U/(1-e),}

_{w/e – средние скорости жидкости и газа в барботажном слое, м/с; е – газосодержание барботажного слоя, м³/м³, h0 – высота слоя светлой (неаэрированной) жидкости на}