Расчет насадочного абсорбера. 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет химико-технологический
Кафедра «Процессы и аппараты химических производств»
КУРСОВАЯ РАБОТА
РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА
Проверил:
Волгоград 2012 г.
Задание:
- Рассчитать абсорбер для улавливания Сl2 из воздушной смеси водой при следующих условиях:
- Производительность по газу при нормальных условиях V0=165 м3/ч.
- Концентрация Сl2 в воздухе при нормальных условиях:
- на входе в абсорбер yн = 0,078 кг/м3;
- на выходе из абсорбера yк = 0,0015 кг/м3.
- Содержание Cl2 в воде, подаваемой в абсорбер xн = 0,0001 % (масс.).
- Абсорбция изотермическая, средняя температура потоков в абсорбере t = 22 0С.
- Абсорбер насадочный (насадка кольца Рашига 50´50 мм).
- Давление в колонне 0,9 МПа.
2. Определить
диаметры штуцеров (для входа
исходной газовой смеси, для
выхода газовой смеси из
3. Разработать технологическую схему абсорбции.
Содержание
Задание……………………………………………………………
Введение…………………………………………………………
- Расчет насадочного абсорбера………………………………………..
- Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя……………..
1.2 Движущая сила массопередачи……………………………………..
1.3 Коэффициент массопередачи……………………………………….
1.4 Скорость газа и диаметр абсорбера………………………………...
1.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки…………...
1.6 Расчет коэффициентов массоотдачи……………………………….
1.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера…………………
1.8 Гидравлическое сопротивление абсорбера……………………..….
1.9 Расчет штуцеров………………………………………
2 Технологическая схема абсорбции……………………………………
Заключение……………………………………………………
Список использованной литературы…………………………………...
Приложение А…………………………………………………………...
Введение
Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами. Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). 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 словно разделить на следующие группы: поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыливающие.
Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами. Если при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как изотермическую. [1, с. 434]
Целью работы является расчет
абсорбционной установки и
- Расчет насадочного абсорбера [2, с. 192 -202]
1.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя
Массу Cl2, переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени определяем из уравнения материального баланса (1):
M = G × (Yн – Yк) = L × (Хк – Хн),
где L – расход чистого поглотителя, ;
G – расход инертной части воздушной смеси, ;
Хн, Хк – начальная и конечная концентрация Cl2 в поглотительной воде, ;
Yн, Yк – начальная и конечная концентрация Cl2 в воздушной смеси, .
Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности по формулам (2) и (4) соответственно:
где ρ0y – средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях, кг/м3.
Средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях определяем по уравнению (3):
где ρ0y – средняя плотность воздушной смеси при нормальных условиях, кг/м3;
Конечную концентрацию Сl2 в поглотительной воздушной смеси Xк Xк выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Для воздушной смеси расход поглотительной воды L принимают в 1,5 раза больше минимального Lmin. В этом случае конечную концентрацию Xк определяем из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (6):
M = Lmin × (* - Xн) = 1,5 × Lmin × (Xк – Xн), (6)
где * – концентрация Cl2 в жидкости, равновесная с газом начального состава, кг Сl2/кг Н2О.
Уравнение равновесной линии, выраженное через относительные массовые концентрации, выглядит в виде уравнения (7)
где m – коэффициент распределения, определяется по формуле (8);
Мводы , Мвозд – молярные массы воды и воздуха, кг/кмоль.
где E – коэффициент Генри.
E = 0,4228 × мм рт. ст. [3, с. 539]
Pобщ = 0,9 Мпа.
На основе этого получаем уравнение равновесной линии (9), которое отобразим на рисунке 1.
Расход инертной части газа определяем по уравнению (9):
G = V0 × (1 – yоб) × (ρ0y – yн), (10)
где yоб – объемная доля Сl2 в газе.
Объемную долю Cl2 в газе определяем по уравнению (10):
×
где - мольная масса .
= 70,9.
G = 0,0458 × (1 – 0,0246) × (1,44 – 0,078 ) = 0,0612 кг/с .
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту определяем по уравнению (11):
M = G × (Yн – Yк) . (12)
М = 0,0612 × (0,0569 – 0,001) = 0,0034 кг/с.
По рисунку 1 определяем=0,00146 кг Сl2 /кг воды. Тогда из формулы (6) получим выражение (13)
Расход поглотителя (воды) определяем по уравнению (14):
Удельный расход поглотителя определяем по уравнению (15):
Тогда уравнение рабочей линии запишем в виде формулы (16)
Изобразим эту линию на рисунке 1.
- Движущая сила массопередачи
Движущую силу в единицах концентраций газовой фазы определяем по уравнению (17):
где DYб и DYм – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг Cl2/кг возд.смеси.
DYб и DYм определяем по уравнениям (18) и (19) соответственно:
DYб = Yн – * . (18)
DYм = Yк – * , (19)
где * и * - концентрации Сl2 в воздушной смеси, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него, кг Cl2/кг возд.смеси.
DYб = 0,057 – 0,0376 = 0,0194 кг Cl2/кг возд.смеси;
DYм = 0,001 – 0 = 0,001 кг Cl2/кг возд.смеси.
- Коэффициент массопередачи
Коэффициент массопередачи Ky определяем по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений (20):
где bx и by – коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазам, кг/м∙с;
m – коэффициент распределения, кг Н2О/кг возд.смеси .
Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки рассчитать скорости потоков в абсорбере.
Характеристики насадки керамические кольца Рашига 50 ´ 50 мм:
- удельная поверхность a = 90 м2/м3 ;
- свободный объем e = 0,785 м2/м3;
- эквивалентный диаметр dэ=0,035 м;
A = - 0,073;
B = 1,75.
Плотность газовой смеси на входе в аппарат при нормальных условиях определяем по уравнению (21):
Плотность газовой смеси на входе в аппарат при рабочих условиях определяем по уравнению (22):
- Скорость газа и диаметр абсорбера
Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, определяем по уравнению (23):
где wпр – предельная фиктивная скорость газа, м/с;
µx , µв – вязкость соответственно поглотителя (воды) при температуре в абсорбере и воды при 0С, Па × с;
А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;
L и G – расходы фаз, кг/с;
плотность воды при 22 0 С, кг/м3.
= 996,95 кг/м3; [3, c. 512]
µx = 0,894 × Па × с; [3, c. 514]
µв = 1,005 × Па × с. [3, c. 514]
Решая это уравнение, получаем wпр = 0,083 м/с.
При улавливании Cl2 основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учетом этого рабочую скорость w принимают равной 0,3 – 0,5 от предельной.
Примем w = 0,4 × wпр = 0,4 × 0,083 = 0,033 м/с.
Диаметр абсорбера находим по уравнению (24):
где V- объемный расход газа при условиях в абсорбере, м/с.
Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера dст = 0,5 м.[3, с.197]
Действительную рабочую
- Плотность орошения и активная поверхность насадки
Плотность орошения (скорость жидкости) определяем по уравнению (26):
где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м2.
Площадь поперечного сечения абсорбера определяем по уравнению (27):
Минимальную эффективную плотность орошения Umin определяем по уравнению (28):
где qэф – эффективная линейная плотность орошения, м2/с.
qэф = 0,022 × м2/с. [3,с.198]
Umin = 90 × 0,022 × = 0,00198 м3/(м2∙с).
Так как U > Umin , то коэффициент смачиваемости насадки Ψ=1.
Долю активной поверхности насадки, yа определяем по уравнению (29):
где p и q – коэффициенты, зависящие от типа насадки.
Для колец Рашига р = 0,0367; q = 0,0086.
- Расчет коэффициентов массоотдачи
Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи by определяем по уравнению (30):
где Dy – средний коэффициент диффузии Cl2 в газовой фазе, м/с;
Rey – критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;
Pr¢y – диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;
Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке определяем по уравнению (31):
где µy – вязкость газовой смеси, Па × с.
Динамический коэффициент
где Мсм – молярная масса смеси, кг/моль.
Mcм=71∙0,0246+29∙(1-0,0246)=
Согласно справочным данным при 220С вязкость хлора и воздуха равны 1,5∙10-5 и 2∙10-5 Па∙с, соответственно.[1, с 539, рис VI]
Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы определяем по уравнению (34):
Коэффициент диффузии Cl2 в газовой фазе определяем по уравнению (35):
где u и u- мольные объемы Cl2 и воздушной смеси в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см/моль;
и - мольные массы соответственно Cl2 и воздушной смеси, кг/моль.
Коэффициент массоотдачи by:
Выразим by в выбранной для расчета размерности по уравнению (36):
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе bx определяем по уравнению (37):
где Dx – средний коэффициент диффузии Cl2 в воде, м2/с;
dпр – приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;
Rex – модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;
Pr¢x – диффузионный критерий Прандтля для жидкости.
Приведенную толщину стекающей пленки жидкости определяем по уравнению (38):
Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости определяем по уравнению (39):
Диффузионный критерий Прандтля для жидкости определяем по уравнению (40):
Средний коэффициент диффузии Cl2 в воде определяем по уравнению (41):
где M – мольная масса воды, кг/кмоль;
T – температура воды, К;
µy - вязкость воды, мПа × с;
u мольный объем Cl2, см3/моль ;
b - параметр, учитывающий ассоциацию молекул.
Выразим bx в выбранной для расчета размерности по уравнению (42):
bx = bx × ρx , (42)
bx = 8,65∙10-3 ×996,95 = 8,62 кг/м2∙с.
По уравнению (20) определяем коэффициент массопередачи Ky:
- Поверхность массопередачи и высота абсорбера
Поверхность массопередачи в абсорбере определяем по уравнению (43):
Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи определяем по уравнению (44):
Во избежание значительных нагрузок на нижние слои насадки ее укладывают в колонне ярусами. Расстояние между ярусами насадки составляет обычно 1 – 2 м.
Принимая расстояние между ярусами 0,5 м, определим высоту насадочной части абсорбера по уравнению (45):
где h – расстояние между ярусами, м.
Hн = 5,13 + 0,5 ∙ 4=7,13
Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1- 1,05 × d.
Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны. Примем это расстояние равным 1,5 м. Тогда общую высоту одного абсорбера определяем по уравнению (46):
Ha = Hн + 1,05 × d + 1,5.
Ha = 7,13 + 1,05 × 0,5 + 1,5 = 9,2 м.
В приложении А представлен
общий вид абсорбционной
1.8 Гидравлическое сопротивление абсорбера
Величину гидравлического сопротивления DP определяем по уравнению (47):
DP = DPс ×10b ∙ U,
где DPс – гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па;
U – плотность орошения, м3/(м2∙с) ;
b – коэффициент, значения которого для разных насадок различны.
Для колец Рашига внавал, 50 мм: b = 169.
Гидравлическое сопротивление
где ΔРс – гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;
Н – высота колонны, м;
l – коэффициент сопротивления;
ρу – плотность газовой смеси, кг/м3;
w0 – скорость газа в свободном сечении насадки, м/с.
Скорость газа в свободном сечении насадки определяем по уравнению (49):
Коэффициент сопротивления беспорядочно насыпанных кольцевых насадок (кольца Рашига) при турбулентном режиме (Re > 40) определяем по уравнению (50):
DP = 8,57 ×10169 ∙ 0,018 =9441,38 Па.
1.9 Расчет штуцеров
Примем значение скоростей в соответствии со справочными ориентировочными данными.[4, c.14, табл. 1.1]. Примем, что подача абсорбента и всасывание насыщенного раствора хлора из абсорбента осуществляется насосами со скорость ωж = 2 м/с. Тогда диаметры штуцеров для входа абсорбента и выхода насыщенного раствора хлора можно определить по уравнению (54):
Примем стандартный штуцер d=200 мм.[5, С 661, табл. 27.3].
Примем, что исходная газовая смесь подается под давлением со скоростью ωг1= 15 м/с, а очищенный воздух откачивается насосом ωг2= 15 м/с. Тогда диаметры штуцеров для входа газовой смеси и выхода очищенного воздуха можно определить по уравнению (54).
Штуцер для входа газовой смеси.
Примем стандартный штуцер d=65 мм.[5, С 661, табл. 27.3].
Штуцер для выхода очищенного воздуха.
Примем стандартный штуцер d = 65 мм.[5, С 661, табл. 27.3].
2 Схема абсорбционной установки[3]
Технологическая схема процесса абсорбции водой представлена на рисунке 2
Рисунок 2 – Технологическая схема абсорбционной установки
1 - вентилятор (газодувка); 2 - абсорбер; 3 - брызгоотбойник;
4,6 - оросители; 5 - холодильник; 7 - десорбер; 8 - куб абсорбера;
9, 13 - емкость для абсорбента; 10,12 - насосы;
11 - теплообменник-рекуператор.
Газ на абсорбцию подается газодувкой поз.1 в нижнюю часть абсорбера поз.2, где равномерно распределяется. Абсорбент из промежуточной емкости поз.9 насосом поз.10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя поз.4,6. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции выходит из колонны. Абсорбент стекает в промежуточную емкость поз.13, откуда насосом поз.12 направляется на регенерацию в десорбер поз.7 после предварительного подогрева в теплообменнике рекуператоре поз.11. Десорбция абсорбента производится в кубе поз.8. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник - рекуператор поз.11, дополнительно охлаждается в холодильнике поз.5.
Список использованной литературы
1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. / А.Н. Плановский. - М.: Химия, 1987. - 496с.
2. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для техникумов / И.Л. Иоффе. - Л.: Химия, 1991. - 351 с.
3. Дытнерский Ю.И. Основные
процессы и аппараты
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 12-е изд.- М., 2005.- 576 с.
5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. / А.А. Лащинский. - Л.: Химия, 1970. - 974с.
