Расчет тарельчатого абсорбера

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет» 

Кафедра процессов, машин и аппаратов  химических производств 

Расчетно-пояснительная  записка к курсовому  проекту 

Расчет  тарельчатого абсорбера 
 
 
 
 
 
 

Разработал  ст-т гр. ----------

---------------------

Проверил:

-------------------- 
 
 

----------------

1.Содержание

1. Содержание ...………………………………………………………………2
2. Введение ……………………………………………………………………3
3. Описание технологической схемы ……….………………………………5
4. Расчет колонного аппарата …………………..……………………………6
1. Технологический расчет ………………………………………….………6
2. Масса поглощаемого вещества ……………………………………..……7
3. Расчет движущей силы…………………………………………………..12
4. Расчет скорости газа и диаметра абсорбера……………………………13
5. Расчет коэффициентов  массопередачи и числа тарелок абсорбера….15
6. Расчет гидравлического сопротивления ……………………………….20
7. Расчет диаметров штуцеров и подбор фланцев………………………..21
5. Конструктивный расчет ………………………………………………….23
6. Подбор вспомогательного оборудования……………………………….26
7. Список используемой литературы………………………………………27

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 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 насадочных 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. 

 
 
 

3. Описание  технологической  схемы.

 

    Газовоздушная смесь с помощью газодувки (ГД) подается в 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 сероводород растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная сероводородом поступает в приемную емкость (ПЕ), а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу. 
 
 
 
 
 
 
 

4. Расчет  колонного апарата.

4.1 Технологический расчет.

   Геометрические  размеры колонного массообменного аппарата определяются поверхностью массопередачи, необходимой для проведения процесса абсорбции, и скоростью перемещения  фаз.

   

   Поверхность массопередачи может быть найдена  из уравнения массопередачи:  

   

   где: К_х, К_у коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газообразной фазам, кг/м²·с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

   

4.2 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя. 

  Массу сероводорода, переходящую в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

  

где: L, G-расход чистого поглотителя и  инертной части газа, кг/с;, начальная и конечная концентрация в поглотителе, кг H₂S/кг Н₂О, начальная и конечная концентрация в газовой смеси.

   Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам  для получения выбранных для  расчета размерностей, т.е. выразим  заданные концентрации по поглощаемому газу в относительных массовых долях, а нагрузки по газу и поглотителю  в массовых расходах:

   Для исходной газовой смеси:

   

   Для газа на выходе из абсорбера:

     
 
 
 
 
 

   

   

   По  условию задания сероводород в воде, поступающей сверху абсорбера, отсутствует т.е. . Конечная концентрация сероводорода в воде может быть рассчитана из уравнения материального баланса:

    _,

   Где - массовый расход абсорбируемого газа водой,

          L - Расход жидкого поглотителя

   Для этого определяем неизвестные величины M, L. Рассчитаем массовый расход абсорбируемого в воде сероводорода: 

     

   Где V_{0 .}-начальный объем газовой смеси при нормальных условиях,

   начальное количество сероводорода в газовоздушной  смеси: 

   _{Vн.H2S=V0*yн=11,31*0,05=0,565398 нм³/с}

   Количество  сероводорода в выходящем газе (в верхней части абсорбера):

   

   Поглощается водой сероводорода:

     

   

   

   Плотность сероводорода при н.у.:

   Массовый  расход абсорбируемого газа водой:

   

   Расход  жидкого поглотителя:

   Где L_min- теоретически минимальный расход поглотителя, кг/с;

    -коэффициент избытка поглотителя;  принимаем  =1,6.

         Теоретически минимальный  расход поглотителя рассчитывается по уравнению:

   

   Где - концентрация сероводорода в воде в низу скруббера, равновесная с концентрацией сероводорода в газе .

   В относительных массовых концентрациях  уравнение равновесия будет иметь  вид:

   

   Где: m- коэффициент распределения, который  равен:

   

   Где Е-константа Генри, при t=20ºC E=0,367·10⁶ мм рт. ст.=48,9·10⁶ Па 

   

   

   Коэффициент распределения:

   m=48,9·10⁶/10⁶=48,9 

   Подставив, получим:

   

   Пусть:

   

   

   

   При , по найденным точкам строим равновесную линию.

   При значении графически определяем:

   

   При этом:

   

   Расход  жидкого поглотителя:

   L=1,6·400,6360=641,0177 кг/с

   

   

   Конечная  концентрация сероводорода в поглотителе:

   

   Расход  инертного газа из уравнения материального  баланса:

   

   Соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя  равен:

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.3 Расчет движущей силы. 

Большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него ,

 

где концентрации сероводорода в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе соответственно на выходе из абсорбера и на входе.

Среднюю движущую силу рассчитаем по уравнению:

при условии, что 

                                

Тогда:

 
 
 

4.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера.

    Выбираем  в качестве тарельчатого контактного  устройства ситчатые тарелки типа ТС согласно ГОСТ 26-805-73, так как тарелки этого типа соответствуют многим характеристикам, учитывающим стабильную работу тарелок: большая область стабильной работы, малое гидравлическое сопротивление, малый брызгоунос, большая эффективность и интенсивность работы, малые капитальные затраты, возможность использования при больших нагрузках по жидкости и газу.

      Для ситчатых тарелок рабочую скорость газа можно рассчитать по уравнению:

где: плотность воды при t=20ºC

        плотность сероводорода при t=20ºC 

Скорость  газа равна:

 
 
 
 
 

Диаметр абсорбера находят из уравнения  расхода:

Принимаем стандартный диаметр обечайки d = 2 м, при этом действующая скорость газа в абсорбере равна:

  Для колонны диаметром d = 2 м принимаем к исполнению ситчатую  тарелку типа ТС с основными конструктивными размерами:

 

Скорость  газа в рабочем сечении тарелки:

 
 
 
 
 
 

4.5 Расчет коэффициентов массопередачи и числа тарелок абсорбера. 

  Коэффициент массопередачи по газовой фазе определяют по уравнению аддитивности фазовых  диффузионных сопротивлений:

Где коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для газовой и жидкой фаз, кг/м²·с. m- коэффициент распределения (тангенс угла наклона равновесной линии к оси абсцисс).

  Для нахождения коэффициентов массоотдачи  необходимо рассчитать высоту светлого слоя жидкости и коэффициенты молекулярной диффузии сероводорода в жидкой и газовой фазах.

        Высоту светлого слоя жидкости  на ситчатых тарелках определяют  по уравнению:

Где m- показатель степени, равный

 
 
 
 
 

линейная плотность орошения, м³/м³·с.

;    поверхностное натяжение.

         Подставив, получим:

     Определим коэффициенты молекулярной диффузии.

Коэффициент молекулярной диффузии сероводорода в газе рассчитаем по уравнению:

Здесь мольные объемы сероводорода и воздуха в жидком состоянии при нормальной температуре кипения.

      Разбавленных  растворах коэффициент диффузии D_x может быть достаточно точно вычислен по уравнению:

 

Здесь β=2,6- параметр, учитывающий ассоциацию молекул поглотителя.

Расчеты коэффициентов массопередачи. Жидкая фаза.

Где ε- газосодержащие барботажного слоя

Fr- критерий  Фруда.

При этом:

Плотность орошения U рассчитывается:

Коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:

_, 

где ,  

Газовая фаза:

Выразим коэффициенты массопередачи в выбранной  для расчета размерности:

Коэффициент массопередачи K_yf по газовой фазе:

      Необходимое число тарелок n определяют делением суммарной площади тарелок F на рабочую  площадь одной тарелки:

Суммарная поверхность тарелок равна:

 

Рабочая площадь тарелок определим с  учетом площади, занятой переливными  устройствами:

Где φ- доля рабочей площади тарелки, м²/м²; принимаем φ=0,9

     Требуемое число тарелок:

n=5,79/0,2691=21,52

Принимаем n=22

Согласно  рекомендациям выберем расстояние между тарелками абсорбера равным h=0.250 м, при этом высота тарельчатой части колонны абсорбера определяется:

Расстояние  между верхней тарелкой и крышкой  абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения тарелок  и от высоты сепарационного пространства. Принимаем это расстояние равным 0,8 м.

      Расстояние  между днищем абсорбера и нижней тарелкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Принимаем это расстояние равным 1,35 м.

      Общая высота абсорбера:

H=5,5+1.35+0,8=7,65 м 
 
 
 
 
 
 
 

4.6 Расчет гидравлического сопротивления. 

Гидравлическое  сопротивление тарелок абсорбера  определяют по формуле:

Полное  гидравлическое сопротивление одной  тарелки складывается из трех слагаемых:

Гидравлическое  сопротивление сухой тарелки:

Где ξ=1,5- коэффициент сопротивления сухой  ситчатой тарелки.

Гидравлическое  сопротивление газо-жидкостного  слоя на тарелке:

Гидравлическое  сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

Полное  гидравлическое сопротивление:

P=58,25+2847,09+36.35=2941,69Па

P_a=2941,69*22=64717,18Па 
 
 
 

4.7 Расчет диаметров штуцеров и подбор фланцев. 

Диаметры  штуцеров для входа и выхода материальных потоков в абсорбере рассчитывают по уравнению расхода:

   

   Где G- массовый расход среды, кг/с.

   Вход  и выход в колонне  поглотителя.

   Принимаем скорость перемещения воды по трубопроводу

   Диаметр штуцеров:

   

   Принимаем d_шт=500 мм

   Вход  и выход газа.

   Принимаем скорость перемещения газового потока по трубопроводу

    При этом:

   

  Принимаем d_шт=800 мм. 
 
 
 

   

   

   Выбираем  для труб и трубной арматуры фланцы стальные плоские приварные с  соединительным выступом с основными  размерами:

 

     Соединение  обечайки  с днищами осуществляется с помощью плоских приварных  фланцев по ГОСТ 26–428–79. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

     

5. КОНСТРУКТИВНЫЙ  РАСЧЕТ.

      Принимаем, что данный аппарат является тонкостенной оболочкой, у аппарата эллиптическая  днище и крышка. Принимаем рекомендованную  для данной среды Сталь 20 К для изготовления аппарата.

      5.1 Расчет цилиндрической обечайки.

      Пробное давление:

      

      

      

      _{Исполнительная  толщина:} 

                     

                     

                     

      _S=Sp+c+C0

      _{S=6,8+1+0,5=8,3мм}

      _{Допускаемое рабочее давление:}

                           

                             
 
 
 
 

      

      

      _{Допускаемое давление при испытаниях:}

      

        

      _{5.2 Расчет днища и крышки:} 

             

             

               

            _{Sэ=Sэр+с+с0=6,8+1+0,5=8,3 мм}

      _{Принимаем:}

      _{S=12 мм, Sэ=12 мм, [P]=1,069МПа, [P]и=1,9720МПа}

      5.3 Расчет опоры

      Нижнее  опорное кольцо:

      Ширина  кольца b₁ = 0,5(D₁-D₂) устанавливается конструктивно и должна удовлетворять условию

      

;

      принимаем b₁ = 165 мм.

      Выступающая наружу от обечайки опоры ширина кольца b₂ принимается из соотношения ;

      принимаем b₂ = 140 мм. 

      

      

      Толщина нижнего опорного кольца

      

,

      где χ₁ – коэффициент для опорного узла исполнения 1 в зависимости от параметра b₂/b₇;

      принимаем s₂ = 20 мм.

 

      

      

6. Подбор  вспомогательного оборудования.

      6.1 Подбор насоса

      Q- подача воды, м³/ч

      Q=L/r_H2O=641,0177*3600/998=2312,29 м³/ч

      

      Выбираем осевой насос типа О, предназначенный для перекачивания пресной воды температурой не более 35С°, содержащей взвешенные частицы в количестве 1000 мг/л; из них абразивные частицы составляют не более 2%.

      6.1 Подбор вентилятора

      Q- подача газа, м³/ч

      Q=G/r_смеси, м³/ч

      G_смеси=1,293*0,95+1,54*0,05=1,305кг/м³

      Q=1,732*3600/1,305=4777,93_, м³/ч

      Выбираем  центробежный дутьевой вентилятор одностороннего всасывания  ВДН-8

      Номинальные параметры при максимальном КПД:

      Производительность  – 6000 м³/ч

      Полное  давление – 103 кгс/м³

      Максимально допустимая скорость вращения 1500 об/мин

      Мощность  на валу 2,1 кВт

      Температура 30 С° 
 

      7.Список используемой литературы. 

 

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.

 
 

5. Тютюнников А.Б. и др. Основы расчета и конструирования массообменных колонн: Учеб. пособие / А.Б. Тютюнников, Л.Л Товажнянский, А.П. Готлинская – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989.- 223с.: ил.