Розрахунок та проектування абсорбційної установки. 2

                             Міністерство освіти і науки , спорту і молоді України

                              Національний університет  “ Львівська політехніка ”

                                                                                                       Кафедра хімічної інженерії

                   Пояснювальна записка до курсового проекту

                                  з  курсу ПАФВ на тему:

                          “ Розрахунок та проектування

                                    абсорбційної установки ”

Проектувала

студ. гр. ФР-32

                                                                                                                 Живчин М.О.

Керівник проекту

проф. Дубинін А.І.

Проект захищений

                                                                                                  з  оцінкою

              Комісія :

                                                    Львів 2011

Завдання на проектування.

Розрахувати та запроектувати тарілчастий абсорбер для вловлювання H2S з повітряної суміші водою, продуктивністю 500 м3/год. по газовій суміші за нормальних умов. Вміст H2S в суміші на вході в абсорбер становить 7.8 % об., ступінь вловлювання с0= 90 %. Абсорбція проводиться при середній температурі Тсер = 150С. Тиск газу, який надходить на абсорбцію необхідно вибрати та обґрунтувати. Тип тарілок тарілчастої колони – решітчасті.

                                                           ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………….

1.      Літературний огляд…………………………………………………………..

1.1.           Теоретичні основи абсорбції…………………………………………

1.2.           Порівняльна характеристика апаратів для здійснення

          процесу абсорбції……………………………………………………...

1.3.           Конструкція апарату та його робота…………………………………

1.4.           Основні властивості робочих середовищ……………………………

2.      Опис технологічної схеми установки………………………………………

3.      Технологічний розрахунок…………………………………………………..

3.1.           Маса сірководню, яка поглинається за одиницю часу, і

         витрата води на абсорбцію……………………………………………

3.2.           Рушійна сила масопередачі…………………………………………..

3.3.           Швидкість газу і діаметр абсорбера…………………………………

3.4.           Розрахунок висоти колони…………………………….......................

3.4.1.     Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної

          площі тарілок і числа тарілок…………………………………..

3.4.2.     Вибір відстані між тарілками й визначення висоти

абсорбера…………………………………………………………

4.      Гідравлічний розрахунок……………………………………………………

4.1.           Гідравлічний опір сухої тарілки…………………………………….

4.2.           Гідравлічний опір газорідинного шару на тарілці…………………..

4.3.           Гідравлічний опір, обумовлений силами поверхневого натягу……

4.4.           Повний гідравлічний опір тарілки і колони в цілому………………

5.      Конструктивний розрахунок……………………………………………….

5.1.           Товщина обичайки…………………………………………………….

5.2.           Днище………………………………………………………………….

5.3.           Фланці………………………………………………………………….

5.4.           Штуцери……………………………………………………………….

5.5.           Опора…………………………………………………………………..

6.      Заходи для охорони довкілля………………………………………………

7.      Висновки……………………………………………………………………….

Список використаної літератури………………………………………………

                                               ВСТУП

   В хімічній промисловості проводяться різноманітні процеси, в яких вхідні матеріали в результаті хімічної взаємодії проходять через різні перетворення, які супроводжуються зміною агрегатного стану, внутрішньої структури і складу речовини. Поруч з хімічними реакціями, які є основою хіміко-технологічних процесів є і фізико-хімічні процеси. До таких процесів відносяться : перемішування рідин і твердих матеріалів , подрібнення, стиснення і транспорт газів, нагрівання і охолодження рідин, їх перемішування, розподіл рідких і газових неоднорідних сумішей, випаровування  сумішей, сушка матеріалів , а також багато інших. При цьому спосіб проведення вказаних процесів  часто обирається по можливості виконання, ефективності і рентабельності промислового процесу в цілому.

Одним із основних процесів є абсорбція. Області застосування абсорбційних процесів в промисловості досить поширені: одержання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною ( наприклад, абсорбція SO3  при одержанні сірчаної кислоти, при цьому абсорбцію проводять без десорбції ), видалення цінних компонентів із газових сумішей ( наприклад, абсорбція бензолу із коксового газу, при цьому поєднується абсорбція з десорбцією ), очищення газів від шкідливих включень, сушка газів, коли в абсорбційних процесах беруть участь дві фази  ( рідка і газова ) і проходить перехід речовини із газової фази в рідку або навпаки, при цьому інертний газ і поглинач в масообміні не беруть участь.

   Апарати, в яких проходять процеси абсорбції, називають абсорберами.

1. Літературний огляд

1.1.Теоретичні основи абсорбції.

    Абсорбція –  фізико-хімічний процес поглинання речовин з розчинів чи сумішей газів твердими тілами або рідинами з утворенням розчинів.

При абсорбції поглинання речовини відбувається всім об’ємом поглинача. Абсорбція знаходить широке застосування в техніці, головним чином для розділення газоподібних сумішей на складові частини шляхом розчинення одного чи декількох компонентів цієї суміші в рідині, яка називається   абсорбентом. Фізична сутність процесу абсорбції пояснюється плівковою теорією, згідно з якою при стиканні рідини і газоподібних речовин  на поверхні розділення обох фаз утворюються рідинна і газова плівки. Розчинний в рідині компонент газоподібної суміші проникає шляхом дифузії спочатку крізь газову плівку,  а потім крізь рідинну і надходить у внутрішні шари адсорбенту. Для здійснення дифузії необхідно, щоб концентрація розчиненого компоненту в газовій суміші перевищувала його рівноважну концентрацію над рідиною.

Якщо концентрація розчинного компонента в газоподібній суміші менша його рівноважній концентрації над рідиною, дифузія відбувається у зворотному напрямку. В цьому випадку замість поглинання розчиненого компоненту відбувається виділення його з розчину в газоподібному стані. Такий процес називається десорбцією і застосовується в техніці для витягання поглинених речовин з абсорбенту.

Протікання абсорбційних процесів характеризується їх статикою і кінетикою.

  Статика абсорбції: рівновага між  рідкою і газовою фазами  створюється за допомогою тривалого контакту фаз. Рівновага між фазами встановлюється термодинамічними властивостями компонента і поглинача, і залежить від складу однієї із фаз, температури і тиску.

  Кінетика абсорбції: швидкість процесу масообміну встановлюється рушійною силою процесу( ступінь відхилення системи від рівноважного стану), властивостями  поглинача, компонента і інертного газу, а також способом  контакту фаз ( схемою абсорбційної установки і гідродинамічним режимом його роботи). В абсорбційних апаратах рушійна сила, як правило, змінюється по довжині і залежить від характеру взаємного руху фаз. В абсорберах з непереривним контактом характер руху фаз не міняється по довжині апарату і зміни рушійної сили проходять безперервно. Абсорбери із ступінчастим контактом складаються із декількох ступенів, послідовно з’єднаних по  газу і рідині, при цьому переході із ступеня на ступінь відбувається скачко подібні зміни рушійної сили.

Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. При фізичній абсорбції розчинення газу не супроводжується хімічною реакцією ( або ця реакція не має помітного впливу на процес ). В даному випадку над сумішшю існує більш менш нормальна рівновага тиску компонента і поглинання його проходить лише до того часу, поки його парціальний тиск в газовій фазі вище рівноважного тиску над сумішшю. Повне вилучення компоненту із газу при цьому можливе тільки при протилежному потоці і подачі в абсорбер чистого поглинача, який не містить в своєму складі компонента.

  При хемосорбції ( абсорбція супроводжується хімічною реакцією) компонент, що абсорбується, зв’язується в рідкій фазі у вигляді хімічного з’єднання. При необоротній реакції рівновага тиску компонента над сумішшю дуже мала і можливе його повне поглинання. При оборотній реакції над сумішшю існує значний  тиск компонента, хоча і менший, ніж  при фізичній абсорбції.

  Промислове проведення абсорбції може бути  пов’язане або не пов’язане з десорбцією. Якщо десорбцію не проводять, то поглинач використовується однократно. При цьому в результаті абсорбції дістають готовий продукт, напівпродукт .

Області використання абсорбційних процесів в хімічній і суміжних видах промисловості доволі поширені. Деякі з цих областей вказані нижче:

1.      Отримання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною. Прикладами можуть  служити: абсорбція SO3 при виготовлені сірчаної кислоти; абсорбція HCl із одержанням соляної кислоти і т.д. При цьому абсорбція проводиться без застосування десорбції.

2.      Розділення газових сумішей для виділення одного або декількох цінних компонентів суміші. В цьому випадку поглинач повинен  володіти більшою поглинаючою властивістю по відношенню до видаляю чого компоненту і меншою по відношенню до других частин газової суміші. При цьому зазвичай абсорбцію поєднують  з десорбцією в круговому процесі. В якості приклада можна привести абсорбцію бензолу із коксового газу і т.п.

3.      Вловлювання цінних компонентів із газової суміші для того щоб протистояти їх втраті, а також із огляду на санітарію. [1]

1.2. Порівняльна характеристика апаратів для здійснення процесу        абсорбції.

       При абсорбційних процесах масообмін проходить на поверхні контакту фаз. Тому абсорбційні апарати повинні мати розвинуту поверхню контакту між газом і рідиною. Виходячи із способу створення цієї поверхні абсорбційні апарати можна поділити на наступні групи:

  а)  Поверхневі абсорбери, в яких поверхня контакту між фазами являє собою дзеркало рідини  або поверхню текучої плівки рідини. До цієї ж групи відносяться насадкові абсорбери, в яких рідина стікає по поверхні загруженої в абсорбер насадки із тіл різноманітної форми ( кільця, кусковий матеріал і т.п.) , і механічні плівкові абсорбери. Для поверхневих абсорберів поверхня контакту встановлюється геометричною поверхнею елементів абсорбера ( наприклад, насадки) , хоча в багатьох випадках і не рівна їй.

б) Барботажні абсорбери, в яких поверхня контакту розвивається потоками газу, який розприділяється в рідині у вигляді бульбашок. Такий рух газу (барботаж ) здійснюється шляхом пропускання  його через заповнений рідиною апарат, або в апаратах колонного типу з різноманітними видами тарілок. В цю ж групу входять барботажні абсорбери з перемішуванням рідини механічними мішалками. В барботажних абсорберах поверхня контакту визначається гідродинамічним режимом ( розходами газу і рідини).

в) Розпилюючі абсорбери, в яких поверхня контакту створюється шляхом розпилення рідини в масі газу на маленькі краплі. Поверхня контакту визначається гідродинамічним режимом ( розходом рідини). До цієї групи відносяться абсорбери, в яких розпилення рідини проводиться форсунками, або механічними пристроями, які обертаються.

   Приведена класифікація абсорбуючих апаратів являється умовною, оскільки відображає не стільки конструкцію апарату, а характер поверхонь контакту. Один і той же тип апарату в залежності від умов роботи може опинитися при цьому в різних групах. Наприклад: насадкові абсорбери можуть працювати як в плівковому, так і в барботажному режимах.

  Із різноманітних типів апаратів в наш час найбільш розповсюдженими є насадкові і барботажні тарілкові абсорбери. При виборі типу абсорбера  необхідно в кожному конкретному випадку виходити із фізико-хімічних умов проведення процесу з врахуванням техніко-економічних факторів. [5] 

1.3. Конструкція апарату та його робота.

1.4. Основні властивості робочих середовищ.

Сірководень — безбарвний газ із неприємним за­пахом. Важчий за повітря. Розчиняється у воді. Його па­ра утворює з повітрям вибухонебезпечні суміші.

Сірководень трохи важчий за повітря, суміш H2S і повітря — вибухонебезпечна. Сірководень у кисні горить синім полум'ям, з утворенням SO2 і води. Загалом сірководень діє як відновник. При високій температурі або в присутності каталізатора, сірководень розкладається на елементарну сірку та воду. Ця реакція відома процес Клауса, основний спосіб перетворення сірководню в елементарну сірку.

Молекулярна маса H2S = 34,1 кг/моль

Знаходження в природі

Сірководень зустрічається у вулканічних газах, а також у воді деяких мінеральних джерел — П'ятигорська і Мацести (на Кавказі), Любеня Великого (Львівська область) і інших. Природні сірководневі води використовуються для лікування. Сірководень завжди утворюється при гнитті залишків рослинних і тваринних організмів і розкладі інших органічних речовин, до яких входить сірка. Тому неприємний запах сірководню поширюється від вигрібних ям, стічних вод і особливо від тухлих яєць. Але у великих кількостях у природі сірководень не накопичується, бо він легко окиснюється киснем повітря і розкладається. Гази, що містять сірководень, можуть бути присутні в шахтній атмосфері, при видобуванні і переробці сірчистих нафт і в ряді інших випадків. Особливо треба бути уважними при роботі   у вигрібних ямах та каналізаційних колодязях, місцях видобутку нафти та газу, де ймовірність накопичення цієї речовини максимальна.

Для осадження газу використовують розпилення води , а нейтралізацію здійснюють за допомогою розчинів лугу і вапна.[3]

Деякі властивості сірководню приведемо у таблицях, дані з яких будуть в подальшому використовуватися при розрахунках[4]:

Таблиця 1.1. Коефіцієнти Генрі для водних розчинів деяких газів

Таблиця 1.2. Коефіцієнти дифузії газів і парів              

                                                        (за нормальних умов)

                                                                                    У повітрі                                У воді (при 200С)

              Газ                                                        D0, 106 м2/с                     D٠106

Азот N2                                                        12,2                                          0,00192

              Аміак NН3                                                        19,8                                          0,00183

              Ацетон С3Н6О                                          9,22

              Бензол С6Н6                                                        7,7

              Бутилацетат                                                        5,7

              Водень Н2                                                        61,1                                          0,00305

              Сірки діоксид SО2                                          12,2

              Вуглецю діоксид СО2                            13,6                                          0,00178

              Діхлоретан С2Н4Сℓ2                                          0,072

              Діетиловий ефір С4Н10О                            7,8

              Кисень О2                                                        17,5                                          0,00208

              Метиловий спирт СН4О                            13,2                                          0,00144

              Сірчистий ангідрид Н2S                            9,4                                          0,0016

              Сірковуглець СS2                                          8,8

              Толуол С7Н8                                                        7,1

              Хлористий водень НСℓ                            13,0                                          0,00274

              Хлороформ СНСℓ3                                          0,091

              Етиловий спирт С2Н6О                            10,2                                          0,00103

              Перерахунок коефіцієнтів дифузії.

              У повітрі за іншої температури і тиску:  D = D0.

Вода, Н2O — прозора рідина без запаху, смаку і кольору; оксид водню. Молекула води складається з одного атома оксигену і двох атомів гідрогену. Атоми гідрогену розташовані в молекулі так, що напрямки до них утворюють кут 104,45o із вершиною в центрі атома оксигену. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 Дебая. При заміні атомів гідрогену (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.

Чиста вода - безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С - кипить, перетворюючись у пару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.

У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см3 чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі 0,01 °C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01 °C точне — на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (СІ), кельвіна.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках.

Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що молекула води має значний дипольний момент (1,844 Дебая). Завдяки цьому молекули води сильно взаємодіють між собою, що приводить до конденсації при доволі високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють. Легкі атоми водню утворюють водневі зв'язки між різними молекулами, зумовлюючи складну взаємозв'язану структуру рідини.

Вода має численні технічні застосування. Енергія падіння води широко використовується на гідроелектростанціях для одержання дешевої електричної енергії. Воду використовують у будівельній, текстильній, шкіряній, металургійній і багатьох інших галузях промисловості. Особливо широко застосовують воду у хімічній промисловості для процесів розчинення, фільтрування, промивання і як сировину для одержання різних хімічних продуктів: їдких лугів, кислот, водню тощо.

      Тиск при якому відбувається абсорбція , за участю вище наведених компонентів, буде дорівнювати атмосферному 760 мм.рт.ст. , адже сірководень добре розчинний у воді і не має потреби збільшувати тиск.[3]

2. Опис технологічної схеми установки

Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в барботажний абсорбер А із решітчастими тарілками. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається вода. Вода стікає по тарілкам долілиць, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. При взаємодії фаз сірководень розчиняється у воді, і повітря очищується. Вода, насичена сірководнем, самопливом надходить у приймальну ємність ПЄ, а очищене повітря викидається в атмосферу [6] . Вода насичена сірководнем із ємності ПЄ подається на подальшу переробку або нейтралізацію лугами або вапном.

    Водяний розчин сірководню при температурі 15 С° є корозійно активною речовиною, тому  для основних деталей вибираємо нержавіючу сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, яка є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600°С .

Технологічна схема установки див. додаток 1.

3.     Технологічний розрахунок

      Мета технологічного розрахунку – визначення поверхні масопередачі і геометричних розмірів апарату.

              Поверхня масопередачі може бути знайдена з основного рівняння масопередачі:

                                          ,                                                        (1)

де Кх і Ку – коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м2٠с);

- середні рушійні сили по фазах, кг/кг;

М – кількість сірководню, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с.

3.1.           Маса сірководню, яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію[2].

Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:

= Lmin()               (2)

де  L, G – витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;

- початкова і кінцева концентрації сірководню у воді, кг H2S/кг H2O;

, - початкова і кінцева концентрації сірководню в газі, кг H2S /кг повітря;

Lmin – мінімальні витрати абсорбента за умови рівноважної кінцевої концентрації сірководню у воді .

              Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і рідині у обраній для розрахунку розмірності:

              = 0,078/(1 – 0,078) = 0,085 кг H2S /кг повітря;                            (3)

yk = yп – (C0/ 100) * yп = 7,8 – (90/100) *7,8 = 0,78 % об.

= 0,0078/(1 – 0,0078) = 0,0079 кг H2S /кг повітря;                            (4)

              За умови = 0.

              Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.

              Густина H2S  за робочих умов:

              = 1,44 кг/м3.                                (5)

              Густина повітря за робочих умов:

              = 1,22 кг/м3,                                (6)

де MH2S= 34,1 кг/кмоль – молекулярна маса сірководню;

Мпов = 29 кг/кмоль – молекулярна маса повітря.

              Початкова мольна концентрація сірководню в газовій суміші:

              = 0,067,                 (7)

              Густина газової суміші на вході в абсорбер:

ρсум = упоч٠+ (1 – уп) ρпов=0,067٠1,44 + (1 –0,067)٠1,22=1,24 кг/м3.   (8)

Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:

                                          Gсум = V٠ρсум = 500٠1,24/3600 = 0,17 кг/с.              (9)

Витрата повітря G:

G = Gсум(1 - ) = 0,17(1 – 0,078) = 0,16 кг/с.          (10)

              Маса H2S , що поглинається водою за одиницю часу:

              М = G = 0,16 (0,085 – 0,0079) = 0,012 кг/с.              (11)

              Для визначення кінцевої рівноважної концентрації сірководню у воді спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію сірководню у воді в мольних частках:

              = 0,016 кмоль H2S / кмоль H2O,              (12)

де П – тиск в абсорбері, мм. рт. ст.;

Е = 3200 мм рт. ст. -  константа Генрі для системи аміак – вода (таблиця 1.1)

              Відносна масова концентрація:

              = = 0,031 кг H2S / кг Н2О,                   (13)

де Мв = 18 кг/кмоль – молекулярна маса води.

З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:

                            Lmіn = М/ = 0,012 / 0,031 = 0,39 кг/с.

Робоча витрата абсорбента :

                            L = φ Lmіn = 1,3٠0,39 = 0,5 кг/с. ,                 (14)

де φ – коефіцієнт надлишку поглинача ( φ = 1,3 – 1,5)

Кінцева концентрація сірководню у воді на виході з абсорбера: