X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

АННОТАЦИЯ

В данном курсовом проекте был произведен расчет насадочного абсорбера для очистки воздуха от аммиака производительностью 9,4 м³/с. Данный вид абсорбера был выбран исходя из его преимуществ, таких как возможность работы с агрессивными средами и простота в эксплуатации.

В качестве насадки были использованы стальные кольца Рашига с упорядоченным типом укладки, так как они имеют ряд преимуществ: небольшой вес, малое сопротивление газовым потокам, хорошее распределение жидкости, а также низкая себестоимость.

Аммиак относится к категории веществ удушающего действия и его высокая концентрация в атмосфере может привести к отеку легких и поражению нервной системы, поэтому очень важно регулярно выводить данный загрязнитель из воздуха.

Стр. 24 Рис. 1 Библ. 4

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей. В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. 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, называют растворителем. Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. 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 условно разделить на следующие группы:

поверхностные и пленочные;

насадочные;

барботажные (тарельчатые);

распыливающие.

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал 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.

Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком. Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.

Описание технологической схемы

На рисунке 1 приведена схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5. Регенерация может осуществляться также другими методами, например отгонкой поглощенного компо-нента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышением температуры.

Рисунок 1. Принципиальная схема абсорбционной установки: 1 — газодувка; 2 — абсорбер; 3 — брызгоотбойник; 4 ,6 — оросители; 5 — холодильник; 7 — десорбер; 8 — куб десорбера; 9, 13 — емкости для абсорбента; 10, 12, 14 — насосы; 11 — теплообменник-рекуператор; 15, 16, 17, 18 — баллоны с аммиаком.

Расчет насадочного абсорбера

Материальный баланс

1. Определили начальную мольную концентрацию аммиака в газовой смеси на входе в абсорбер:

где , - мольные массы аммиака и воздуха соответственно, кг/кмоль. 2. Определили конечную мольную концентрацию аммиака в газовой смеси на выходе абсорбера:

3. Определили количество поглощаемого аммиака:

где - молярный объем, равный 22,4 м³/кмоль.

4. Определили начальную мольную долю аммиака в абсорбенте на входе в абсорбер:

При = 0% кг/кг воды.

5. Определили коэффициент Генри для водного раствора аммиака при температуре абсорбции:

где – коэффициенты Генри аммиака при температурах соответственно, мм.рт.ст. [1]

Переводим полученное значение в кПа [1]:

6. Определили равновесную мольную долю аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

0,27612 кмоль/кмоль воды

7. Определили конечную концентрацию аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

С учетом степени насыщения:

8. Определили расход абсорбента (воды):

1,836 кг/с

Определение диаметра абсорбера

В качестве насадки выбираем стальные кольца Рашига со следующими характеристиками [1,2]: - размер элемента (диаметр x высота x толщина стенки), мм 50 х 50 х 1- удельная поверхность насадки f, м²/м³: 110- свободный объем насадки V_св, м³: 0,95

1. Определили эквивалентный диаметр насадки:

2. Определили среднюю концентрацию аммиака в газовой смеси:

3. Определили среднюю концентрацию воздуха в газовой смеси:

4. Определили среднюю плотность газовой смеси:

- при нормальных условиях:

- при температуре и давлении абсорбции:

5. Определили среднюю молекулярную массу газовой смеси:

6. Определили расход газовой смеси:

7. Определили свойства абсорбента (воды) при температуре абсорбции:- динамический коэффициент вязкости:

где , - динамические коэффициенты вязкости воды при температурах и соответственно, [1]

- плотность:

где , - динамические коэффициенты плотности воды при температурах и соответственно, [1]

8. Определили предельную скорость газа в абсорбере из соотношения:

где – плотность воды при температуре 20, равная 998 кг/м³; - динамический коэффициент вязкости воды при 20, равный 10^-3 ; А - коэффициент, равный для колец Рашига 0,022; В – коэффициент, равный для колец Рашига 1,75 [2]:

Отсюда:

9. Определили рабочую скорость газа в абсорбере из соотношения [1]:

10. Определили расход газовой смеси при рабочих условиях:

11. Определили диаметр колонны абсорбера:

По справочным данным выбираем стандартный диаметр колонны, равный D_к = 2,2 м. [2] 12. Определили действительную скорость газа в абсорбере:

Определение средней движущей силы

1. Определили парциальное давление аммиака на входе в абсорбер:

2. Определили конечную мольную концентрацию аммиака в абсорбенте на выходе из абсорбера:

3. Равновесное парциальное давление в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из абсорбера:

4. Определили движущую силу в нижней части колонны:

5. Определили парциальное давление аммиака в газе, выходящем из абсорбера:

6. Определили конечную мольную концентрацию аммиака в абсорбенте на входе в абсорбер:

7. Определили парциальное давление аммиака в газе, равновесном с жидкостью, поступающей в абсорбер:

8. Определили движущую силу в верхней части колонны:

9. Определили среднюю движущую силу абсорбции:

Определение коэффициента массопередачи

1. Определили коэффициент распределения насадки:

2. Определили динамический коэффициент вязкости газовой смеси при температуре абсорбции.

где , динамические коэффициенты вязкости аммиака при температурах и соответственно, [1]

- для воздуха:

Па

где , динамические коэффициенты вязкости воздуха при температурах и соответственно, [1]

- для смеси:

3. Определили критерий Рейнольдса в газовой фазе:

4. Определили коэффициент диффузии аммиака при температуре и давлении абсорбции:

где коэффициент диффузии аммиака в воздухе при нормальных условиях, равный 17 [1]

5. Определили критерий Прандтля в газовой фазе:

6. Определили критерий Нуссельта в газовой фазе:

7. Определили среднее парциальное давление воздуха:

8. Определили коэффициент массоотдачи со стороны газа по формуле:

9. Определили сечение колонны:

10. Определили критерий Рейнольдса в жидкой фазе:

11. Определили коэффициент диффузии аммиака в воде при температуре абсорбции:

где коэффициент диффузии аммиака в воздухе при нормальных условиях, равный 1,8 [1]

12. Определили критерий Прандтля в жидкой фазе:

13. Определили критерий Галилея в жидкой фазе:

где наружный диаметр элемента выбранной насадки, равный 0,05 м.

14. Определили критерий Нуссельта в жидкой фазе:

15. Определили коэффициент массоотдачи со стороны жидкостной пленки:

16. Определили коэффициент массопередачи процесса абсорбции:

Определение высоты абсорбера

1. Определили высоту насадки:

2. Определили высоту секции насадки [2].

Высота одной секции равняется 4-5 диаметрам колонны:

Так как высота секции насадки не должна превышать 3-4 м, то принимаем ее равной 4 м.

3. Определили число и общую высоту перераспределительных разрывов насадки.

- число перераспределительных разрывов:

Следовательно, необходимо разделить насадку на две секции.

- общая высота перераспределительных разрывов:

где высота перераспределительного разрыва, принимаем равной 0,3 м. [2]

4. Определили общую высоту абсорбера:

где расстояние между днищем колонны и насадкой, м; высота сепарационного пространства над насадкой, м.

Определение гидравлического сопротивления абсорбера.

1. Определили коэффициент трения при ламинарном режиме:

где A – коэффициент, зависящий от формы сечения трубопровода (для кольца он равен 96).

2. Определили относительную шероховатость трубы:

где - абсолютная шероховатость трубы (для стальных труб с незначительной коррозией 0,1 мм).

3. Определили коэффициент местного сопротивления трубопровода:

4. Определили коэффициент трения регулярных насадок:

5. Определили скорость газа в свободном сечении насадки:

6. Определили гидравлическое сопротивление сухой насадки:

7. Определили плотность орошения насадки:

8. Определили гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

где b – коэффициент, равный для упорядоченных колец Рашига 173 [2].

9. Определили гидравлическое сопротивление абсорбера, принимая, что гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки и других вспомогательных устройств составляет 10% от сопротивления насадки:

Расчет и выбор газодувки

1. Определили диаметр газопровода:

где - скорость газовой смеси в газопроводе, принимаем равной в пределах 5 – 20 м/с. Выбираем стальной газопровод с наружным диаметром 0,61 м и толщиной стенки 10 мм [2]

Тогда внутренний диаметр газопровода:

2. Определили фактическую скорость газовой смеси в газопроводе:

3. Определили критерий Рейнольдса для газовой смеси в газопроводе:

Следовательно, режим движения газового потока является турбулентным.

Определили относительную шероховатость стенок газопровода:

где - абсолютная шероховатость стенок, принимаем равной 0,2 мм [2]

4. Определили зону трения в газопроводе:

Следовательно, в газопроводе имеет место зона смешанного трения.

5. Определили коэффициент трения в трубах:

6. Определили сумму коэффициентов местных сопротивлений [2]:

вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

задвижка, равная для труб с диаметром : ;

внезапное расширение (входное отверстие абсорбера).

Определили площадь сечения газопровода:

Определили соотношение площадей сечений газопровода и абсорбера:

С учетом того, что :

где - коэффициенты местных сопротивлений при соотношениях площадей соответственно.

Тогда:

7. Определили гидравлическое сопротивление газопровода:

где - длина газопровода от точки забора воздуха до входа в абсорбер, принимаем равной 10 м.

8. Определили общее давление, создаваемое газодувкой:

9. Определили мощность, потребляемую газодувкой:

где - коэффициент полезного действия газодувки, принимаем равным 0,6 [2].

В соответствии со справочными данными выбираем газодувку марки

SIEMENS KA-66S(V)GL400 со следующими характеристиками в оптимальных условиях работы [2]: V = 9,4 м³/с; давление, создаваемое газодувкой ; число оборотов в минуту n = 1500 об/мин с электродвигателем марки SIEMENS H-compact со следующими характеристиками в оптимальных условиях: мощность = 1500 кВт; КПД = 0,675.

Заключение

В соответствии с заданием проведен расчет насадочного абсорбера для отчистки воздуха от аммиака. По заданной производительности, количеству воздуха, поступающего в абсорбер, начальной концентрации загрязнителя в газовой смеси и в абсорбенте и степени извлечения абсорбтива были определены: диаметр абсорбера, средняя движущая сила, коэффициент массопередачи, высота абсорбера, гидравлическое сопротивление абсорбера. Также был произведен расчет газодувки и в соответствии со справочными данными была выбрана воздуходувка центробежная высокопроизводительная со встроенным редуктором марки SIEMENS KA-66S(V)GL400. Выбран электродвигатель SIEMENS H-compact.

Список литературы

1. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 10-е изд., и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007 –496 с.

3. «Siemens Motor» pro-siemens.ru

4. Промышленный портал PromPortal.su

Код для цитирования: Скопировать