Разработка адсорбционной установки для отчистки газовой смеси от паров этилового спирта

Рассмотрим случай, где в качестве насадки применяется деревянная хордовая 10х100 с шагом в свету 20 мм со   следующими характеристиками:   удельная поверхность 65 м2/м3; свободный объем 0,68 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,042 м [7, с.196].

Скорость инверсии рассчитывается по формуле:

,

где А = 0, – коэффициент для плоскопараллельной хордовой насадки [7,с.197].

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Расчетный диаметр колонны при рабочей скорости:

Выбираем диаметр обечайки, равным 1,4 м.

Определяем оптимальную плотность орошения:

, где b = 2,58·10-5– коэффициент при абсорбции паров органических жидкостей, м3/(м2·с);    f – удельная поверхность насадки, м2/м3 [2, с.213].

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для хордовой насадки:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью.

Рассмотрим случай, где в качестве насадки используется деревянная хордовая 10х100 с шагом в свету 30 мм со следующими характеристиками:   удельная поверхность 48 м2/м3; свободный объем 0,77 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,064 м [7, с.196].

Скорость инверсии рассчитывается по формуле:

,

где А = 0, – коэффициент для плоскопараллельной хордовой насадки [7,с.197].

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Расчетный диаметр колонны при рабочей скорости:

Выбираем диаметр обечайки, равным 1,2 м.

Уточняем рабочую скорость в колонне:

, что  меньше скорости инверсии.

Определяем оптимальную плотность орошения:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для хордовой насадки:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

Таким образом, для рассчитываемого абсорбера подходит насадка из колец Рашига 100х100х10 при нестандартном диаметре обечайки D=1,3 м или деревянная хордовая насадка 10х100 с шагом в свету 30 мм, при стандартном диаметре обечайки D=1,2 м.

 

3.3 Определение  высоты насадочной колонны

 

Высота насадочной колонны определяется по формуле:

,         (3.16)

где Нн – высота насадочной части колонны, м;

h1, h2, h3 – высота соответственно сепарационной части колонны (над насадкой), нижней части колонны и между слоями насадок (если насадка уложена в несколько слоев), м.

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой h2 определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны:

h2= (1...1,5) · D = 1,5*1,3 = 2 м

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного  устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны. Принимаем h1 = 2 м.

Расстояние между слоями насадок принимаются конструктивно.

Определим высоту насадки Нн исходя из основного уравнения массопередачи.

Движущая сила внизу абсорбера на входе газа:

    (3.17)

Движущая сила вверху абсорбера:

   (3.18)

Отношение , среднюю движущую силу определим по формуле 8.22 [2,с.211]:

     (3.19)

Мольная масса газовой смеси М=31 кг/кмоль.

Вязкость газовой смеси:

Здесь 1,17·10-3 – коэффициент вязкости этилового спирта при 20 оС [7,с.501] и 0,018·10-3 – коэффициент вязкости воздуха при 20 оС [3, с.557]

Рассмотрим случай  абсорбционной колонны с деревянной хордовой насадкой размером 10х100 с шагом в свету 30 мм.

Коэффициент диффузии паров этилового спирта в воздухе при 20 оС определяется по уравнению:

 (3.20)

где D0 – коэффициент диффузии паров этилового спирта при нормальных условиях [3, с.540].

Критерий Рейнольдса для газовой фазы [7,с.199]:

,     (3.21)

где – свободный объем насадки, м3/м3; dэк.нас. – эквивалентный диаметр насадки.

Режим движения газа - турбулентный.

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы [7, с.199]:

    (3.22)

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок определяется по формуле [7, с.199]:

  (3.23)

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости:

    (3.24)

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленке жидкости:

,      (3.25)

где L – секундный объемный расход жидкости, м3/с; S – площадь поперечного сечения абсорбера при D=1,2 м, м2.

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

,    (3.26)

где Dж – коэффициент диффузии паров этилового спирта в воде при 20 оС, м2/с [9,с.826].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находим по уравнению [7, с.200]:

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе Кy – по уравнению:

,          (3.27)

где m – тангенс угла наклона равновесной кривой.

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере:

Высоту насадки, требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле:

,

где F – площадь поверхности массопередачи, м2; f – удельная поверхность насадки, м2/м3; D – диаметр обечайки абсорбера, м; =1 - коэффициент смачиваемости насадки.

Высота насадки с 25% запасом:

Ннф=1,25·Нн=1,25·5,3=6,6 м

Высота насадочной колонны:

Н= Ннф+h1+h2=6,6+2+2=10,6 м.

Рассмотрим случай абсорбционной колонны с регулярной насадкой из колец Рашига размером 100х100х10.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы [7,с.199]:

,

где – свободный объем  насадки из колец Рашига размером 100х100х10, м3/м3; dэк.нас. – эквивалентный диаметр насадки.

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленке жидкости:

,

где S – площадь поперечного сечения абсорбера при D=1,3 м, м2.

,

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

 Выразим в выбранной для расчета размерности:

Коэффициент массопередачи по газовой фазе Кy:

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере:

Высоту насадки, требуемую для создания этой площади поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле:

.

Высота насадки с 25% запасом:

Ннф=1,25·Нн=1,25·4,9=6,1 м

Высота насадочной колонны:

Н= Ннф+h1+h2=6,1+2+2=10,1 м.

 

3.4 Расчет гидравлического сопротивления насадки

 

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер [7, с.201].

Определим гидравлическое сопротивление для деревянной хордовой насадки размером 10х100 с шагом в свету 30 мм.

Определим коэффициент сопротивления насадки [7, с.201]:

     (3.28)

Гидравлическое сопротивление сухой насадки [7, с.201]:

  (3.29)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определим по уравнению [7, с.201]:

,          (3.30)

где - гидравлическое сопротивление  сухой (не орошаемой жидкостью) деревянной хордовой насадки, Па; U – действительная плотность орошения, м3/(м2·с); b – постоянный коэффициент, который зависит только от типа насадки.

Давление, развиваемое газодувкой:

,       (3.31)

где 1,05 – коэффициент, учитывающий потери давления, при входе газового потока в колонну и насадку, при выходе газового потока из насадки и колонны, в подводящих газопроводах.

Определим гидравлическое сопротивление регулярной насадки из колец Рашига размером 100х100х10.

Для правильно уложенных кольцевых насадок коэффициент сопротивления насадки с достаточной точностью можно определить по уравнению:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

Давление, развиваемое газодувкой:

.

 

3.5 Анализ  результатов

 

Таблица 2 Результаты расчета абсорберов

Параметры	Абсорбер 1	Абсорбер 2
Тип насадки	деревянная хордовая размером 10х100 с шагом в свету 30 мм (дешевая)	регулярная из колец Рашига размером 100х100х10 (дорогая)
Рабочая скорость газа , м/с	3,71	3,16
Плотность орошения, м3/(м2·ч)	7,32	6,24
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе , кг/(м2·с)	0,0499	0,0439
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе , кг/(м2·с)	0,674	0,507
Площадь поверхности массопередачи в абсорбере F, м2	289	388,3
Диаметр абсорбера D, м	1,2	1,3 (нестандартный)
Высота насадки Hн, м	6,6	6,1
Высота абсорбера Н, м	10,6	10,1
Гидравлическое сопротивление насадки , Па	453,4	741,4

 

Таким образом, для улавливания паров этилового спирта из воздуха наиболее больше подходит абсорбер 1.

 

4 Автоматизация технологического  процесса и точки технологического контроля и управления процессом

 

Технологическая схема процесса представлена на рис. 7 приложение Б.

Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер или получение готового продукта. В данной работе рассматривается первая задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрами являются: 1) концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера; 2) температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию; 3) уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом, т. е. абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастет концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличится подача абсорбента в абсорбер, что обеспечит стабилизацию концентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера.

Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкая температура газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расхода охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа.

Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора жидкости из нее.

Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, температуры, давления технологических потоков [10].

 

Заключение

1. Результаты расчета насадочного абсорбера показывают, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно, либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера.

2. Увеличение расхода абсорбента  приведет с соответствующему  увеличению нагрузки на систему  регенерации абсорбента, что связано  с повышением капитальных и  энергетических затрат, или, в случае  отсутствии регенерации абсорбента, увеличению сточных вод, а это - увеличение нагрузки на установку их очистки.

3. Повышение интенсивности процесса  приводит к уменьшению диаметра  колонны при некотором возрастании  высоты насадки.