Процесс абсорбции аммиака из воздушкой смеси водой

                              

ВВЕДЕНИЕ.

 

  В настоящее время абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются одной из основных технологических стадий ряда производств: серной, соляной,  азотной кислот;  коксохимии  и переработки нефти. Кроме того, абсорбционные процессы являются основными при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей, так как на сегодняшний день, остро стоит вопрос ухудшения экологической обстановки в стране. Например, этот процесс широко используется при химической переработке древесины и.т.д.

В данном курсовом проекте  рассматривается процесс абсорбции  сероводорода из воздушной смеси  водой. В результате, на выходе из абсорбера, получается так называемая сероводородная кислота, широко используемая как в промышленности, так и в народном хозяйстве. Целью курсового проекта является выполнение проекта абсорбционной установки для поглощения водой H₂ S из его смеси с воздухом.

Основными задачами при выполнении курсового проекта являются:

•   аналитический сбор литературы;
• расчет абсорбционной колонны;
• расчет холодильника абсорбента;
• построение технологической схемы абсорбционной колонны;
• выполнение чертежа колонны.

 

Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения компонентов из газовой или паровой смеси жидким поглотителем, в котором

данный компонент растворим.

Различают физическую абсорбцию  и хемосорбцию. При физической абсорбции  растворение газа (пара) не сопровождается химической реакцией. Абсорбция протекает  до тех пор, пока парциальное давление поглощаемого компонента в газовой (паровой) фазе остаётся выше равновесного давления над раствором. При хемосорбции (абсорбции, сопровождаемой химической реакцией) поглощаемый компонент вступает в необратимую химическую реакцию с поглотителем и образует химическое соединение.

Физическая абсорбция  обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных  процессов основано выделение поглощаемого газа из раствора - десорбция. Десорбцию  газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижении давления над абсорбентом. Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде.

В промышленности абсорбцию  применяют для решения следующих основных задач:

1) для получения готового  продукта

2) для выделения ценных  компонентов из газовых смесей 

3) для очистки газовых  выбросов от вредных примесей .Абсорбцию применяют при очистке  технологических газов, когда  присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа(например,  очистка коксового и нефтяного газов от ).

4) для осушки газов,  когда в абсорбционных процессах  участвуют две фазы - жидкая и  газовая - и происходит переход  вещества из газовой фазы в  жидкую (при абсорбции) или наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции), причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не участвуют.

Аппараты, в которых  проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционные  установки, основным элементом которых  являются абсорбционные аппараты.

Абсорбционные аппараты классифицируются в зависимости  от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт газа (пара) и жидкости.

По технологическому назначению абсорбционные аппараты подразделяются на аппараты установок  осушки, очистки газа, газораспределения  и т.д.

В зависимости от внутреннего  устройства различают тарельчатые, насадочные, распылительные, роторные (механические), поверхностные и каскадные абсорберы. Наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные аппараты.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением выше атмосферного.

При выборе типа аппарата следует учитывать технологические  требования к процессу и его экономические  показатели.

В данном курсовом проекте, был выполнен проект абсорбционной  установки насадочного типа.

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.

При выполнении проектирования колонны, большое значение имеет правильный выбор насадки.

Для того чтобы насадка  работала эффективно, она должна удовлетворять  следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в  единице объема; 2) хорошо смачиваться  орошаемой жидкостью; 3) оказывать  малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Наиболее распространенным видом насадки являются специально приготовленные тела различной формы, обеспечивающие более равномерное  орошение.Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, т.к., например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки , которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции.

 В данном курсовом  проекте была выбрана насадка  типа Керамические кольца Рашига 25x25x3 мм, поскольку процесс абсорбции сероводорода водой происходит сравнительно легко, исходное сырьё не загрязнено механическими примесями.

 

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  СХЕМЫ АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

 

          В курсовом проекте используется противоточная технологичная схема процесса абсорбции. При противоточной схеме процесса абсорбции газовая смесь H₂ S с воздухом проходит через абсорбер снизу вверх, а жидкость стекает сверху вниз. Так как при противотоке уходящий газ соприкасается со свежим абсорбентом, над которым парциальное давление поглощаемого компонента равно нулю (или очень мало), то можно достичь более полного извлечения компонента из газовой смеси, чем при прямоточной схеме, где уходящий газ соприкасается с концентрированным раствором поглощаемого газа. Кроме того, при противотоке можно достигнуть более высокой степени насыщения поглотителя извлекаемым компонентом что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода абсорбента.

Непрерывное действие схемы  обеспечивает высокую производительность. В качестве основного оборудования выбран насадочный абсорбер. Основным достоинством данного аппарата является простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление.

Процесс абсорбции проводится при невысокой температуре - 25°С. Поэтому перед тем, как попасть в абсорбер, газ и поглотитель охлаждают в холодильниках, в которые подаётся охлаждающая вода.

В ходе проекта помимо основного оборудования (насадочного абсорбера) выбрано вспомогательное оборудование: газодувка и вентилятор. Насос используется для подачи поглотителя на абсорбцию, а вентиляторы для подачи газа.

С помощью вентиляторов газовая смесь с концентрацией H₂S равной 10%, с начальной температурой 85°С и объемным расходом 0,8 м³/с сначала подаётся в кожухотрубчатый теплообменник-холодильник 3 для предварительного охлаждения до температуры абсорбции - 25°С, а затем далее в абсорбер. Газ  на абсорбцию подаётся в нижнюю часть колонны, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент – насадку, представляющий собой керамические кольца Рашига. Абсорбент температурой 75°С из промежуточной ёмкости 7 насосом подаётся в кожухотрубчатый теплообменник-холодильник для охлаждения до температуры абсорбции в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению. Газ после абсорбции выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидразатвор в промежуточную ёмкость 6, откуда из колонны направляется на регенерацию в десорбер 9 после предварительного нагрева в теплообменнике-рекуператоре 8. После регенерации абсорбент - вода -  направляется в промежуточную емкость 7.

 

 

_{2. ОСНОВНЫЕ  СВОЙСТВА РАБОЧИХ  СРЕД.}

 

Сероводород H₂S — наиболее активное из серосодержащих соединений. В нормальных условиях бесцветный газ с неприятным запахом тухлых яиц. Молекула H2S по строению подобна Н2О.

Малорастворим в воде (2,6 л/1 л Н2О при 20 °C; 0,1М раствор, в лаборатории называется сероводородной водой), водный раствор H₂S — это слабая кислота. К₁ = 0,87·10⁻⁷, К₂ = 10⁻¹⁴. Сильный восстановитель. Получают в промышленности как побочный продукт при очистке нефти, природного и коксового газа. Раздражает слизистые оболочки и дыхательные органы. Неустойчив к нагреванию (выше 400 °C идет разложение: H2S = H2 + S).

Основные физико-химические свойства сероводорода:

Молекулярная  масса: 34,076 
Температура плавления (при 760 мм рт. ст.), °С: −82,9 
Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °C: −60,33 
Температура воспламенения, °С: 260 
Предельная объемная концентрация воспламенения, %: 4,3 
Плотность при 760 мм рт. ст. и 0 °С, кг/м³: 1,5392 
Плотность жидкого газа при 760 мм рт. ст., кг/м³: 950 
Теплоёмкость газа при 760 мм рт. ст. и 0 °С, ккал/(кг•°С): 
   при постоянном давлении: 0,254 
   при постоянном объеме: 0,192 
Теплота сгорания при 760 мм рт. ст. и 15 °С, ккал/кг: 4156

.

 

Соли сероводорода - сульфиды - малорастворимы в воде для большинства металлов, кроме щелочных и щелочноземельных (последние сильно гидролизуются). Сероводород и сульфиды - типичные восстановители:

2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O

2H2S + O2 = 2S + 2H2O

 

Реакции в водном растворе:

 

а) H2S + 2HNO3(конц.) = S↓ + 2NO2↑ + 2H2O

MnS(т) + 8HNO3(конц.) = MnSO4 + 8NO2↑ + 4H2O

 

б) H2S + I2 = S↓ + 2HI

H2S + 4H2O + 4Cl2 = H2SO4 + 8HCl

 

в) 3H2S + 2KMnO4 = 3S↓ + 2MnO2↓ + 2KOH + 2H2O

3H2S + 4H2SO4 + K2Cr2O7 = 3S↓ + Cr2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4.

Сероводород очень ядовит: острое отравление человека наступает уже при концентрациях 0,2–0,3 мг/м³, концентрация выше 1 мг/м³ — смертельна. Диапазон взрывоопасных концентраций его смеси с воздухом достаточно широк и составляет от 4 до 45% об. Предельно допустимая концентрация сероводорода в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м³, а в смеси с углеводородами С₁–С₃ равна 3 мг/м³.

При контакте с металлами (особенно если в газе содержится влага) вызывает сильную коррозию. Самый нежелательный компонент в газах нефтепереработки.

3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

 

1. Количество перерабатываемой  смеси – V =0,8 .

2. Начальная концентрация  в смеси – =10 масс %

Конечная концентрация в смеси – =0,5 масс %

4. Избыток абсорбента  – 5 %, следовательно,  ε=1,05

5. Давление абсорбции  – П = 0,3МПа.

6. Температура абсорбции  – t = 25 °С.

7. Начальная концентрация  в абсорбенте – =0 масс. %

 

Определить:

Количество поглощаемого газа – G ,

Расход абсорбента – L,

Диаметр абсорбера –  , м

Высоту колонны –  ,м

гидравлическое сопротивление- , кПа

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ  КОЛИЧЕСТВА ПОГЛОЩАЕМОГО СЕРОВОДОРОДА

 

1. Количество  поглощаемого  сероводорода( )  определяется  по

формуле:

 

.(3.1)

где -начальная концентрация ,в газовой смеси, выраженная в мольных долях, ; -молекулярная масса ; -коэффициент извлечения ; 22,4-  объем, занимаемый 1 кмоль газа, .

Начальная концентрация в газовой смеси определяется по формуле:

, (3.2)

где (об.)- начальная концентрация в смеси; молекулярная масса -

.

 

Коэффициент извлечения рассчитывается по выражению:

  (3.3)

Тогда количество поглощаемого   равно:

 

.

3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  РАСХОДА АБСОРБЕНТА

Расход абсорбента определяется по формуле:

, (3.4)

где - начальная и конечная  концентрации    в абсорбенте,  выраженные в относительных массовых единицах,   ( по условию задания).

Конечная концентрация в абсорбенте определяется по формуле:

(3.5)

где мольная доля в абсорбенте, равновесная с начальной концентрацией в газовой фазе, определяется по выражению:

(3.6)

где К- коэффициент Генри  для  водных  растворов [3.c.539] . Для водного раствора при  t = 25 °С коэффициент Генри К = 41400 мм рт. ст. = 5 519 кПа; П – давление абсорбции = 0,3 Мпа=300кПа

Вначале определяем равновесную  мольную долю в абсорбенте по формуле :

 

Затем определяем конечную равновесную концентрацию в абсорбенте  :