Расчет абсорбера

Содержание

 

Задание на проектирование………………………………………………..3

Введение…………………………………………………………………….4

1. Расчет массы поглощаемого вещества и расход поглотителя.....…….8

2. Расчет движущей силы массопередачи……………………..……..….10

3. Расчет  коэффициента массопередачи………………………...…...….11

4. Расчет скорости воздуха и диаметра абсорбера…………………...…12

5. Расчет плотности орошения и активной поверхности насадки...…...14

6. Расчет  коэффициентов массоотдачи……………………………...…..16

7. Расчет  поверхности массопередачи и  высоты абсорбера………...…19

8. Расчет  гидравлического сопротивления  абсорбера……………….…20

Список  литературы…………………………………………………….…21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на проектирование:

 

Рассчитать  абсорбер для улавливания двуокиси серы из азота водой при следующих условиях:

1) Расход  исходной смеси:  8400 м³ /ч = 2,34 м³/с;

2) Содержание  бензола 

на входе  в абсорбер у_н = 10,0 % об;

на выходе из абсорбера у_к = 1,5 % об;

3) Температура  процесса 20 ⁰С;

3) Давление  в колонне Р = 1,0 атм. = 750 мм.рт.ст. = 0,1 МПа;

4) Тип насадки  – кольца Рашига.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 колпачковыми, 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.

В результате абсорбции аммиака водой образуется щелочной раствор являющийся коррозионно-активным, поэтому выбираем насадочный тип  абсорбера с керамической насадкой, кроме того при работе под атмосферным давлением гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера будет меньше, чем у барботажного.

Рисунок 1 – технологическая схема абсорбции

Газовоздушная смесь с помощью газодувки  ГД подается в насадочный абсорбер А. В верхнюю часть абсорбера  центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

Поскольку основной целью расчета является определение высоты и диаметра абсорбера, то необходимо определить скорости фаз  и поверхность массопередачи.

Поверхность массопередачи определим из основного  уравнения массопередачи:

где М –  масса поглощаемого вещества, кг/с;

      К_х, К_у – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг / (м^2·с);

В расчетах будем использовать концентрации, выраженные в относительных единицах .

Использование относительных концентраций распределяемого  компонента позволяет минимизировать уравнение равновесных концентраций и значительно упростить расчеты.

Нагрузки  по фазам соответственно будем выражать в массовых расходах носителей, кг/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет массы поглощаемого  вещества и расход поглотителя

 

Уравнение материального  баланса:

 

где L,G –  расходы соответственно чистого  поглотителя и инертной части  газа, кг/с,

      - начальная и конечная концентрация жидкости кг/кг;

     - начальная и конечная концентрации газа, кг/кг.

Принимаем плотность  парогазовой смеси, равной плотности  воздуха ρ_0у = 1,29 кг/м³.

Пересчитаем объемные концентрации в массовые.

 

 

 

 

Выразим составы  фаз, нагрузки по газу и жидкости в  выбранной для расчета размерности:

 

 

Из уравнения  материального баланса

где - концентрация двуокиси серы в жидкости, равновесная с газом начального состава. По рисунку

 

Расход воздуха:

Производительность  абсорбера по поглощаемому компоненту:

Расход воды (масла) равен:

Удельный  расход поглотителя:

Рисунок 2- Зависимость между содержанием  паров двуокиси серы в азоте

и в воде при 20⁰ С.

 

 

2. Расчет движущей силы массопередачи

 

Движущей  силой процесса абсорбции является степень отклонения системы от состояния  равновесия. Следовательно, в каждой точке по высоте абсорбера она  может быть рассчитана как разность между рабочей и соответствующей  ей равновесной концентрациями. Поскольку  движущая сила по высоте абсорбера  меняется, то для расчета её среднего значения необходимо определить движущие силы по концам абсорбера (внизу и  сверху).

Для случая линейной равновесной зависимости  между составами фаз определим  движущую силу в единицах концентрации газовой фазы [1]:

 

где большая движущая сила; - меньшая движущая сила.

Значения  равновесных концентраций, соответствующих  начальной концентраций бензола в воздухе и конечной концентрации бензола в воздухе определим по рисунку 1:

Тогда движущие силы по концам абсорбера:

Средняя движущая сила:

 

3. Расчет коэффициента массопередачи

 

Коэффициент массопередачи К_у зависит от коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе β_х и газовой фазе β_у и связан с ними уравнением:

Единицы измерения К_у, β_х, β_у – кг / (м²с).

Выбираем  керамические кольца Рашига размером 50×50×5 м. Удельная поверхность насадки, а = 90 м²/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,035 м, свободный объем (порозность) ε = 0,785 м³/м³, насыпная плотность ρ = 530 кг/м³.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет скорости воздуха и диаметра абсорбера

 

Предельную  скорость воздуха, выше которой наступает  захлебывание насадочных абсорберов рассчитаем по формуле:

где ω_пр – предельная фиктивная скорость газа, м/с;

       μ_х, μ_в – вязкость поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 20⁰С, Па·с;

       А, В – коэффициенты, зависящие  от типа насадки;

       L, G – расходы фаз, кг/с.

А = -0,073; В = 1,75.

Пересчитаем плотность воздуха на условия  в абсорбере:

Решая это  уравнение получаем: ω_пр = 2,05 м/с.

Рабочую скорость принимаем равной:

ω = 0,4 ω_пр = 0,4·2,05 = 0,82 м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения  расхода:

где V- объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с;

      ω - рабочая скорость газа в абсорбере, м/с.

 

Из нормального  ряда диаметров колоны для химической промышленности выбираем ближайший диаметр колонны D = 2,2 м. При этом действительная скорость газа в колонне:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет плотности орошения  и активной поверхности насадки

 

Плотность орошения рассчитывают по формуле:

U = L / (ρ_xS),

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м²

U = 5,32 / (998,2·0,785·2,2²) = 0,0014 м³ / (м²с).

Минимальная эффективная плотность орошения рассчитывается по формуле:

U_min = αq_эф,

где q_эф – эффективная линейная плотность орошения, м²/с.

q_эф = 0,022·10^-3 м²/с.

U_min = 90·0,022·10^-3 = 0,00198.

Доля  активной поверхности насадки рассчитывается по формуле: