Усовершенствование технологии процесса улавливания сырого бензола

3. Расчёт основного оборудования

Задание на проектирование

Рассчитать абсорбер для улавливания  бензольных углеводородов (далее –  БУ) из коксового газа каменноугольным  маслом при следующих условиях:

1. Производительность по газу при нормальных условиях:

V_o = 110000 м³/ч = 30,56 м³/с;

2. Концентрация БУ в газе при нормальных условиях:

  на входе в абсорбер у_н = 40∙10 ^{– 3} кг/м³;

  на выходе у_к = 3∙10 ^{– 3} кг/м³;

3. Содержание углеводородов в поглотительном масле, подаваемом в абсорбер х_н = 0,25 % (массовых);
4. Абсорбция изотермическая, средняя температура потоков 
   в абсорбере: t = 30°C;
5. Абсолютное давление газа на входе в абсорбер:

Р = 0,135 МПа;

 

1. Расчёт насадочного абсорбера

1. Определение массы поглощаемого вещества 
   и расхода поглотителя

Массу переходящих из газовой смеси  в поглотитель БУ находят из уравнения материального баланса:

; (3.1)

где

L – расход чистого поглотителя, кг/с;

G – расход инертной части газа, кг/с;

 – начальная концентрация БУ в  поглотительном масле, 
кгБУ/кгМ;

 – конечная концентрация БУ в поглотительном масле, 
кгБУ/кгМ;

 – начальная концентрация БУ в  газе, кгБУ/кгГ;

 – конечная концентрация БУ в газе, кгБУ/кгГ;

Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранной для расчёта размерности:

;    ; (3.2)

где

= 0,44 кг/м³; – средняя плотность коксового газа при нормальных условиях [2];

	40·10 – 3	= 0,1 (кг БУ/кг Г);
	0,44 – 40·10 – 3

 

 

	3·10 – 3	= 0,0069 (кгБУ/кгГ);
	0,44 – 3·10 – 3

 

 

	0,25	= 0,0025 (кгБУ/кгМ);
	100 –  0,25

 

 

Конечная концентрация БУ в поглотительном масле обуславливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и её регенерацией.

Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя [3]. В коксохимической промышленности расход поглотительного масла L принимают в 1,5 раза больше минимального L_min [4]. В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (рис. 3.1.):

; (3.3)

где концентрация БУ в жидкости, равновесная  с концентрацией их в газе:

кгБУ/(кгМ);

Из уравнения (3.3) находим:

0,0342 (кгБУ/кгМ);

Расход инертной части газа:

 (3.4)

где объёмная доля БУ в газе:

здесь:

 – удельный мольный объём;

 – молярная масса БУ;

 

Тогда

G = 30,56·(1 – 0,0108)·(0,44 – 40∙10 ^{– 3}) = 12,092 (кг/с);

 

Производительность абсорбера  по поглощаемому компоненту:

  12,092·(0,1 – 0,0069) = 1,1258 (кг/с); (3.5)

Расход поглотителя (каменноугольного масла):

Соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя:

 

 

2. Расчёт движущей силы

В насадочном абсорбере жидкая и  газовая фазы движутся противотоком. Принимая модель идеального вытеснения, движущую силу определяют по формуле [1]:

 (3.6)

где бóльшая и мéньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него соответственно:

   (3.7)

здесь концентрация БУ в газе, равновесная с концентрацией 
в жидкой фазе (поглотителе) на входе в абсорбер (см. рис.3.1.):

0,005 кгБУ/кгГ;

на выходе из абсорбера:

0,0683 кгБУ/кгГ;

Отсюда

(кгБУ/кгГ);

(кгБУ/кгГ);

(кгБУ/кгГ);

 

3. Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению [1]:

 (3.8)

где

 – предельная фиктивная скорость газа, м/с;

 – плотность газа в условиях абсорбера, кг/м³;

1060 кг/м³; –плотность поглотительного масла;

вязкость соответственно поглотителя  и воды при 20°С: 
Па·с; 
Па·с;

параметры насадки:

d_э – эквивалентный диаметр отверстия, м;

ε – удельный свободный объём, м³/м³;

А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки;

Характеристики для плоскопараллельной насадки приведены в таблице [3]:

Тип насадки	А	В	dэ,  м	ε,  м3/м3	а,  м3/м3
Пакетная	0,062	1,55	0,2	0,24	600

Примечание: а – удельная поверхность насадки.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

здесь температура в абсорбере:

Т = t + To = 273 + 30 = 303ºC;

атмосферное давление:

Рo = 0,1013 МПа;

Тогда уравнение (3.8):

 

 

 

 

Из этого уравнения

  5,2 м/с;

 

При улавливании БУ основным фактором, определяющим рабочую скорость, является гидравлическое сопротивление насадки. С учётом этого рабочую скорость принимают равной 0,2...0,5 от предельной. Принимаем:

0,5· 0,5·5,2 = 2,6 м/с;

Диаметр абсорбера находят из уравнения  расхода:

 (3.9)

где объёмный расход газа при условиях в абсорбере:

Отсюда

d = (4·25,45/p·2,6)^0,5 = 3,53 (м);

Выбираем [6] стандартный  диаметр обечайки абсорбера 
d_д = 3,6 м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

ω_д = ω(d/d_д)² = 2,6·(3,53/3,6) ² = 2,5 (м);

 

4. Определение плотности орошения и активной поверхности насадки.

Плотность орошения (скорость жидкости):

U = L/(ρ_x S); (3.10)

здесь площадь поперечного сечения  абсорбера:

p×3,6 ²/4 = 10,18 (м²);

отсюда

U = 35,51/(1060·10,18) = 32,9·10^{– 4} м³/(с·м²);

Существует некоторая минимальная  эффективная плотность орошения U_min , выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для плёночных абсорберов:

U_min = а Г_min/ρ_х;  (3.11)

где минимальная линейная плотность  орошения:

 (3.12)

здесь поверхностное натяжение:

σ = 20 мН/м;

Тогда

Г_min = 3,95·10^{– 8}·20^3,6·(16,5·10^{– 3})^0,49 = 2,55·10^{– 4} кг/(c·м);

U_min = 600·2,55·10^{– 4}/1060 = 14,43·10^{– 5} м³/(с·м²);

И т.к. плотность орошения U > U_min , оставляем

U = 32,9·10^{– 4} м³/(с·м²)

Доля активной поверхности насадки  может быть вычислена [3]:

; (3.13)

где для плоскопараллельной насадки  пакетного типа:

р = 8,09·10^{– 4};

q = 1,52·10^{– 3};

Получаем:

 

Таким образом, не вся смоченная  поверхность является активной.

5. Расчёт коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок, к которым  относятся и пакетная, коэффициент  массоотдачи в газовой фазе β′_у находят  
по диффузионному критерию Нуссельта из обобщённого уравнения [1, 3]:

 (3.14)

отсюда

 (3.15)

где коэффициент диффузии БУ в газовой  фазе, м²/с [1, 3, 8, 9]:

 (3.16)

В этих уравнениях:

диффузионные критерии для газовой  фазы в насадке:

 – критерий Рейнольдса;

 – критерий Прандтля;

мольные объёмы:

v_БУ = 96 см³/моль – БУ;

v_Г = 21,6 см³/моль – газа;

молярная масса газа:

М_Г = 10,5 кг/кмоль;

вязкость газа [2]:

μ_у = 1,27·10^{– 5} Па·с; 

высота элемента насадки:

l_н = 1,16 м;

Получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выразим β′_y в выбранной для расчёта размерности:

β_y = β′_y ρ_y = 0,0227·0,5283 = 0,012 кг/(м²·с);

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β′_х находят 
по диффузионному критерию Нуссельта из обобщённого уравнения [1, 3]:

 (3.17)

отсюда

 (3.18)

В разбавленных растворах коэффициент  диффузии БУ в каменноугольном масле D_x может быть достаточно точно вычислен по уравнению [3, 8, 9]:

; (3.19)

В этих уравнениях:

приведённая толщина стекающей  плёнки жидкости, м:

;

модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки жидкости:

;

диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

;

параметр, учитывающий ассоциацию молекул:

β = 1;

мольная доля каменноугольного масла:

М_М = 170 кг/кмоль;

Получаем:

 

 

 

 

 

Выразим β′_х в выбранной для расчёта размерности:

β_х = β′_х ρ_х = 0,36·10^{– 6}·1060 = 0,382·10^{– 3} кг/(м²·с);

Находим коэффициент массопередачи  по газовой фазе:

К_y = ( β_y^–1 + m/β_х )^–1 ; (3.20)

где коэффициент распределения  «масло/газ»:

m = 1 кгМ/кгГ;

Получаем:

К_y = (0,012^–1 + 1/0,382·10^{– 3})^–1= 3,7·10^{– 4} кг/(м²·с);

 

6. Определение поверхности массопередачи и высоты абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере [1]:

; (3.21)

Отсюда:

F = 1,1258/(3,7·10^{– 4}·0,0106) = 2,87·10⁵ (м²);

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

 (3.22)

 

Обычно высота абсорбера не превышает 30...40 м. В состав абсорбера, кроме насадок, входят ещё дополнительные устройства, которые имеют следующие размеры:

– Расстояние между днищем абсорбера и насадкой. Определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние составляет (1...1,5)d_д = (1...1,5)·3,6 = 3,6...5,4 м.

Принимаем 3,6 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 каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны (2...6 м).

Принимаем 2,6 м.

Исходя из вышесказанного, выбираем число последовательно соединённых  абсорберов n_а = 2, в каждом из которых высота насадки:

Н′ = Н/n_а = 49,5/2 = 24,8 м;

Во избежание значительных нагрузок на нижние блоки насадки  её укладывают в колонне ярусами, по n_бл = 5 блоков в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры, конструкции которых даны в справочнике [6]. Расстояние между ярусами пакетной насадки составляет h_я = 0,3 м. Определим высоту насадочной части одного абсорбера: