Для поглощения nh 3 водой; V = 5000 нм




Скачать 123.1 Kb.
Дата14.07.2016
Размер123.1 Kb.
Для поглощения NH3 водой; V = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас.%

Степень улавливания 96%. Темпера­тура 20 С.

Константа Генри 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа
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 колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарел­ками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных 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.


1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер А с ситчатыми тарелками. 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.



2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Так как водный раствор аммиака при температуре 20 С° является корро­зионно активным веществом, то в качестве конструкционного матери­ала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до тем­пературы 600°С [4с59].



3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АБСОРБЕРА

    1. Плотность газовой смеси на входе в аппарат.


Мольная концентрация NH3 в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

где МВ = 17 – мол. масса NH3;

МА = 29 – мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

Мсм = МB + (1–A = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль
При нормальных условиях:

= Мсм/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м3,

при рабочих условиях: t = 20 C; Р = 0,1 МПа:

Н = ОНТ0Р/(ТР0) = 1,19273/293 = 1,11 кг/м3.


3.2. Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат:


GН = VН = 1,391,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м3/с.


3.4. Расход распределяемого компонента и инертного вещества


Gркн = GНн = 1,540,12 = 0,185 кг/с,

Gин = GН(1 – н) = 1,540,88 = 1,355 кг/с.


    1. Масса распределяемого компонента поглощенного водой


М = Gркн0,96 = 0,1850,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

Gркк = Gркн – М = 0,185 – 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

GК = Gн – М = 1,54– 0,178 = 1,362 кг/с.

3.6. Относительная концентрация аммиака на входе и выходе:


= Gркн / Gин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= Gркк / Gин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

3.7. Расход инертной фазы.


С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где Мвод = 18 – молярная масса воды,



= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH3

0,136 = 170,276 /{290,1[17/18 + (1 – 0,276/0,1)]}.


Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,005) и точку В ( = 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при мини­мальном расходе воды mmin:

mmin = tgmin = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3mmin = 1,31,90 = 2,47 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:



,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

Через точки А и С (; ) проводим действительную рабочую ли­нию процесса абсорбции.

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .


Расход воды на входе:

Lин = mGин = 2,471,355= 3,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

LK = Lин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

Lср = 0,5(Lин + LK) = 0,5(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с




  1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА АБСОБЕРА
    1. Скорость газа в абсорбере


w = 0,05(ρжг)0,5

где ρж = 998 кг/м3 – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρг – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

yк = МВк/(МВкА) = 290,005/(290,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = МАу+(1 – у)МВ = 170,099+290,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

г = МТ0Р/(22,4ТР0) = 27,83273∙0,1/(22,4293∙01) = 1,16 кг/м3.

w = 0,05(998/1,16)0,5 = 1,47 м/с


4.2. Диаметр абсорбера:


d =

где Gср – средний расход газовой фазы:

Gср = 0,5(GH + GK) = 0,5(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16)0,5 = 1,04 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

wг = 1,47(1,04/1,0)2 = 1,59 м/с.


4.4. Характеристика стандартной тарелки:


Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м2;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м2;

Периметр слива, Lc – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.



  1. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ АБСОРБЕРА

    1. Высота светлого слоя жидкости:


h0 = 0,787q0,2hпер0,56wгm[1 – 0,31exp(-0,11μx)]

где hпер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μх = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6hпер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/Lc = 0,0034/0,8 = 0,0043 м3/м∙с

Q = L/ρж = 3,436/998 = 0,0034 м3/с – объемный расход воды

h0 = 0,787∙0,00430,2∙0,040,56∙1,59-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м


    1. Плотность орошения:


U = L/ρжSк

где Sк = 0,785d2 – площадь колонны;

U = 3,436/998∙0,785∙1,02 = 0,0044 м32∙с

5.3. Газосодержание барботажного слоя:


ε = Fr0,5/(1+Fr0,5)

где Fr – критери Фруда:

Fr = w2/gh0 = 1,592/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,90,5/(1+8,90,5) = 0,75


5.4. Вязкость газовой смеси:


Вязкость воздуха при 20 С

,

где 0 = 17,310-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент .

= 17,310-6(273+124)/(293+124)(293/273)3/2 = 18,310-6 Пас

Вязкость аммиака при 20 С



где 0 = 9,1810-6 Пас – вязкость воздуха при 0 С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент

= 9,1810-6(273+626)/(293+626)(293/273)3/2 = 9,9810-6 Пас
Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / см = 170,099/9,9810-6 + 290,901/18,310-6

откуда г = 17,410-6 Пас

5.5. Коэффициенты диффузии


Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,010-60,1(293/273)3/2/0,1 = 18,910-6 м2/с,

D0 = 17,010-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях .

Коэффициент диффузии аммиака в воде: Dж = 1,810-9 м2/с [1c. 540].

    1. Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:


βжf = 6,24∙105Dж0,5[U/(1–ε)]0.5h0г/(μгж)]0,5 =

= 6,24∙105∙(1,810-9)0,5[0,0044/(1–0,75)]0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 0,013 м/с

βжf = 0,0013∙ρж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м2∙с.

    1. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:


βгf = 6,24∙105Dг0,5(w/ε)0.5h0г/(μгж)]0,5 =

= 6,24∙105∙(18,910-6)0,5(1,59/0,75)0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]0,5 = 14,98 м/с

βгf = 14,98∙ρг = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м2∙с.

5.8. Коэффициент массопередачи:


Kyf = 1/(1/βгf + m/βжf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м2∙с

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9. Движущая сила процесса массопередачи:


Δм = к = 0,005 кг/кг

Δб = нрн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δср = (бм)/ln(б/м) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг


5.10. Число тарелок в абсорбере


Суммарная поверхность тарелок:

F = M/KyfΔcp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м2

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d2 = 0,1∙0,785∙1,02 = 0,0785 м2



где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11. Высота колонны:


Н = Нт(n-1)+Z1+Z2

где Нт = 0,5 м – расстояние между тарелками;

Z1 = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

Z2 = 2,8 м – высота кубового пространства.

Н = 0,5(32-1)+1,6+2,8 = 19,9 м


6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОННЫ

6.1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки


ΔРс = ζw2ρг/2φ2

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔРс = 1,5∙1,592∙1,16/2∙0,12 = 220 Па

    1. Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:


ΔРσ = 4σ/dэ = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды;

dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя:


ΔРсл = ρжgh0 = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па

6.4. Полное сопротивление тарелки:


ΔРт = ΔРс+ΔРσ+ΔРсл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5. Полное сопротивление колонны:


ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7. Подбор газодувки и насоса для подачи воды.


Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=1,67 м3/с, а ΔР = 20000 Па.


Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = Lинж = 3,347/998 = 0,0034 м3/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,0055 м3/с и Н=25 м.



  1. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

7.1 Толщина обечайки:


= 1,00,1/21380,8 + 0,001 = 0,003 м,

где д = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение [3c 394],

 = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

Ск = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки  = 8 мм.

7.2. Днища.


Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища 1 = = 8 мм.

Масса днища mд = 74,3 кг.

Объем днища Vд = 0,162 м3.


7.3. Фланцы.


Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:

7.4. Штуцера.


Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d1,2 = (3,436/0,7851998)0,5 = 0,066 м,

принимаем d1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d3,4 = (1,451/0,785251,16)0,5 = 0,252 м,

принимаем d3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:



dусл

D

D2

D1

h

n

d

65

160

130

110

14

4

14

250

370

335

312

21

12

18

7.5. Расчет опоры.


Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,

размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми

юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приво-

дится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2обρ

где Dн = 1,016 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 1,0 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 20 м – высота цилиндрической части колонны

ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали

mоб = 0,785(1,0162-1,02)20,0·7900 = 4000 кг

Общая масса колонны. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = mоб + mт + 2mд = 1,1(4000+32∙41,5+2·74,3) = 6024 кг



Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) = 1000(0,785·1,02·20 + 2·0,162) = 16024 кг

Максимальный вес колонны

mmax = mк + mв = 6024 +16024 =22048 кг = 0,216 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0.94 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 1,1 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D22 – D12) = 0,785(1,102 – 0,942) = 0,256 м2

Удельная нагрузка опоры на фундамент



 = Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 МПа < [] = 15 МПа – для бетонного фундамента.
Литература

  1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

  2. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984.

  3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

  4. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница