Абсорбер тарілчастого типу

Зміст

Введення

1. Розрахунок тарельчатой ​​абсорбційної колони

2. Порядок розрахунку

3. Вибір типу контактного пристрою

4. Розрахунок прохідного діаметру штуцерів колони і вибір фланців

5. Вибір насосів і вентиляторів

6. Розрахунок кожухотрубчасті теплообмінника

7. Тепловий розрахунок

8. Розрахунок трубних решіток і фланців кожуха

Список літератури

Введення

Абсорбцією називають процес поглинання газу рідким поглиначем, у якому газ розчинний у тій чи іншій мірі. Зворотний процес - виділення розчиненого газу з розчину - носить назву десорбції.

У абсорбційних процесах (абсорбція, десорбція) беруть участь дві фази-рідка і газова і відбувається перехід речовини з газової фази в рідку при абсорбції) або, навпаки, з рідкої фази в газову (при десорбції). Таким чином, абсорбційні процеси є одним з видів процесів массопередачи.

На практиці абсорбції піддають здебільшого не окремі гази, а газові суміші, складові частини яких (одна або декілька) можуть поглинатися даними поглиначем в помітних кількостях. Ці складові частини називають адсорбуються компонентами або просто компонентами, а непоглинаючих складові частини - інертним газом.

Рідка фаза складається з поглинача і абсорбованого компонента. У багатьох випадках поглинач представляє собою розчин активного компонента, який входить у хімічну реакцію з адсорбуються компонентом; при цьому речовина, в якому розчинений активний компонент, будемо називати розчинником.

Інертний газ і поглинач є носіями компонента відповідно у газовій та рідкій фазах. При фізичній абсорбції (див. нижче) інертний газ і поглинач по витрачаються і не беруть участь в процесах переходу компонента з однієї фази в іншу. При хемосорбції (див. нижче) поглинач може хімічно взаємодіяти з компонентом.

Санітарного очищення газів, отбросний розчин, зливається (після знешкодження) у каналізацію.

Поєднання абсорбції з десорбцією дозволяє багаторазово використовувати поглинач і виділяти абсорбований компонент у чистому вигляді. Для цього розчин після абсорбера направляють на десорбцію, де відбувається виділення компонента, а регенерований (звільнений від компонента) розчин знову повертають на абсорбцію. При такій схемі (кругової процес) поглинач не витрачається, якщо не рахувати деяких його втрат, і весь час циркулює-через систему абсорбер - десорбер - абсорбер.

У деяких випадках (за наявності малоцінного поглинача) в процесі проведення десорбції відмовляються від багаторазового застосування поглинача. При цьому регенерований в десорбері поглинач скидають у каналізацію, а в абсорбер подають свіжий поглинач.

Умови, сприятливі для десорбції, протилежні умов, що сприяють абсорбції. Для здійснення десорбції над розчином повинно бути помітний тиск компонента, щоб він міг виділятися в газову фазу. Поглиначі, абсорбція в яких супроводжується необоротною хімічною реакцією, не піддаються регенерації шляхом десорбції. Регенерацію таких поглиначів можна виробляти хімічним методом.

Області застосування абсорбційних процесів в хімічній і суміжних галузях промисловості дуже великі. Деякі, з цих областей вказані нижче:

Отримання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною. Прикладами можуть служити: абсорбція SO ₃ у виробництві сірчаної кислоти; абсорбція НС1 з отриманням соляної кислоти; абсорбція окислів азоту водою (виробництво азотної кислоти) або лужними розчинами (одержання нітратів) і т. д. При цьому абсорбція проводиться без подальшої десорбції.

Поділ газових сумішей для виділення одного або кількох цінних компонентів суміші. У цьому випадку застосовується поглинач повинен володіти якомога більшою поглинальною здатністю по відношенню до витягуваний компоненту і можливо меншою по відношенню до інших складових частин газової суміші (виборча, або селективна, абсорбція). При цьому абсорбцію зазвичай поєднують з десорбцією в круговому процесі. В якості прикладів можна навести абсорбцію бензолу з коксового газу, абсорбцію ацетилену з газів крекінгу або піролізу природного газу, абсорбцію бутадієну з контактного газу після розкладання етилового спирту і т. п.

Очищення газу від домішок шкідливих компонентів. Таке очищення здійснюється перш за все з метою видалення домішок, не допустимих при подальшій переробці газів (наприклад, очищення нафтових і коксових газів від Н ₂ S, очищення азотноводородной суміші для синтезу аміаку від СО ₂ і СО, осушення сірчистого газу у виробництві контактної сірчаної кислоти та т. д.). Крім того, виробляють санітарну очистку випускаються в атмосферу газів, що відходять (наприклад, очищення топкових газів від SO _2; очищення від С1 ₂ абгаза після конденсації рідкого хлору, очищення від фтористих сполук газів, що виділяються при виробництві мінеральних добрив, і т. п.).

У даному випадку витягуваний компонент зазвичай використовують, тому його виділяють шляхом десорбції або направляють розчин на відповідну переробку. Іноді, якщо кількість витягується компонента дуже мало і поглинач не представляє цінності, розчин після абсорбції скидають у каналізацію.

Уловлювання цінних компонентів з газової суміші для запобігання їх втрат, а також з санітарних міркувань, наприклад рекуперація летючих розчинників (спирти, кетони, ефіри й ін.)

Слід зазначити, що для розділення газових сумішей, очищення газів і уловлювання цінних компонентів з абсорбцією застосовують і інші способи: адсорбцію, глибоке охолодження й ін Вибір того чи іншого способу визначається техніко-економічними міркуваннями. Зазвичай абсорбція переважно в тих випадках, коли не потрібно дуже повного вилучення компонента.

При абсорбційних процесах массообмен відбувається на поверхні зіткнення фаз. Тому абсорбційні апарати повинні мати розвинену поверхню зіткнення між газом і рідиною. Виходячи зі способу створення цієї поверхні абсорбційні апарати можна підрозділити на наступні групи:

а) Поверхневі абсорбери, в яких поверхнею контакту між фазами є дзеркало рідини (власне поверхневі абсорбери) або поверхня поточної плівки рідини (плівкові аб сорбери). До цієї ж групи належать насадок абсорбери, в кото яких рідина стікає по поверхні завантаженої в абсорбер насадки з тіл різної форми (кільця, кусковий матеріал і т. д.), і хутра нические плівкові абсорбери (с. 321). Для поверхневих абсорбе рів поверхню контакту певною мірою визначається геометри чеський поверхнею елементів абсорбера (наприклад, насадки), хоча в багатьох випадках і не дорівнює їй.

б) барботажние абсорбери, в яких поверхня контакту раз вивается потоками газу, розподіляються в рідини у вигляді пу зирьков і струмків. Такий рух газу (барботаж) здійснюється шляхом пропускання його через заповнений рідиною апарат (суцільний барботаж) або в апаратах колонного типу з різного типу тарілками. Подібний характер взаємодії газу і рідини спостерігається також в насадок абсорберах з затопленої насадкою.

У цю ж групу входять барботажние абсорбери з перемішуванням рідини механічними мішалками. У барботажних абсорберах поверхню контакту визначається гідродинамічним режимом (витратами газу та рідини).

в) Розпилююча абсорбери, в яких поверхня контакту утворюється шляхом розпилення рідини у масі газу на дрібні краплі. Поверхня контакту визначається гідродинамічним режимом (витратами рідини). До цієї групи відносяться абсорбери, в яких розпилення рідини проводиться форсунками (форсункові, або порожні, абсорбери), в струмі рухається з великою швидкістю газу (швидкісні прямоточні Розпилююча абсорбери) або обертаються механічними пристроями (механічні Розпилююча абсорбери).

Наведена класифікація абсорбційних апаратів є умовною, оскільки відображає не стільки конструкцію апарату, скільки характер поверхні контакту. Один і той же тип апарата в залежності від умов роботи може опинитися при цьому в різних групах. Наприклад, насадок абсорбери можуть працювати як в плівковому, так і в барботажной режимах. В апаратах з барботажние тарілками можливі режими, коли відбувається значне розпилювання рідини і поверхня контакту утворюється в основному краплями.

З різних типів апаратів в даний час найбільш поширені насадочні і барботажние тарілчасті абсорбери. При виборі типу абсорбера потрібно в кожному конкретному випадку виходити з фізико-хімічних умов проведення процесу з урахуванням техніко-економічних факторів.

Основні розміри абсорбера (наприклад, діаметр і висота) визначають шляхом розрахунку, виходячи із заданих умов роботи (продуктивність, необхідний ступінь вилучення компонента і т. д.). Для розрахунку необхідні відомості по статиці та кінетиці процесу. Дані по статиці знаходять з довідкових таблиць, розраховують за допомогою термодинамічних параметрів або визначають дослідним шляхом. Дані по кінетиці в значній мірі залежать від типу апарата і режиму його роботи. Найбільш надійні результати експериментів, проведених за тих же умов. У ряді випадків подібні дані відсутні і доводиться вдаватися до розрахунку або дослідам.

В даний час ще немає цілком надійного методу, що дозволяє визначати коефіцієнт массопередачи шляхом розрахунку або на основі лабораторних або модельних дослідів. Однак для деяких типів апаратів можна знайти коефіцієнти масопередачі з досить великою точністю за допомогою розрахунку або порівняно простих дослідів.

1. Розрахунок тарельчатой ​​абсорбційної колони

В якості вихідних даних задаються наступні величини:

1. Об'ємна витрата надходить газової фази в колону: V г = 16000 Нм ³ / год

2. Зміст поглинається компонента у вступнику газі: у _зв = 30%

3. Ступінь вилучення: α = 95%

4. Початкова зміст поглинається компонента в абсорбенту масова частка: x _вн = 0%

5. Кінцевий вміст поглинається компонента в абсорбенту масова частка x _вк = 0,45%

6. Температура надходить газової суміші в колону t = 20 ° С

7. Тиск в колоні Р = 1.013 МПа

У результаті розрахунку визначаються: La, Dk, No бщ, Δ Рт, НМТ.

2. Порядок розрахунку

1. Початкова відносна мольна концентрація поглинається компонента газової фази при вході в абсорбер

= 0,538

2. Кінцева відносна мольна концентрація поглинається компонента газової фази при виході з абсорбера

= 0,027

3. Початкова відносна мольна концентрація поглинається компонента в абсорбенту при вході в абсорбер:

М _пк = 44 СО ₂

М _а = 18 Вода

М _нг = 29 Повітря

= 0%

4. Кінцева відносна мольна концентрація поглинається компонента в абсорбенту при виході з абсорбера

= 0,002%

5. Об'ємна витрата інертного складової газової фази (норм.усл.)

= 8450

6. Молярний витрата поглинається компонента

= 193

7. Молярний витрата абсорбенту (інертної складової рідкої фази)

= 95793,9

8. Молекулярний вага газової фази

= 34,25

9; Щільність газової фази

= 14,246 кг / м ³

10. Об'ємна витрата газової фази, що входить у абсорбционную колону

= 0,336

11. Молярний витрата газової фази, що надходить у абсорбционную колону

= 503,8

12. Визначається діаметр колони

Гранично допустима швидкість газової фази (умова перевищення 10% винесення рідкої фази з газової) розраховується для сітчатие тарілок як

= 0,419

w _р - робоча швидкість газової фази у вільному перерізі колони, яка становить

= 0,335

= 1,131 м.

Приймаються D _k = 1,2 м

Вибираємо матеріал Сталь Ст3.

При температурі 20 ° С:

σ = 140 МПа [3, стор 394, таб. 13,1]

Коефіцієнт міцності зварних швів:

Ψ = 1 [3, стор 395, таб. 13,3]

Товщина стінки апарату:

= 4,357 мм

Приймаються із запасом товщину стінки s = 10 мм [3, стор 211]

Знайдемо товщину еліптичного приварному днища, при R = D, H = 0.25 D, де: R - радіус кривизни днища. D - діаметр апарату, H - висота днища без урахування циліндричної відбортовки.

= 2,175 мм

Приймаються товщину днища рівну товщині апарату s = 10 мм.

13. За прийнятою площі вільного перетинів отворів f _отв = 10 вираженою в% від загальної площі вільного перетину апарату, розраховується швидкість газу в отворах тарілки

= 3,351

14. Приймається відношення площі вільного перетину сегмента перешівного пристрою до площі тарілки 10%, тобто R = 0,1 і визначається площа вільного перетину переливного пристрої

= 0,113 м ²

15. Швидкість рідкої фази в переливній пристрої:

= 4,237

16. Гідравлічний опір тарілки від сил поверхневого натягу:

σ = 0,0728 [4, стор 501, таб. XXII]

= 44,8 Па

17. Статичний опір шару рідини

= 191,3 Па

18. Висота статичного шару рідини

= 0,02 м

19. Опір сухий тарілки ξ = 1,5 для сітчастих тарілок [3, стор 210]

= 120 Па

20. Загальний опір тарілки

= 356 Па

21. Висота рідини в переливній пристрої

= 0,066 м

22. Мінімальна відстань між тарілками, що забезпечує гідрозатвор в зливному патрубку

= 0,045 м

Вибираємо H _мт = 500

23. В'язкість газової фази

μ _пк = 1,46 · 10 ^-5 Па · с

μ _иг = 1,84 · 10 ^-5 Па · с [4, стор 530, номогр. VI]

= 1.647 · 10 ^-5 Па · с

24. Кінетичні коефіцієнти процесу:

= 5651.9

D = 13.8 · 10 ^-6 [1, стор 71, табл. 11-2]

= 1,53 · 10 ^-6

= 0,7535

= 0,0195

= 3445

= 0,117

= 6534,9

D = 1.8 · 10 ^-9 [1, стор 71, табл. 11-2]

= 555,6

= 118560,8

= 0,249

25. Робоча площа тарілки без урахування площі двох переливів

= 0,904 м ²

26. Величина відношення робочої площі тарілки до поперечного перерізу колони

= 0,8

27. За довідковими або розрахунковими даними в координатах y - x будується графік рівноважної залежності y ^p = f (x), що виражає зв'язок концентрацій поглинається компонента в газовій і рідкій фазах, що перебувають у рівновазі. Тут же наноситься пряма робоча лінія процесу абсорбції, що виражає зв'язок робочих концентрацій, по 2 точках прямої [т.1 (у _мн, х _мк), т.2 (у _мк, Х _мн)]. Примітка: у, х - відносні, молярний концентрації.

;

l = 255.5;

;

a = 0.972 [1, стор. 604]

;

;

при х _{cp i;}

b = 0.08724

28. Розбивається інтервал зміни робочих концентрацій в колоні на ділянки, в межах яких рівноважну залежність можна вважати прямолінійною. Для кожної ділянки зміни концентрацій визначається тангенс кута нахилу рівноважної лінії

29. Розраховується коефіцієнт массопередачи для кожної ділянки зміни концентрацій

30. Знаходяться числа одиниць переносу для цих же ділянок зміни концентрацій

31. Для знайдених значень чисел одиниць переносу обчислюють значення величини З _yi

32. Обчислюється середнє значення концентрації абсорбується компонента в абсорбенту для кожної ділянки

33. Для середніх значень концентрацій x _{ср, i} будується ряд прямих ліній A ₁ C _1; А ₂ З _2; A ₃ C ₃ і т.д., паралельних осі ординат.

34. Робоча концентрація газу на тарілці над рідиною складу x _{ср, i} буде завжди менше рівноважної. Цим концентрацій будуть відповідати точки В _1; B _2; У ₃ і т.д., що лежать на відрізках A ₁ C _1; А ₂ З _2; A ₃ C _3, нижче точок А _1; A _2; A ₃ і т.д. Положення цих точок визначаються з виразу

35. На діаграмі y - x від точок С на кривій рівноваги відкладаються знайдені відрізки BC і через отримані точки В _1; У _2; У ₃ і т.д. наноситься крива, що є кінетичної лінією процесу.

36. Між знайденої кінетичної і робочої лініями проводиться ступеневу побудову ламаної лінії в межах концентрацій Х _н і Х _к. Число ступенів цієї ламаної лінії дає число тарілок абсорбційної колони N _заг

37. Загальний опір тарілок в колоні

38. Розрахунок числа люків:

Розмістимо люки через кожні 6 тарілок:

n = 5.667

Приймаються 6 люків (1 люк над 34-й тарілкою)

38. Загальна висота колони визначається

мм

3. Вибір типу контактного пристрою

Контактна пристрій за завданням - сітчатие тарілка. Вибираємо тарілку ТС-Р2 для діаметра 1200 мм. Кількість секцій - 2, периметр зливу L = 884 мм, діаметр отвору 5 мм, крок між отворами - 10 мм

Прийомний і зливний кишені займають 10.53% плошали тарілки, сумарна площа всіх отворів - 10% [3, стор 216]

Перевіряємо вибраного відстань між тарілками: мінімальна відстань між ними повинна бути рівним:

H _min = H _min = 0.073м

Вибране відстань між тарілками Н = 500м підходить.

4. Розрахунок прохідного діаметру штуцерів і вибір фланців

Штуцер для виходу суміші з колони

Gc = Ls Gc = 443,9

Vc = Gc / ρc Vc = 0.482

dc = dc = 0,35 м

де Vc-об'ємний витрата суміші, м ³ / c;

wc - швидкість потоку, тому що суміш надходить з колони під напором, приймаємо швидкість потоку рівної 5 м / с.

Gc - масова витрата суміші, м ³ / с;

р c - густина суміші кг / м ^3;

Приймаємо діаметр штуцера dc = 400 мм.

Штуцер для виходу газу з колони

= 0,219 м ³ / с

= 0,136

де: V г - об'ємна витрата газу, м ³ / с;

w г - швидкість потоку газу приймаємо рівним 15 м / с;

V нг - об'ємна витрата газу при нормальних умовах, м ³ / с;

Приймаємо діаметр штуцера d г = 200 мм;

Штуцер для входу газової суміші в колону

= 0,169

де: w г c - швидкість потоку газової суміші приймаємо рівним 15 м / с;

V гс - об'ємна витрата газової суміші, м ³ / с;

Приймаємо діаметр штуцера d гс = 200 мм;

Штуцер для входу рідини в колону

= 0,482 м ³ / с

= 0,35

де: V ж - об'ємна витрата рідини, м ³ / с;

w г - швидкість потоку рідини приймаємо рівним 5 м / с;

L а - молярний витрата рідини, кмоль / год;

Приймаємо діаметр штуцера d ж = 400 мм;

Виготовлення штуцерів і вибір фланців

Для спрощення конструктивних деталей колони, будемо виготовляти штуцера з відрізків труб відповідних діаметрів. Зовнішній виліт штуцерів становить ≈ 1,5 від діаметра штуцера, внутрішній ≈ 0,3. Щоб попередити потрапляння рідини у внутрішній простір штуцера, що подає циркуляційний пар, труба, з якої він виготовлений, обрізається під кутом донизу.

До виступаючим відрізкам труб приварюються фланці плоскі сталеві [5, стор 54]

5. Вибір насосів і вентиляторів

Вентилятор для подачі вихідної газової суміші

Q = V гв = 0.336 м ³ / с

Вибираємо відцентровий вентилятор марки Ц1-1450 [3, стор 42, табл. 9].

Насос для подачі рідинної суміші в колону десорбції і насос для подачі рідини в колону абсорбції

О = V ж = 0.482 м ³ / с

Вибираємо осьовий насос марки ОВ8-47 [3, стор 40, табл. 4].

6. Розрахунок кожухотрубчасті теплообмінника (водяного холодильника)

Витрата рідини з десорбера

= 479

Приймемо температуру води на вході і виході з холодильника:

Вода з десорбера, З: 40 à 20 t _{вд н} = 40 ° С t _{вд к} = 40 ° С

Охолоджуюча вода, З 30 à 10 t _{ів н} = 10 ° С t _{ов до} = 30 ° С

Знайдемо середню різницю температур:

Δ t _б = t _{вд н} - t _{ов до} = 10 ° С

Δ t _м = t _{вд до} - t _{ів н} = 10 ° С

= 10 ° С

Властивості води при середніх температурах [4, стор 512, табл. XXXIX]

Середні температури охолоджуючої рідини:

t ₂₀ = ₂₀ ° С t ₃₀ = 30 ° С

Щільність:

ρ ₂₀ = 998 кг / м ³ ρ ₃₀ = 996 кг / м ³

Теплоємність:

з ₂₀ = 4190 Дж / ​​кг · К з ₃₀ = 4180 Дж / ​​кг · К

Теплопровідність:

λ ₂₀ = 0,599 Вт / м · К λ ₃₀ = 0,618 Вт / м · К

Динамічна в'язкість:

μ ₂₀ = 10 ^-3 Па · с μ ₃₀ = 8,04 · 10 ^-3 Па · с

Значення критерію Прандтля:

Рг ₂₀ = 7,02 Рг ₃₀ = 5,42

7. Тепловий розрахунок

Теплове навантаження апарату

= 42.10 ⁶ Вт

Витрата охолоджуючої води

= 502,9 кг / с

Попередній розрахунок холодильника

Розрахуємо кожухотрубний теплообмінник з трубами діаметром 25х2 мм і кроком труб 32 мм. Задамося значними Re:

Re = 20000

d 1 = 0.021 м

d 2 = 0.025 м

Знайдемо коефіцієнти тепловіддачі:

У трубному просторі

Pr = 5,42

Pr _ст = 7,02

ε ₁ = ₁ [4, стор 157, табл. 4-3]

= 112,4

= 3307,8

Виберемо теплообмінник:

За каталогом ЦІНТІХІМНЕФТЕМАШа, 1991р., «Кожухотрубчасті теплообмінні апарати загального та спеціального призначення» приймаємо найбільш близький до орієнтованого значенням площі поверхні теплообмінник типу ТН, група 101. виконання 51-58, шестіходовой, з двома еліптичними кришками, діаметром кожуха 2200 мм, довжиною труб - 6000мм, діаметром труб 25x2 мм і поверхнею теплообміну 1800 м ² - три штуки. [7]

Проводимо перевірочний розрахунок обраного теплообмінника:

L = 6 D = 2.2 м ²

n = 3876 штук

1) У трубному просторі:

= 0,357 м / с

= 9318,8

Pr = 5.42

Pr _ст = 7,02

ε ₁ = ₁

= 72.7

= 2139.9

У міжтрубному просторі

= 1,899 м ²

= 0,265 м / с

= 0,024 м

= 6461,5

Pr = 7,02

Pr _ст = 5,42

ε _φ = 0,6

= 85,2

= 2042,4

λ _ст = 17,5

= 933,5

Поверхня теплообміну:

= 4514,6 м ²

Є запас по площі: (1800x3-4514.6) / 4514.6 = 19.6%

Запас по площі достатній і не дуже великий, що економічно виправдано.

Товщина обичайки кожуха теплообмінника за рекомендацією каталогу ЦІНТІХІМНЕФТЕМАШа, 1991р., «Кожухотрубчасті теплообмінні апарати загального та спеціального призначення» приймаємо 10 мм.

Діаметри штуцерів для входу і виходу охолоджуючої води але каталозі - 700 мм Діаметр штуцерів для входу і виходу охолоджуваної рідини але каталозі - 500 мм

8. Розрахунок трубних решіток і фланців кожуха

Товщина трубної решітки, виходячи з закріплення труб розвальцьовуванням з Обварку, визначається з умови:

tp = 32 мм d н = 25 мм

Sp = 0,125 · d н + 5 Sp = 8.1 мм

де: d н - зовнішній діаметр труби, який дорівнює 25 мм;

tp - крок між трубами, рівний 32 мм;

Відповідно до ГОСТ 28759.2 - 90 «Фланці посудин і апаратів плоскі приварні» для конденсатора з D = 2200 мм і Ру = 1 МПа товщина фланців дорівнює 40 мм. Так як фланці у нас є однією деталлю з трубної гратами, то товщина її, відповідно, теж 40 мм.

Список літератури

1. В.М. Рамм. «Абсорбція газів». М., «Хімія», 1976р.

2. «Розрахунок тарілчастих абсорбційних колон» під ред. В А. Іванова, Москва, 1985. ;

3. «Основні процеси та апарати хімічної технології», допомога по проектуванню під ред. Ю. І. Дитнерского. М, «Хімія» 1991 р.

4. К.Ф. Павлов, П. Г. Романків, А. А. Носков. «Приклади і задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології». Л., «Хімія», 1976р.

5. А. А. Лащинський, А. Р. Толчинський. «Основи конструювання і розрахунку хімічної апаратури». М, 1968р.

6 Галузевий стандарт ОСТ 26-808-73.

7. Каталог «кожухотрубчасті теплообмінні апарати загального та спеціального призначення». М "« ЦІНТІХІМНЕФТЕМАШ », 1991р.

8. Каталог «Ємнісна сталева зварна апаратура». М., «ЦІНТІХІМНЕФТЕМАШ», 1969р.