Проектування абсорбційної установки

Міністерство освіти і науки Республіки Казахстан

Павлодарський державний університет ім. С. Торайгирова

Біолого-хімічний факультет

Кафедра хімії та хімічних технологій

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

Проектування абсорбційної установки

Введення

Абсорбцією називається процес виборчого поглинання компонентів з газової або парової суміші рідким поглиначем, в якому даний компонент розчинний. Абсорбція, як правило, означає поглинання газів в об'ємі рідини або рідше твердого тіла. Поглинання твердим абсорбентом, наприклад, водню паладієм, називають оклюзією. Для процесу поглинання молекул газу чи рідини поверхнею твердого тіла в російській мові використовується термін адсорбція.

На практиці абсорбції піддають не окремі гази, а газові суміші, складові частини яких поглинаються рідиною. Ці складові частини суміші називають адсорбуються компонентами (адсорбату), а непоглинаючих частини - інертним газом.

Поглинається речовина, ще перебуває в обсязі фази, називають адсорбтів, поглинене - адсорбатов. У більш вузькому сенсі під адсорбцією часто розуміють поглинання домішки з газу або рідини твердою речовиною - адсорбентом. При цьому, як і в загальному випадку адсорбції, відбувається концентрування домішки на межі розділу адсорбент-рідина або адсорбент-газ. Процес, зворотний адсорбції, тобто перенесення речовини з поверхні розділу фаз в об'єм фази, називається десорбція.

Розрізняють фізичну абсорбцію та Хемосорбція. При фізичній абсорбції розчинення газу (пари) не супроводжується хімічною реакцією. Абсорбція протікає до тих пір, поки парціальний тиск поглинається компонента в газовій (паровий) фазі залишається вище рівноважного тиску над розчином. При хемосорбції (абсорбції, супроводжуваної хімічною реакцією) поглинається компонент вступає в необоротну хімічну реакцію з поглиначем і утворює хімічну сполуку.

Перебіг абсорбційних процесів характеризується їх статикою і кінетикою. Статика абсорбції, тобто рівновага між рідкою і газовою фазами, визначає стан, який встановлюється при досить тривалому зіткненні фаз. Кінетика абсорбції визначається рушійною силою процесу, тобто ступенем відхилення системи від стану рівноваги, властивостями поглинача, компонента та інертного газу, а також способом дотику фаз. Будь-яке щільне тіло згущує досить значно прилеглі безпосередньо до його поверхні частки навколишнього його газоподібного речовини. Якщо таке тіло пористо, як наприклад деревне вугілля або губчаста платина, то це ущільнення газів має місце і по всій внутрішній поверхні його пір, а тим самим, отже, і в набагато більш високого ступеня. Ось наочний приклад цього: якщо взяти шматок свіжопрокаленого деревного вугілля, кинути його в пляшку, яка містить вуглекислий або інший газ, і закривши її зараз же пальцем опустити отвором вниз у ртутну ванну, то ми незабаром побачимо, що ртуть піднімається і входить у пляшку; це прямо доводить, що вугілля поглинув вуглекислоту чи інакше настав ущільнення, абсорбція газу. При будь-якому ущільненні виділяється тепло, тому, якщо вугілля розтерти в порошок, що, наприклад, практикується при фабрикації пороху, і залишити лежати в купі, то від того, що відбувається тут поглинання повітря маса так нагрівається, що може статися самозаймання. На цьому саме зігріванні, що залежить від абсорбції, заснований пристрій платинової пальники Деберейнера. Знаходиться там шматок губчастої платини ущільнює так сильно кисень повітря і спрямовану на нього струмінь водню, що сам поступово починає розжарює і нарешті запалює водень. Речовини, які абсорбують - поглинають з повітря водяна пара, згущують його теж у собі, утворюючи воду, і від цього стають вологими, як, наприклад, нечиста кухонна сіль, поташ, хлористий кальцій і т. п. Такі тіла звуться гігроскопічними. Абсорбція газів пористими тілами була вперше помічена і вивчена майже одночасно Фонтаном і Шеєле в 1777 р., а потім піддавалося дослідженню багатьма фізиками, а особливо Соссюра в 1813 р. Останній, як на найбільш жадібних поглиначів, вказує на буковий вугілля і пемзу (морська пінка ). Один обсяг такого вугілля при атмосферному тиску в 724 міл. поглинув 90 обсягів аміаку, 85 - хлористого водню, 25 - вуглекислоти, 9,42 - кисню; пемза при такому ж порівнянні зробила трохи менше поглинальної здатності, але в усякому разі це теж один з кращих абсорбентів. Чим легше газ згущується в рідину, тим сильніше він поглинається. При малому зовнішньому тиску і при нагріванні - зменшується кількість поглинається газу. Чим дрібніше пори поглинача, тобто чим він щільніший, тим більшою, загалом, він володіє поглинаючою здатністю; занадто проте ж дрібні пори, як напр. графіту, не сприяють абсорбції. Органічно вугілля поглинає не тільки гази, але й дрібні тверді і рідкі тіла, а тому і вживається для знебарвлення цукру, очищення алкоголю і т. д. У результаті абсорбції всяке щільне тіло оточене шаром ущільнених парів і газів. Ця причина, по Вайделю, може служити для пояснення відкритого Мозером в 1842 р. цікавого явища так званих потових картин, тобто одержуваних при диханні на скло. А саме, якщо прикласти кліше або який-небудь рельєфний малюнок до полірованої скляної площини, потім, віднявши її, подихати на це місце, то на склі виходить досить точний знімок малюнка. Це походить від того, що при лежанні на склі кліше гази поблизу поверхні скла розподілилися нерівномірно, залежно від нанесеного на кліше рельєфного малюнка, а тому і водяні пари, при диханні на це місце, розподіляються теж у такому порядку, а охолодити і осівши, і відтворюють даний малюнок. Але якщо нагріти попередньо скло або кліше, і розсіяти таким чином ущільнений поблизу них шар газів, то вже таких потових малюнків отримати не можна.

Крім твердих тіл поглинати можуть і рідини, особливо якщо їх змішати разом в якому-небудь посудині. 1 об'єм води може при 15 ° С і 744 міл. тиску розчинити в собі, абсорбувати 1 / 50 обсягу атмосферного повітря, 1 обсяг вуглекислоти, 43 обсягу сірчистого газу і 727 обсягів аміаку. Обсяг газу, який про 0 ° С і 760 міл. барометричного тиску поглинається одиницею об'єму рідини, називається коефіцієнтом поглинання газу для цієї рідини. Коефіцієнт цей для різних газів і різних рідин - різний. Чим вище зовнішній тиск і нижче температура, тим більше розчиняється в рідині газу, тим більше коефіцієнт поглинання. Тверді і рідкі тіла абсорбують в даний час різні кількості газів, а тому і можна обчислити кількості поглинається газу для кожної окремої рідини. Вивчення абсорбції газів рідинами розпочато було Анрі (1803) і потім двинуто далі Соссюром (1813) і В. Бунзеном («Gasometrische Methoden», Брауншвейг, 1857, 2 вид., 1877). - Причина абсорбції складається у взаємному тяжінні молекул тел абсорбуючого і абсорбується.

Абсорбція - процес виборчого поглинання компонентів газової суміші рідким поглиначем (абсорбентом). Процес абсорбції відбувається в тому випадку, коли парціальний тиск витягується компонента в газовій суміші вище, ніж у рідкому абсорбенту, вступає в контакт з цим газом, тобто для протікання абсорбції необхідно, щоб газ і абсорбент не перебували в стані рівноваги. Різниця в парціальному тиску витягується компонента в газі і рідини є тією рушійною силою, під дією якої відбувається поглинання (абсорбція) даного компонента рідкою фазою з газової фази. Чим більше ця рушійна сила, тим інтенсивніше переходить цей компонент з газової фази в рідку.

За своєю природою розрізняють два види абсорбції: фізичну, при якій витяг компонентів з газу відбувається завдяки їх розчинності в абсорбенту та хімічну (Хемосорбція), засновану на хімічній взаємодії видобутих компонентів з активною частиною абсорбенту. Швидкість фізичного абсорбції визначається дифузійними процесами, швидкість хемосорбції залежить від швидкості дифузії і хімічної реакції.

Поглинання компонентів газової суміші при абсорбції супроводжується виділенням тепла, величина якого пропорційна масі та теплоти розчинення qA поглинених компонентів.

Процес абсорбції оборотний, тому він використовується не тільки для отримання розчинів газів в рідинах, але і для розділення газових сумішей. При цьому після поглинання одного або декількох компонентів газу з газової суміші необхідно зробити виділення з абсорбенту поглинених компонентів, тобто десорбцію.

При виборі абсорбенту враховують склад поділяється газу, тиск і температуру процесу, продуктивність установки. Вибір абсорбенту визначається також його селективністю, поглинаючою здатністю, корозійною активністю, вартістю, токсичністю та іншими факторами.

У нафтовій та газовій промисловості процес абсорбції застосовується для розділення, осушення та очищення вуглеводневих газів. З природних і попутних нафтових газів шляхом абсорбції витягають етан, пропан, бутан і компоненти бензину; абсорбцію застосовують для очищення природних газів від кислих компонентів - сірководню, використовуваного для виробництва сірки, діоксиду вуглецю, серооксіда вуглецю, сірковуглецю, тіолів (меркаптанів) і т. п.; за допомогою абсорбції також поділяють гази піролізу і каталітичного крекінгу і здійснюють санітарне очищення газів від шкідливих домішок.

В якості абсорбентів при поділі вуглеводневих газів використовують бензинові або гасові фракції, а в останні роки і газовий конденсат, при осушенні - діетиленгліколь (ДЕГ) і триетиленгліколь (ТЕГ). Для абсорбційної очистки газів від кислих компонентів застосовують N-метил-2-піролідон, гліколі, пропиленкарбонату, трибутилфосфат, метанол; як хімічна поглинача використовуються моно-і Діетаноламін.

На відміну від ректифікації процес абсорбції протікає в основному однонаправлено, тобто абсорбент можна вважати практично нелетких. У разі абсорбції багатокомпонентної газової суміші на деякій її стадії окремі компоненти можуть витіснятися іншими поглинають компоненти. У результаті поряд з процесом абсорбції буде протікати процес часткової десорбції деяких компонентів, що призведе до розподілу компонентів між газовою і рідкою фазами, зумовленого обома зазначеними процесами.

Абсорбція (десорбція) - дифузний процес, в якому беруть участь дві фази: газова і рідка. Рушійною силою процесу абсорбції (десорбції) є різниця парціальних тисків поглинається компонента в газовій і рідкій фазах, який прагне перейти в ту фазу, де його концентрація менше, ніж це потрібно за умовою рівноваги.

Позначимо парціальний тиск поглинається компонента в газовій фазі через рг, а парціальний тиск того ж компонента в газовій фазі, що знаходиться в рівновазі з абсорбентом, через рр. Якщо рг> рр, то компонент газу переходить в рідину, тобто протікає процес абсорбції (рис. VI-1, а). Якщо рг <рр, то поглинуті компоненти газу переходять з абсорбенту в газову фазу, тобто здійснюється процес десорбції.

Чим більше величина рг - рр., тим інтенсивніше здійснюється перехід компонента з газової фази в рідку. При наближенні системи до стану рівноваги рушійна сила зменшується, і швидкість переходу компонента з газової фази в рідку сповільнюється.

Оскільки парціальний тиск компонента пропорційно його концентрації, то рушійна сила процесу абсорбції або десорбції може бути виражена також через різницю концентрацій компонента в газовій

Dу = y - ур або рідкої фазі D х = хр - х.

Кількість речовини М, що поглинається в одиницю часу при абсорбції або виділяється при десорбції, прямо пропорційно поверхні контакту газової і рідкої фаз F, рушійною силою процесу та коефіцієнту пропорційності К, залежному від гідродинамічного режиму процесу та фізико-хімічних властивостей системи.

Рівняння массопередачи при абсорбції можна записати у вигляді:

M = Kp F (pг - pp) = Ky F (y - yp) = Kx F (xp - x) (VI. 1) або

Kp (p г - pp) = Ky (y - yp) = Kx (xp - x).

Коефіцієнт К називається коефіцієнтом массопередачи при абсорбції і характеризує масу речовини, передану в одиницю часу через одиницю поверхні контакту фаз при рушійною силою, що дорівнює одиниці.

Одиниця виміру величини До залежить від одиниць вимірювання складових, що входять в рівняння (VI.1). Так, наприклад, якщо вимірювати масу поглиненого компоненту в кг / год, поверхня контакту фаз в м2, а рушійну силу процесу абсорбції в МПа, то з рівняння (VI.1) отримаємо одиницю виміру До в кг / (м2 Ч МПа Ч ч) .

Рис. VI-1. Схема перенесення компонентів при контакті газу з абсорбентом

Для проведення процесу абсорбції застосовують абсорбційні установки, основним елементом яких є абсорбційні апарати.

Абсорбційні апарати класифікуються в залежності від технологічного призначення, тиску і виду внутрішнього пристрою, що забезпечує контакт газу (пари) і рідини.

За технологічним призначенням абсорбційні апарати поділяються на апарати установок осушення, очищення газу, газорозподілу і т. д.

У залежності від внутрішнього пристрою розрізняють тарілчасті, насадочні, розпилювальні, роторні (механічні), поверхневі та каскадні абсорбери. Найбільш широко поширені тарілчасті і насадочні апарати.

У залежності від застосовуваного тиску апарати поділяються на вакуумні, атмосферні та працюють під тиском вище атмосферного.

При виборі типу апарату слід враховувати технологічні вимоги до процесу і його економічні показники.

Плівкові апарати, до яких відносяться також абсорбери з регулярною насадкою, незамінні при проведенні процесу в умовах розкладання, оскільки їх гідравлічний опір найнижче. Плівкові і насадочні колони переважніше також для обробки корозійних середовищ і пінних рідин.

Тарілчасті колони зручні для великотоннажних виробництв при відносно малих витратах рідини, недостатніх для рівномірного змочування насадки, а також для процесів, що супроводжуються коливаннями температури, так як періодичне розширення і стиснення корпусу може зруйнувати крихку насадку. На тарілках простіше встановити змійовики для підведення та відводу теплоти. Тарілчасті колони також застосовуються при обробці потоків з твердими домішками або при виділенні твердого осаду.

Адсорбція - загальне і повсюдне явище, що має місце завжди і скрізь, де є поверхня розділу між фазами. Найбільше практичне значення має адсорбція поверхнево-активних речовин і адсорбція домішок з газу або рідини спеціальними високоефективними адсорбентами. В якості адсорбентів можуть виступати різноманітні матеріали з високою питомою поверхнею: пористий вуглець (найбільш поширена форма - активоване вугілля), силікагелі, цеоліти а також деякі інші групи природних мінералів і синтетичних речовин.

Адсорбція (особливо хемосорбція) грає також важливе значення в гетерогенному каталізі. Області застосування абсорбційних процесів у промисловості дуже великі: отримання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною, поділ газових сумішей на компоненти; очищення газів від шкідливих домішок; уловлювання газових компонентів з газових викидів.

Основна складність при проектуванні абсорберів полягає в правильному виборі розрахункових закономірностей для визначення кінетичних коефіцієнтів з більшого праці різних, часом суперечливих, залежностей, представлених в технічній літературі. Розрахунки за цим рівнянням, зазвичай справедливі для окремих випадків призводять часто до различающимся, а іноді до свідомо невірних результатів. Рекомендовані тут рівняння обрані після ретельного аналізу і порівняльних розрахунків у широкому інтервалі змінних, перевірки адекватності розрахункових даних досвідченим, отриманим на реальних системах.

На сьогоднішній день абсорбція займає одне з найпочесніших місць в промисловому світі.

1 Фізико-хімічні основи процесу

У процесі абсорбції вміст газу в розчині залежить від властивостей газу і рідини, температури, тиску і складу газової фази.

У результаті розчинення в рідині бінарної газової суміші (розподілюваний компонент А, носій В) взаємодіють дві фази (Ф = 2), число компонентів дорівнює трьом (К = 3) і, згідно з правилом фаз, число ступенів свободи системи дорівнює трьом.

У системі газ - рідина змінними є температура, тиск і концентрації в обох фазах. Таким чином, у стані рівноваги при постійних значеннях температури і загального тиску залежність між парціальним тиском газу (або його концентрацією) і складом рідкої фази однозначна. Дана залежність виражається через закон Генрі, згідно з яким парціальний тиск розчиненого газу пропорційно його мольної частці в розчині або розчинність газу (поглинається компонента) в рідини при даній температурі пропорційна його парціальному тиску над рідиною:

Значення коефіцієнта Генрі для даного газу залежать від природи поглинача і газу і від температури, але не залежать від загального тиску в системі.

Для ідеальних розчинів на діаграмі залежність рівноважних концентрацій від тиску зображається прямою, що має нахил, рівний коефіцієнту Генрі. З підвищенням температури збільшується значення коефіцієнта Генрі і відповідно зменшується розчинність газу в рідині. Таким чином, розчинність газу в рідині збільшується з підвищенням тиску і зниженням температури.

Коли в рівновазі з рідиною знаходиться суміш газів, закону Генрі може слідувати кожен з компонентів суміші окремо.

Закон Генрі застосуємо до розчинів газів, критичні температури яких вища за температуру розчину, і справедливий тільки для ідеальних розчинів. Тому він з достатньою точністю можна застосовувати лише до сильно розведеним реальним розчинів, що наближається за властивостями до ідеальних, тобто дотримується при малих концентраціях розчиненого газу або при його малій розчинності. Для добре розчинних газів, при великих концентраціях їх у розчині, розчинність менше, ніж випливає з закону Генрі. Для систем, які не підкоряються цьому закону, лінія рівноваги представляє собою криву, яку будують зазвичай за дослідними даними.

2 Пристрій абсорбційних апаратів

Абсорбери - апарати, в яких здійснюються абсорбційні процеси. Подібно іншим процесам массопередачи, абсорбція протікає на поверхні розділу фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинену поверхню зіткнення між рідиною і газом. За способом утворення цієї поверхні абсорбери умовно поділяються на наступні 4 групи:

- Поверхневі і плівкові;

- Насадочні;

- Барботажние (тарілчасті);

- Розпилююча.

Поверхневі абсорбери. Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів. У зазначених апаратах газ проходить над поверхнею нерухомої або повільно рухається рідини. Так як поверхня дотику у таких абсорберах мала, то встановлюють кілька послідовно з'єднаних апаратів, у яких газ і рідина рухаються протитечією один до одного. Для того, щоб рідина переміщалася по адсорбери самопливом, кожен наступний за ходу рідини апарат розташовують декілька нижче попереднього. Для відводу тепла, що виділяється при абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, охолоджувані водою або іншим охолоджуючим агентом, або поміщають абсорбери в судини з проточною водою.

Плівкові абсорбери. Ці апарати більш ефективні і компактні, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорберах поверхнею контакту фаз є поверхня поточної плівки рідини. Розрізняють такі різновиди апаратів даного типу: трубчасті абсорбери, абсорбери з плоско - паралельної або листовий насадкою, абсорбери з висхідним рухом плівки рідини.

Насадок абсорбери. Одним з найбільш поширених абсорберів поверхневого типу є насадок колон апарат. Він відрізняється простотою пристрою і придатністю до роботи з агресивними середовищами. Його застосування допустимо як у тих випадках, коли массообмен контролюється дифузійним опором рідкої фази, так і тоді, коли вирішальним є опір газової фази. Насадок абсорбери представляють собою колони, завантажені насадкою - твердими тілами різної форми; при наявності насадки збільшується поверхня дотику газу і рідини. У насадок колоні насадка укладається на опорні решітки, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини. Остання з допомогою розподільника рівномірно зрошує насадочні тіла і стікає вниз. У насадок колоні рідина тече по елементу насадки у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадочні апарати можна розглядати як різновид плівкових. Проте в останніх плівкову течію рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадок абсорберах - тільки по висоті елемента насадки.

Барботажние (тарілчасті) абсорбери. Тарілчасті абсорбери представляють собою вертикальні колони, всередині яких розміщені горизонтальні перегородки - тарілки. За допомогою тарілок здійснюється спрямований рух фаз і багаторазове взаємодія рідини і газу. У барботажних абсорберах газ виходить з великого числа отворів і барботируют через шар рідини або у вигляді окремих бульбашок (при малих швидкостях газу), або у вигляді струменів (при підвищених швидкостях газу), що переходять все ж у потік пухирців на деякій відстані від точки витікання газу . У результаті утворюється газорідинна (гетерогенна) система нижня частина, якої складається з шару рідини з розподіленими в ній газовими бульбашками, середня - з шару комірчастої піни, а верхня - із зони бризок, що виникають при розриві оболонок йдуть газових бульбашок. Висоти цих шарів змінюються зі швидкістю газу; з її зростанням зменшується нижній шар і збільшується середній (в межах залежать від фізичних властивостей рідини).

Структуру газорідинного шару можна охарактеризувати його висотою, газосодержание і розміром газових бульбашок. При закінченні газу з одиночного затопленого отвори з певним діаметром, швидкість якого нижче певної межі утворюються одиночні вільно спливаючі бульбашки, діаметр яких, в розглянутому режимі, не залежить від витрати газу. Зауважимо, однак, що при інтенсивному закінченні газу утворюються бульбашки різних розмірів, які при підйомі зазвичай деформуються, набуваючи еліпсоїдальних і напівсферичну форму. Крім того, газові пухирці мають вертикальну траєкторію руху (іноді навіть спіральну).

Рівень рідини при її русі вздовж барботажной тарілки на шляху від входу до перетікання знижується на деяку величину, внаслідок гідравлічного опору. Це призводить до нерівномірного розподілу газового потоку по перерізу абсорбера; великі кількості газу будуть проходити там, де висота шару рідини менше.

Площа живого перерізу переточні пристрої (труби, сегмента) визначається за об'ємною витраті рідини і її швидкості, яка береться до уникнення захоплення газу не вище 0,10 - 0,12 м / с.

За способом зливу рідини з тарілок барботажние абсорбери можна підрозділити на колони з тарілками із зливними пристроями і без них.

Тарілчасті колони із зливними пристроями. У цих колонах перелив рідини з тарілки на тарілку здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв - зливних трубок, кишень та ін Нижні кінці трубок занурені у склянку на нижчих тарілках і утворюють гідравлічні затвори, що виключають можливість проходження газу через зливний пристрій.

До тарілках із зливними пристроями відносяться: сітчатие, колпачковой, клапанні, баластні і пластинчасті.

Гідродинамічні режими роботи тарілок. Залежно від швидкості газу і щільності зрошення розрізняють три основних гідродинамічних режиму роботи барботажних тарілок: бульбашковий, пінний, струменевий, або інжекційні. Ці режими відрізняються структурою барботажного шару, яка в основному визначає його гідравлічний опір і висоту, а також поверхню контакту фаз.

Бульбашковий режим. Спостерігається при невеликих швидкостях газу, коли він рухається крізь шар рідини у вигляді окремих бульбашок. Поверхня контакту фаз на тарілці невелика.

Пінний режим. Зі збільшенням витрати газу виходять з отвору і прорізи окремі бульбашки зливаються в суцільну струмінь, яка на певній відстані від місця закінчення руйнується внаслідок опору барботажного шару з утворенням великої кількості бульбашок. При цьому на тарілці виникає газорідинна дисперсна система - піна, яка є нестабільною і руйнується відразу ж після припинення подачі газу. У зазначеному режимі контактування газу і рідини відбувається на поверхні бульбашок і струменів газу, а також на поверхні крапель рідини, які у великій кількості утворюються над барботажние шаром при виході бульбашок газу з барботажного шару та руйнації їх оболонок.

Струменевий (інжекційні) режим. При подальшому збільшенні швидкості газу довжина газових струменів збільшується, і вони виходять на поверхню барботажного шару, не руйнуючись і утворюючи велику кількість крупних бризок. Поверхня контакту фаз в умовах такого гідродинамічного режиму різко знижується.

Сітчатие тарілки. Газ проходить крізь отвори тарілки і розподіляється в рідині у вигляді дрібних струмків і бульбашок. Газ повинен рухатися з певною швидкістю і мати тиск, достатній для того, щоб подолати тиск шару рідини на тарілці і запобігти стікання рідини через отвори тарілки. Сітчатие тарілки відрізняються простотою пристрою, легкістю монтажу, огляду і ремонту. Гідравлічний опір цих тарілок невелика. Сітчатие тарілки стійко працюють в широкому інтервалі швидкостей газу, причому в певному діапазоні навантажень по газу і рідини ці тарілки мають високу ефективність. Разом з тим сітчатие тарілки чутливі до забруднень і осідань, які забивають отвори тарілок. У разі раптового припинення надходження газу або значного зниження його тиску з сітчатие тарілок зливається вся рідина, і для відновлення процесу потрібно знову запускати колону. Різновидом абсорберів з сітчатие тарілками є пінні абсорбери.

Колпачковой тарілки. Газ барботируют через рідину, виходячи з прорізів ковпачків, розташованих на кожній тарілці. У прорізах газ дробиться на дрібні струмки, які на виході з прорізи майже відразу піднімаються вгору і, проходячи через шари рідини на тарілці, зливаються один з одним (малюнок 1).

Рисунок 1 - Колона з колпачковой тарілками

1 - тарілка; 2 - патрубки; 3 - ковпачки; 4 - переливні труби

У колоні з колпачковой тарілками знаходяться тарілки 1, з патрубками 2, закриті зверху ковпачками 3. Нижні краї ковпачків забезпечені зубцями або прорізами у вигляді вузьких вертикальних щілин. Рідина перетікає з тарілки на тарілку через переливні труби 4. Рівень рідини на тарілці відповідає висоті, на яку верхні кінці переливних труб виступають над тарілкою. Щоб рідина перетікала тільки по переливних трубах, а не через патрубки 2, верхні кінці патрубків повинні бути вище рівня рідини. Нижні краї ковпачків занурені в рідину так, щоб рівень рідини був вище верху прорізів.

Газ проходить по патрубках 2 в простір під ковпачками і виходить через отвір між зубцями або через прорізи в ковпачках, барботируют в шар рідини.

Щоб газ не потрапляв у переливні труби і не перешкоджав, таким чином, нормальному перетіканню рідини з тарілки на тарілку, нижні кінці переливних труб опущені під рівень рідини. Завдяки цьому створюється гідрозатвор, що запобігає проходження газу через переливні труби.

Колпачковой тарілки менш чутливі до забруднень, ніж колони з сітчатие тарілками, і відрізняються більш високим інтервалом стійкої роботи колони з колпачковой тарілками. Колпачковой тарілки стійко працюють при значних змінах навантажень по газу і рідини. До їх недоліків слід віднести складність пристрою і високу вартість, низькі граничні навантаження по газу, відносно високий гідравлічний опір, труднощі очищення. Для нормальної роботи колпачковой тарілок необхідно, щоб всі прорізи в ковпачках були відкриті для рівномірного проходу газу. Ця умова досягається при швидкості руху газу більше ніж 0,6 м / с.

Клапанні тарілки. Принцип дії полягає в тому, що вільно лежить над отвором в тарілці круглий клапан з зміною витрати газу своєю вагою автоматично регулює величину площі зазору між клапаном і площиною тарілки для проходу газу і тим самим підтримує постійної швидкість газу при його закінчення в барботажний шар. При цьому зі збільшенням швидкості газу в колоні гідравлічний опір клапанної тарілки збільшується незначно.

Баластні тарілки. Відрізняються за влаштуванню від клапанних тим, що в них між легким круглим клапаном і кронштейном-обмежувачем встановлений на коротких стійках, що спираються на тарілку, більш важкий, ніж клапан, баласт. Клапан починає підніматися при невеликих швидкостях газу. З подальшим збільшенням швидкості газу клапан впирається в баласт і потім піднімається разом з ним. Баластні тарілки відрізняються більш рівномірною роботою і повною відсутністю провалу рідини в усьому інтервалі швидкостей газу.

Переваги клапанних і баластних тарілок: порівняно висока пропускна здатність по газу і гідродинамічна стійкість, постійна і висока ефективність у широкому інтервалі навантажень по газу. Остання гідність є особливістю клапанних і баластних тарілок в порівнянні з тарілками інших конструкцій. До недоліків цих тарілок слід віднести їх підвищений гідравлічний опір, обумовлене вагою клапана або баласту.

Пластинчасті тарілки. Ці тарілки, на відміну від тарілок, розглянутих вище, працюють при одноправленном русі фаз, тобто кожен ступінь працює за принципом прямотока, що дозволяє різко підвищити навантаження по газу і рідини, у той час як колона у цілому працює з протитечією фаз. Переваги пластинчастих тарілок: низький гідравлічний опір, можливість роботи із забрудненими рідинами, низький витрата металу при їх виготовленні. Недоліки: труднощі відведення та підведення тепла, зниження ефективності при невеликих витратах рідини.

3 Опис процесу в технологічній системі

Бінарна газова суміш з температурою 160 (Потік 4,9) подається турбокомпресорами в теплообмінник 9, де охолоджується до температури 35 . Охолоджена суміш подається газодувки 8 в нижню частину абсорбера 6, де рівномірно розподіляється по перерізу колони і надходить на контактні елементи (насадку). Абсорбент подається у верхню частину колони відцентровим насосом 4 з збірки 3. У колоні здійснюється противоточной взаємодія газу і рідини. Очищений газ виходить з колони в атмосферу. Абсорбент стікає через гідрозатвор до збірки 7, звідки насосом 5 відправляється на подальшу переробку. Для охолодження газу в холодильник з градирні 2 подається насосом 1 вода, яка після холодильника повертається на охолодження в градирню. Схема автоматизована. Мета системи автоматичного регулювання визначається призначенням процесу: очищення газу, що надходить в абсорбер або одержання готового продукту. У даній роботі розглядається перше завдання, відповідно до якої основними регульованими параметрами є: концентрація витягується компонента в газовій суміші на виході з абсорбера; температура газової суміші, що надходить на абсорбцію; рівень рідини в абсорбері.

У більшості випадків витрата газової суміші визначається технологічним режимом, тобто абсорбційна установка повинна переробити весь вступник потік газу. Тому, наприклад, при збільшенні кількості подається в абсорбер газової суміші зростає концентрація витягується компонента в газовій суміші на виході з абсорбера. За допомогою регулятора концентрації збільшується подача абсорбенту в абсорбер, що забезпечує стабілізацію концентрації компонента в газовій суміші на виході з абсорбера. Для оптимізації процесу абсорбції підтримується низька температура газової суміші, що надходить в абсорбер, шляхом зміни витрати охолоджуючої води, яка подається в холодильник газу 9. Рівень рідини в колоні стабілізується шляхом зміни відбору рідини з неї. Системою автоматизації передбачена стабілізація рівнів рідини в збірниках. У процесі абсорбції за допомогою КВП контролюються витрати, температури, тиску технологічних потоків.

4. Технологічний розрахунок

4.1 Побудова кривої рівноваги і робочої лінії процесу

Для визначення числа теоретичних одиниць переносу необхідно в системі координат побудувати робочу лінію і лінію рівноваги.

За початковим і кінцевим концентрацій поглинається газу і поглинача будуємо робочу лінію, тобто пряму, яка проходить через точки з координатами ( , ) І ( , ). Вона розташована вище лінії рівноваги, тому що при абсорбції зміст компонента в газовій фазі вище рівноважного.

Висловимо початкову і знайдемо кінцеву концентрації газової фази в одиницях масової концентрації; для цього переведемо молярний частки в масові, скориставшись формулою (2.1).

(2.1),

мас часткою

Використовуючи формулу (2.2), переведемо масові частки у відносні масові частки.

(2.2),

відносить мас часткою

За формулою (2.3) визначимо концентрацію газу на виході з абсорбера колони.

(2.3),

відносить мас часткою

Для побудови кривої рівноваги задаємо значення " "Так, щоб прийняті значення включали в заданий інтервал і . Значення вказані в таблиці 1.

Таблиця 1

y ₁	y ₂	y ₃	y ₄	y ₅	y ₆	y ₇
0.120	0.103	0.086	0.069	0.052	0.035	0.018

Для кожного прийнятого значення " "Приймаємо температуру (в залежності від температури в абсорбері). Дані вказані в таблиці 2.

Таблиця 2

t, ^о С	20	25	30	35	40	45	50
E _атм	482,894	544,736	602,210	676,315	744,736	815,789	886,842

Користуючись формулою (2.4) визначаємо для кожного значення " "Парціальний тиск компонента в парах над рідиною.

(2.4),

атм

Для кожного значення " "(Концентрація компонента в газовій суміші) визначимо рівноважне значення" "(Концентрація компонента в поглиначі). Для визначення використовуємо формулу (2.5).

(2.5),

відносить мас часткою

За значення " "І" "Будуємо лінію рівноваги.

У залежності від ступеня поглинання газу поглиначем будуємо робочу лінію. Використовуючи значення , , і . Значення і визначимо за формулами (2.6) і (2.7).

(2.6),

(2.7),

відносить мас часткою

Доводимо кінцеву концентрацію до 3,5 10 ^-6

З графіка визначаємо, що кількість тарілок в колоні дорівнює 20.

4.2 Матеріальний баланс

Визначимо секундний витрата газу, скориставшись формулою (2.8).

(2.8),

За формулою (2.9) визначимо масова витрата газу.

ρ _г (2.9),

Використовуючи формулу (2.10) визначимо щільність газу.

ρ _г = ρ _в = (2.10),

ρ _р

Визначимо витрату поглинача по формулу (2.11).

(2.11),

Використовуючи формулу (2.12) визначимо об'ємна витрата поглинача.

(2.12),

4.3 Тепловий баланс

Процес абсорбції супроводжується виділенням тепла.

Визначимо температуру газу на виході з абсорбера, обчисливши її за формулою (2.13).

(2.13),

Визначимо теплоту розчинення газу у воді за формулою (2.14)

(2.14),

З довідника знаходимо значення

^о С

Оскільки різниця між теплотою газу на вході і виході незначна, то, передбачати відведення тепла немає необхідності.

4.4 Конструктивний розрахунок

Визначимо діаметр колони за формулою (3.1)

(3.1),

Скориставшись формулою (3.2) знайдемо оптимальну швидкість газу в колоні.

(3.2),

З ряду стандартних діаметрів приймаємо діаметр колони, рівний 2200мм.

Уточнимо швидкість газу.

Визначимо висоту колони, обчисливши її за формулою (3.3).

(3.3),

при D = 2400 з довідника виписуємо значення:

Висоту тарельчатой частини колони визначимо, використовуючи формулу (3.4).

(3.4),

4.5 Підбір стандартних конструктивних елементів

4.5.1 Підбір кришки і днища

Внутрішній діаметр дорівнює 2400 м

Висота борту дорівнює 50 мм

Висота еліптичної частини дорівнює 600 мм

Внутрішня поверхня дорівнює 6,63 м ²

Внутрішня ємність дорівнює 2,037 м ³

Товщина стінки равна20 мм

Маса дорівнює 1058 кг

4.5.2 Підбір тарілок

У барботажние абсорберах поверхню дотику фаз розвивається потоками газу, розподіляються в рідини у вигляді бульбашок і струмків. Такий рух газу, зване барботажем, здійснюється в тарілчастих колонах з колпачковой, сітчатие або провальними тарілками.

Особливістю тарілчастих колон є ступінчастий характер проведеного в них процесу - газ і рідина послідовно стикаються на окремих щаблях (тарілках) апарату.

У залежності від діаметра колонні апарати виготовляють з тарілками різних типів. У колону діаметром 2400 мм можна встановити колпачковой тарілки типу ТСК-1.

Технічні характеристики колпачковой тарілок типу ТСК-1 при діаметрі, рівному 2400 мм.

Вільне перетин колони - 4,52 м ²

Довжина лінії барботажа - 52,8 м

Периметр слива - 1,775 м

Вільне перетин тарілки - 0,557 м ²

Відносна площа для доходу парів - 12,3%

Маса - 240,8 кг

4.6 Розрахунок штуцерів

Підключення трубопроводів до судин і апаратів здійснюється за допомогою вступних труб або штуцерів. Штуцерні сполуки можуть бути роз'ємними (різьбовими, фланцевими, сальникові) і нероз'ємними (зварними, паяними, клейовими). Найбільш поширені роз'ємні з'єднання за допомогою фланцевих штуцерів. Сталеві фланцеві штуцера являють собою короткі шматки труб з привареними до них фланцями або з фланцями, що утримують на відбортовка, або з фланцями, викуваний за одне з штуцером. Залежно від товщини стінок патрубки штуцерів можуть бути тонкостінними і товстостінними. Типи штуцерів залежать від номінального (умовного) тиску і температури середовища.

Діаметр штуцерів розраховується за формулою:

Оскільки продуктивність колони велика, тому для подачі і відведення газового потоку передбачаємо по 3 штуцера.

До проектування згідно для подачі і відведення газової суміші приймемо з вуглецевої сталі зовнішнім діаметром і товщиною стінки

4.7 Розрахунок маси апарату. Підбір опор

Хімічні апарати встановлюють на фундамент найчастіше за допомогою опор. Апарати, що працюють в горизонтальному положенні, незалежно від того, де їх монтують (всередині приміщення або поза нею), встановлюють на сідлових опорах. Апарати вертикального типу, размещаеми на відкритих майданчиках, оснащують спідничні опорами - циліндричними або конічними. Найчастіше спідничні опори застосовують для апаратів колонного типу. Апарати, що встановлюються в приміщенні, можуть монтуватися або на підвісних лапах, або на стійках.

Якщо апарат встановлюють на підлозі того або іншого поверху, то при співвідношенні висоти колони до її діаметра меншим 5 використовують опорні стійки, які можуть бути вертикальними або похилими, круглого або некруглого перетину. Опорні стійки круглого перерізу застосовують, як правило, для апаратів малих обсягів. Щоб зберегти міцність обичайок і днищ апаратів при впливі на них опорних навантажень, між опорою і елементами апарату іноді поміщають спеціальну прокладку.

Число опор, визначається конструктивними міркуваннями, перевіряють розрахунковим шляхом: стійок повинна бути не менше трьох.

Маса колони розраховується за формулою

Маса тарілок розраховується за формулою

Маса максимального завантаження колони розраховується за формулою

Маса максимального навантаження на опори розраховується за формулою

Переведемо навантаження в Мега Ньютони

Хімічні апарати встановлюють на фундаменти найчастіше за допомогою опор.

Апарати вертикального типу з співвідношенням , Що розміщуються на відкритих майданчиках, оснащують так званими спідничні опорами - циліндричної або конічної форми.

Оскільки співвідношення , То ми змушені застосувати в якості опори спідничні циліндричну.

Спідничні опори бувають циліндричні або конічні. Найчастіше циліндричні спідничні опори застосовують для апаратів колонного типу.

Конструкція спідничні опор дозволяє встановлювати вертикальні колони великої висоти і надійно фіксувати

Висновок

У даній роботі була спроектована абсорбційна установка з розробкою тарельчатой колони для вилучення сірководню з його суміші з повітрям. Метою проекту є підбір контактних пристроїв, що забезпечують безперервне взаємодія стікає вниз рідини і піднімається вгору газу.

Для вилучення сірководню з його суміші з повітрям в якості поглинача була використана вода, так як вода є найбільш вигідним з економічної і хімічної точки зору поглиначем.

У ході проектування були виконаний технологічний розрахунок, а саме:

- Матеріальний баланс тарельчатой колони;

- Тепловий баланс колони;

- Конструктивний розрахунок апарату.

У матеріальному балансі даної абсорбційної установки був визначений витрата поглинача, загальний і питома.

У тепловому балансі в ході розрахунків була знайдена температура рідини на виході з абсорбера, а також збільшення температури на виході потоку з апарату, внаслідок чого було встановлено, що передбачати відведення тепла немає необхідності.

У конструктивному розрахунку здійснено підбір стандартних елементів: вибір днища і кришки, маса яких 842 кг, підбір тарілок (в даному випадку колпачковой типу ТСК-Р), розрахунок штуцерів, діаметр яких 700 і 250мм, розрахована маса колони і обрана опора для неї, визначено число реальних тарілок, рівне 27. А також визначені основні габаритні розміри апарату: діаметр колони - 2800 мм, висота циліндричної частини дорівнює 19800 мм.

Курсовий проект включає 2 креслення: 1 - Технологічна схема установки; 2 - Загальний вигляд апарата.

Список використаної літератури

1 Альперт Л.З. Основи проектування хімічних установок / Л.З. Альперт. - М.: Вища школа, 1989. - 304 с.

2 Гельперін Н.І. Основні процеси та апарати хімічної технології: навч. посібник для технікумів / Н.І. Гельперін. - М.: Хімія, 1981. - 812 с.

3 Доманський І.В. Машини та апарати хімічних виробництв / І.В. Доманський, В.П. Ісаков, Г.М. Островський, В.М. Соколов: під ред. В.Н. Соколова. - Ленінград: Машинобудування, 1982 р. - 384 с.

4 Захарова О.А. Процеси та апарати хімічної технології: навч. посібник для вузів / А.А. Захарова, Л. Т. Бахшіева, Б. П. Кондауров: під ред. А.А Захарової. - М.: Видавничий центр «Академія», 2006 р. - 528 с.

5 Іоффе І.Л. Проектування процесів і апаратів хімічної технології: навч. посібник для технікумів / І. Л. Іоффе. - Ленінград: Хімія, 1991. - 351 с.

6 Лащинський А.А. Основи конструювання і розрахунку хімічної апаратури / А.А. Лащинський, А.Р. Толчинський. - М.: Машинобудування, 1963. - 572 с.

7 Павлов К.Ф. Приклади і задачі за курсом процесів і апаратів хімічної технології / К.Ф. Павлов, П.Г. Романків, А.А. Носков. - Вид. 2-е, перероб. і доп. - Ленінград: Хімія, 1987. - 575 с.

8 Плановскій О.М. Процеси та апарати хімічної технології: навч. посібник для технікумів / О.М. Плановскій, В.М. Рамм, С.З. Каган. - М.: Госхіміздат, 1962. - 844 с.

9 Романків П.Г. Процеси та апарати хімічної промисловості: навч. посібник для технікумів / П.Г. Романків, М.І. Курочкіна, Ю.Я. Мозжерін. - Ленінград: Хімія, 1989. - 560 с.

10 Соколов В.М. Машини та апарати хімічних виробництв / В.М. Соколов. - Ленінград: Машинобудування, 1982. - 453 с.