Введення
Абсорбцією називають процес поглинання газу або пари рідким поглиначем (абсорбентом). Поглинання газу може відбуватися або за рахунок його розчинення в абсорбенту, або в результаті його хімічної взаємодії з абсорбентом. У першому випадку процес називають фізичної абсорбцією, а в другому випадку - хемосорбції. Можливо також поєднання обох механізмів процесу.
У промисловості абсорбція широко застосовується для виділення з газових сумішей цінних компонентів, для очищення технологічних і горючих газів від шкідливих домішок, для санітарної очистки газів і т.д.
При переході з газової фази в рідку, енергія молекул розподілюваного компонента зменшується. Тому процес абсорбції супроводжується виділенням тепла і підвищенням температури системи. Крім того, обсяг системи в процесі абсорбції зменшується за рахунок зменшення обсягу газової фази. Отже, згідно з принципом Ле-Шательє, розчинність газу в рідині збільшується при підвищенні тиску і зменшення температури процесу. Статика процесу абсорбції описується рівнянням Генрі, а кінетика - основними рівняннями массопередачи.
При абсорбції процес массопередачи протікає на поверхні зіткнення фаз. Тому в апаратах для поглинання газів рідинами (абсорберах) повинна бути створена розвинена поверхня дотику між газом і рідиною. За способом утворення цієї поверхні абсорбційні апарати можна розділити на поверхневі, барботажние і розпилює.
У абсорберах поверхневого типу поверхнею зіткнення фаз є дзеркало рідини або поверхню стікає плівки.
Насадок колони представляють собою колони, завантажені насадкою - твердими тілами різної форми; при наявності насадки збільшується поверхні зіткнення газу і рідини.
Ефективність роботи насадочного абсорбера багато в чому залежить не тільки від гідродинамічного режиму, але і від типу обраної насадки. Різноманітність застосовуваних насадок пояснюється безліччю пред'являються до них вимог: велика питома поверхня і вільний обсяг, малий гідравлічний опір газовому потоку, рівномірний розподіл абсорбенту, хороша змочуваність, корозійна стійкість, мала насипна щільність і низька вартість.
У барботажних 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 колпачкаовимі, сітчатие або провальними тарілками. Особливістю тарілчастих колон є ступінчастий характер проведеного в них процесу (на відміну від безперервного процесу в наса-нішнього колонах) газ і рідина послідовно стикаються на окремих щаблях (тарілках) апарату
У Розпилююча абсорберах поверхню зіткнення створюється шляхом розпилення рідини у масі газу на дрібні краплі. Такі абсорбери виготовляються звичайно у вигляді колон, в яких розпилення рідини проводиться зверху, а газ рухається знизу вгору.
Всі перераховані типи абсорберів мають свої переваги і недоліки. Поверхневі абсорбери малоефективні і мають обмежене застосування, головним чином для абсорбції невеликих кількостей добре розчинних газів.
Перевагою розпилювальних абсорберів є їхня простота і дешевизна, низький гідравлічний опір, а недоліками - додаткові витрати енергії на розпилення рідини, велика щільність зрошення і трудність регулювання подачі великої кількості рідини
Перевагою барботажних абсорберів є хороший контакт між фазами і можливість роботи при будь-якому, в тому числі і низьке, витраті рідини, крім того в барботажних абсорберах легко здійснити відвід теплоти. Основний недолік барботажних абсорберів складність конструкції і висока гідравлічний опір.
Насадок колони - найбільш поширений тип абсорберів. Перевагою їх є простота пристрою, особливо важлива при роботі з агресивними середовищами, тому що в цьому випадку потрібен захист від корозії тільки корпусу колони і підтримуючих насадку решіток, насадка ж може бути виконана з хімічно стійкого матеріалу. Важливою перевагою насадок колон більш низьке, ніж у барботажних абсорберах, гідравлічний опір. Однак насадочні колони мало придатні при роботі із забрудненими рідинами, при малих витратах рідини і при більше тепловиділення.
Для поглинання NH3 водою; V = 5000 м3 / год; NH3 = 0,12 мас.%
Ступінь вловлювання 96%. Температура 20 С.
Константа Генрі 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа
1. Технологічна схема
Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в барботажний абсорбер А з сітчатие тарілками. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається вода. Вода стікає по насадці вниз, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. При взаємодії фаз аміак розчиняється у воді і повітря очищається. Вода насичена аміаком самопливом надходить в приймальну ємність ПЕ, а очищене повітря викидається в атмосферу.
2. Вибір конструкційного матеріалу
Так як водний розчин аміаку при температурі 20 С ° є корозійно активною речовиною, то в якості конструкційного матеріалу для основних деталей вибираємо нержавіючу сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, яка є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600 ° С [4с59].
3. Матеріальний розрахунок абсорбера
3.1 Щільність газової суміші на вході в апарат
Мольна концентрація NH 3 в газовій суміші на вході в апарат:
= (0,12 / 17) / (0,12 / 17 + 0,88 / 29) = 0,19
де М В = 17 - мовляв. маса NH 3;
М А = 29 - мовляв. маса повітря.
Молекулярна маса вихідної суміші:
М см = М B + (1 -
) М A = 17 ∙ 0,19 +29 ∙ 0,81 = 26,72 кг / кмоль
При нормальних умовах:
r 0Н = М см / 22,4 = 26,72 / 22,4 = 1,19 кг / м 3,
при робочих умовах: t = 20 ° C; Р = 0,1 МПа:
r Н = r ОН Т 0 Р / (ТР 0) = 1,19 × 273/293 = 1,11 кг / м 3.
3.2 Масова витрата вихідної суміші на вході в апарат
G Н = V r Н = 1,39 × 1,11 = 1,54 кг / с.
V = 5000/3600 = 1,39 м 3 / с.
3.4 Витрата розподілюваного компонента та інертного речовини
G РКН = G Н н = 1,54 × 0,12 = 0,185 кг / с,
G ін = G Н (1 - н) = 1,54 × 0,88 = 1,355 кг / с.
3.5 Маса розподілюваного компонента поглиненого водою
М = G РКН 0,96 = 0,185 × 0,96 = 0,178 кг / с
Маса розподілюваного компонента в газовій фазі на виході
G РКК = G РКН - М = 0,185 - 0,178 = 0,007 кг / с
Витрата газової фази на виході:
G К = G н - М = 1,54 - 0,178 = 1,362 кг / с.
3.6 Відносна концентрація аміаку на вході і виході
= G РКН / G ін = 0,185 / 1,355 = 0,136 кг / кг,
= G РКК / G ін = 0,007 / 1,355 = 0,005 кг / кг.
3.7 Витрата інертної фази
За допомогою рівняння Генрі (1) будуємо діаграму і наносимо на неї робочу лінії процесу абсорбції:
,
де М вод = 18 - молярна маса води,
= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генрі для NH 3
0,136 = 17 × 0,276 / {29 × 0,1 [17/18 +
× (1 - 0,276 / 0,1)]}.
Вирішуючи це рівняння отримаємо = 0,069 кг / кг.
Через точку А ( = 0;
= 0,005) і точку В (
= 0,136;
= 0,069) проводимо пряму, яка є робочою лінією при мінімальному витраті води m min:
m min = tg a min = = (0,136-0,005) / 0,069 = 1,90 кг / кг.
Дійсний витрата води
m = 1,3 m min = 1,3 × 1,90 = 2,47 кг / кг,
тоді рівняння робочої лінії буде:
,
звідси кінцева концентрація аміаку у воді = 0,053.
Через точки А і С ( ;
) Проводимо дійсну робочу лінію процесу абсорбції.
Рис.1 Залежність між концентрацією аміаку в газоповітряної суміші і воді
.
Витрата води на вході:
L ін = mG ін = 2,47 × 1,355 = 3,347 кг / с.
Витрата води на виході:
L K = L ін + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг / с.
Середня витрата води:
L ср = 0,5 (L ін + L K) = 0,5 × (3,347 + 3,525) = 3,436 кг / с
Визначення діаметра абсобера
4.1 Швидкість газу в абсорбері
w = 0,05 (ρ ж / ρ г) 0,5
де ρ ж = 998 кг / м 3 - щільність води при 20 º С [1c. 537];
ρ р - щільність газової фази при середній концентрації.
Молярна концентрація на виході з апарату
y к = М В к / (М В
до + М А) = 29 × 0,005 / (29 × 0,005 +17) = 0,008
Середня мольна концентрація:
у = 0,5 (0,19 +0,008) = 0,099.
Середня молекулярна маса газової суміші:
М = М А у + (1 - у) М В = 17 × 0,099 +29 × 0,901 = 27,81 кг / моль.
Середня щільність газової фази при робочих умовах:
r г = МТ 0 Р / (22,4 ТР 0) = 27,83 × 273 ∙ 0,1 / (22,4 × 293 ∙ 01) = 1,16 кг / м 3.
w = 0,05 (998 / 1,16) 0,5 = 1,47 м / с
4.2 Діаметр абсорбера
d =
де G ср - середня витрата газової фази:
G ср = 0,5 (G H + G K) = 0,5 × (1,54 + 1,362) = 1,451.
d = (4 ∙ 1,451 / 1,47 ∙ π ∙ 1,16) 0,5 = 1,04 м.
Приймаються стандартний діаметр колони 1,0 м, тоді дійсне значення робочої швидкості газової фази:
w г = 1,47 (1,04 / 1,0) 2 = 1,59 м / с.
4.4 Характеристика стандартної тарілки
Тарілка ТЗ-1000
Робочий перетин тарілки - 0,713 м 2;
Діаметр отворів - 5 мм;
Крок отворів - 12 мм;
Відносне вільне перетин тарілки - 10%
Перетин переливу - 0,036 м 2;
Периметр зливу, L c - 0,8 м;
Маса тарілки 41,5 кг.
Розрахунок висоти абсорбера
5.1 Висота світлого шару рідини
h 0 = 0,787 q 0,2 h пер 0,56 w г m [1 - 0,31 exp (-0,11 μ x)]
де h пер = 0,04 м - висота переливний перегородки;
q - лінійна щільність зрошення;
μ х = 1,0 мПа ∙ с - в'язкість води при 20 º С [1c, 537]
m = 0,05 - 4,6 h пер = 0,05 - 4,6 ∙ 0,04 = -0,134
q = Q / L c = 0,0034 / 0,8 = 0,0043 м 3 / м ∙ с
Q = L / ρ ж = 3,436 / 998 = 0,0034 м 3 / с - об'ємна витрата води
h 0 = 0,787 ∙ 0,0043 0,2 ∙ 0,04 0,56 ∙ 1,59 -0,134 [1 - 0,31 exp (-0,11 ∙ 1,0)] = 0,029 м
5.2 Щільність зрошення
U = L / ρ ж S до
де S к = 0,785 d 2 - площа колони;
U = 3,436 / 998 ∙ 0,785 ∙ 1,0 2 = 0,0044 м 3 / м 2 ∙ з
5.3 Газосодержание барботажного шару
ε = Fr 0,5 / (1 + Fr 0,5)
де Fr - критерій Фруда:
Fr = w 2 / gh 0 = 1,59 2 / 9,8 ∙ 0,029 = 8,9
ε = 8,9 0,5 / (1 +8,9 0,5) = 0,75
5.4 В'язкість газової суміші
В'язкість повітря при 20 ° С
,
де m 0 = 17,3 × 10 -6 Па × с - в'язкість повітря при 0 ° С [1c. 513],
c = 124 - допоміжний коефіцієнт.
= 17,3 × 10 -6 × (273 +124) / (293 +124) × (293/273) 3 / 2 = 18,3 × 10 -6 Па × з
В'язкість аміаку при 20 ° С
де m 0 = 9,18 × 10 -6 Па × с - в'язкість повітря при 0 ° С [1c. 513]
c = 626 - допоміжний коефіцієнт
= 9,18 × 10 -6 × (273 +626) / (293 +626) × (293/273) 3 / 2 = 9,98 × 10 -6 Па × з
В'язкість газової суміші знайдемо знайдемо із співвідношення
або
27,81 / m см = 17 × 0,099 / 9,98 × 10 -6 + 29 × 0,901 / 18,3 × 10 -6
звідки m г = 17,4 × 10 -6 Па × з
5.5 Коефіцієнти дифузії
Коефіцієнт дифузії аміаку в повітрі:
= 17,0 × 10 -6 × 0,1 (293/273) 3 / 2 / 0,1 = 18,9 × 10 -6 м 2 / с,
D 0 = 17,0 × 10 -6 м 2 / с - коефіцієнт дифузії при стандартних умовах.
Коефіцієнт дифузії аміаку у воді: D ж = 1,8 × 10 -9 м 2 / с [1c. 540].
Коефіцієнт массоотдачи в рідкій фазі:
β жf = 6,24 ∙ 10 5 D ж 0,5 [U / (1 - ε)] 0.5 h 0 [μ г / (μ г + μ ж)] 0,5 =
= 6,24 ∙ 5 жовтня ∙ (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
β жf = 0,0013 ∙ ρ ж = 0,0013 ∙ 998 = 13,3 кг / м 2 ∙ с.
Коефіцієнт массоотдачи в газовій фазі:
β гf = 6,24 ∙ 10 5 D г 0,5 (w / ε) 0.5 h 0 [μ г / (μ г + μ ж)] 0,5 =
= 6,24 ∙ 5 жовтня ∙ (18,9 × 10 -6) 0,5 (1,59 / 0,75) 0.5 ∙ 0,029 [17,4 / (17,4 +1000)] 0,5 = 1914 , 98 м / с
β гf = 14,98 ∙ ρ г = 14,98 ∙ 1,16 = 17,4 кг / м 2 ∙ с.
5.8 Коефіцієнт массопередачи
K yf = 1 / (1 / β гf + m / β жf) = 1 / (1 / 17, 4 +1,97 / 13,3) = 4,86 кг / м 2 ∙ з
де m = 1,97 - коефіцієнт розподілу, рівний тангенсу кута на-
клону рівноважної лінії.
5.9 Рушійна сила процесу массопередачи:
Δ м =
до = 0,005 кг / кг
Δ б =
н -
рн = 0,136 - 0,104 = 0,032 кг / кг
Δ ср = (
б -
м) / ln (
б /
м) =
(0,032 - 0,005) / ln (0,032 / 0,005) = 0,0145 кг / кг
5.10 Число тарілок в абсорбері
Сумарна поверхня тарілок:
F = M / K yf Δ cp = 0,178 / 4,86 ∙ 0,0145 = 2,53 м 2
Робоча площа тарілки:
f = φ 0,785 d 2 = 0,1 ∙ 0,785 ∙ 1,0 2 = 0,0785 м 2
де φ = 10% - частка робочої площі тарілки.
Необхідну кількість тарілок:
n = F / f = 2,53 / 0,0785 = 32 шт
5.11 Висота колони
Н = Н т (n-1) + Z 1 + Z 2
де Н т = 0,5 м - відстань між тарілками;
Z 1 = 1,6 м - висота сепарації простору;
Z 2 = 2,8 м - висота кубового простору.
Н = 0,5 (32-1) +1,6 +2,8 = 19,9 м
6. Гідравлічний розрахунок колони
6.1 Гідравлічне опір сухої тарілки
Δ Р з = ζ w 2 ρ г / 2 φ 2
де ζ = 1,5 - коефіцієнт опору тарілки [2c.44];
φ = 0,1 - відносне вільне перетин колони.
Δ Р з = 1,5 ∙ 1,59 2 ∙ 1,16 / 2 ∙ 0,1 2 = 220 Па
Гідравлічний опір обумовлене силами поверхневого натягу:
Δ Р σ = 4 σ / d е. = 4 ∙ 0,07 / 0,005 = 56 Па
де σ = 0,07 Н / м - поверхневий натяг води;
d е = 0,005 м - діаметр отворів.
6.3 Гідравлічний опір газорідинного шару
Δ Р сл = ρ ж gh 0 = 998 ∙ 9,8 ∙ 0,029 = 284 Па
6.4 Повний опір тарілки:
Δ Р т = Δ Р с + Δ Р σ + Δ Р сл = 220 +56 +284 = 560 Па.
6.5 Повний опір колони:
Δ Р = 560 ∙ 32 = 17920 Па.
6.7 Підбір газодувки і насоса для подачі води
Об'ємна витрата газової суміші на вході в апарат: V = 1,39 м / с.
За повного опору колони й об'ємному витраті газової суміші вибираємо газодувки ТБ-80-1, 2 [3c.42], для якої V = 1,67 м 3 / с, а Δ Р = 20000 Па.
Об'ємна витрата води і натиск створюваний насосом:
Q = L ін / ρ ж = 3,347 / 998 = 0,0034 м 3 / с.
Воду необхідно подати на висоту рівну висоті колони, отже Н> 20 м.
За об'ємною витраті і натиску вибираємо відцентровий насос Х20/31 [3c.38], для якого Q = 0,0055 м 3 / с і Н = 25 м.
7. Конструктивний розрахунок
7.1 Товщина обичайки
= 1,0 × 0,1 / 2 × 138 × 0,8 + 0,001 = 0,003 м,
де s д = 138 МН / м 2 - напруга, що допускається [3c 394],
j = 0,8 - коефіцієнт ослаблення через зварного шва,
З к = 0,001 м - поправка на корозію.
Згідно з рекомендаціями [4 c24] приймаємо товщину обичайки d = 8 мм.
7.2 Днища
Найбільшого поширення в хімічному машинобудуванні отримали еліптичні відбортованого днища за ГОСТ 6533 - 78 [3 c.25], товщина стінки днища d 1 = d = 8 мм.
Маса днища m д = 74,3 кг.
Обсяг днища V д = 0,162 м 3.
7.3 Фланці
З'єднання обичайки з днищами здійснюється за допомогою плоских приварних фланців за ОСТ 26-428-79 [4c36]:
7.4 Штуцера
Приймаються швидкість рідини в штуцері w = 1 м / с, а для газової суміші w = 25 м / с, тоді діаметр штуцера для входу та виходу води:
d 1,2 = (3,436 / 0,785 × 1 × 998) 0,5 = 0,066 м,
приймаємо d 1,2 = 65 мм.
діаметр штуцера для входу і виходу газової суміші:
d 3,4 = (1,451 / 0,785 × 25 × 1,16) 0,5 = 0,252 м,
приймаємо d 3,4 = 250 мм.
Всі штуцера забезпечуються плоскими приварними фланцями за ГОСТ 12820-80, конструкція та розміри яких наводяться нижче:
d ум | D | D 2 | D 1 | h | n | d |
65 | 160 | 130 | 110 | 14 | 4 | 14 |
250 | 370 | 335 | 312 | 21 | 12 | 18 |
7.5 Розрахунок опори
Апарати вертикального типу з співвідношенням Н / D> 5,
розміщуються на відкритих майданчиках, оснащують так званими спідничні циліндричними опорами, конструкція яких наводиться на малюнку.
Орієнтовна маса апарату.
Маса обичайки
m об = 0,785 (D н 2-D вн 2) Н про ρ
де D н = 1,016 м - зовнішній діаметр колони;
D вн = 1,0 м - внутрішній діаметр колони;
Н про = 20 м - висота циліндричної частини колони
ρ = 7 900 кг / м 3 - щільність сталі
m об = 0,785 (1,016 2 -1,0 2) 20,0 · 7900 = 4000 кг
Загальна маса колони. Приймаємо, що маса допоміжних пристроїв (штуцерів, вимірювальних приладів, люків і т.д.) становить 10% від основної маси колони, тоді
m к = m про + m т + 2m д = 1,1 (4000 +32 ∙ 41,5 +2 · 74,3) = 6024 кг
Маса колони заповненої водою при гідровипробувань.
Маса води при гідровипробувань
m в = 1000 (0,785 D 2 H ц.об + 2V д) = 1000 (0,785 · 1,0 2 · 20 + 2.0, 162) = 16024 кг
Максимальна вага колони
m max = m к + m в = 6024 +16024 = 22048 кг = 0,216 МН
Приймаються внутрішній діаметр опорного кільця D 1 = 0.94 м, зовнішній діаметр опорного кільця D 2 = 1,1 м.
Площа опорного кільця
А = 0,785 (D 2 2 - D 1 2) = 0,785 (1,10 2 - 0,94 2) = 0,256 м 2
Питоме навантаження опори на фундамент
s = Q / A = 0,216 / 0,256 = 0,84 МПа <[s] = 15 МПа - для бетонного фундаменту.
Література
Павлов К.Ф., Романків П.Г., Носков А.А. Приклади і задачі за курсом процесів і аппаратов.Л.: Хімія, 1987, 576 с.
Розрахунок і проектування масообмінних апаратів. Навчальний посібник. - Іваново. 1984.
Основні процеси та апарати хімічної технології: Посібник з проектування / За ред. Ю.І. Дитнерского. М.: Хімія, 1983. 272 с.
Розробка конструкції хімічного апарату і його графічної моделі. Методичні вказівки. - Іваново, 2004.