Расчет тарельчатого абсорбера

метки: Абсорбер, Расчет, Адсорбер, Процесс, Барботажный, Поверхность, Соприкосновение, Высота

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.

Процессы переработки газов и газовых конденсатов под высоким давлением

... ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ На заводах по переработке газа технологическим циклом существуют пять основных технологических процессов: Прием, замер и подготовка нефтяного газа к переработке (сепарация, очистка, сушка); Компримирование газа ... с воздухом УВ образуют гремучую смесь, способную взрываться при соприкосновении с огнем. Сила взрыва имеет наибольшие значения тогда, когда ...

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.

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

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

3.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат

Мольная концентрация NH ₃ в газовой смеси на входе в аппарат:

Объемные и скоростные счетчики количества и расхода жидкости, газа и пара

... значительной мере отсутствует у объемных счетчиков, поэтому ими измеряют количество чистых промышленных жидкостей, нефтепродуктов и сжиженных газов, т. е. жидкостей с широким диапазоном изменения ... количества воды при больших расходах в промышленных системах водоснабжения; счетчики с тангенциальными турбинками -- для измерения количества воды при малых расходах (например, в бытовых водопроводах и ...

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

где М _В = 17 — мол. масса NH₃ ;

М _А = 29 — мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

М _см = М_B + (1-)М_A = 17•0,19+29•0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

_{0 Н} = М_см / 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м³ ,

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

_Н = _ОН Т₀ Р/(ТР₀ ) = 1,19273/293 = 1,11 кг/м³ .

3 .2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат

G _Н = V_Н = 1,391,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м ³ /с.

3 .4 Расход распределяемого компонента и инертного вещества

G _ркн = G_{Н н} = 1,540,12 = 0,185 кг/с,

G _ин = G_Н (1 — _н ) = 1,540,88 = 1,355 кг/с.

3.5 Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = G _ркн 0,96 = 0,1850,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

G _ркк = G_ркн — М = 0,185 — 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

G _К = G_н — М = 1,54- 0,178 = 1,362 кг/с.

3 .6 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе

= G _ркн / G_ин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= G _ркк / G_ин = 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 М _вод = 18 — молярная масса воды,

= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH ₃

0,136 = 170,276 /{290,1[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 m _min :

m _min = tg_min = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3m _min = 1,31,90 = 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:

L _ин = mG_ин = 2,471,355= 3,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

L _K = L_ин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

L _ср = 0,5(L_ин + L_K ) = 0,5(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. Определение диаметра абсобера

4.1 Скорость газа в абсорбере

w = 0,05(с _ж /с_г )^0,5

Стабилизация газового конденсата АГКМ

... для стабилизации нестабильного газового конденсата при следующих исходных данных: нестабильный газовый конденсат имеет следующий состав (масс. доли) ... тарелок определяется с учетом эффективности выбранного типа тарелок: (15) где h?- коэффициент полезного действия тарелки: для клапанной тарелки ... стабильном конденсате должно составлять? R=0,99 масс. доли; начальная температура охлаждающей воды tB=20?C; ...

где с _ж = 998 кг/м³ — плотность воды при 20 ?С [1c. 537];

с _г — плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

y _к = М_{В к} /(М_{В к} +М_А ) = 290,005/(290,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = М _А у+(1 — у)М_В = 170,099+290,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

_г = МТ₀ Р/(22,4ТР₀ ) = 27,83273•0,1/(22,4293•01) = 1,16 кг/м³ .

w = 0,05(998/1,16) ^0,5 = 1,47 м/с

4.2 Диаметр абсорбера

d =

где G _ср — средний расход газовой фазы:

G _ср = 0,5(G_H + G_K ) = 0,5(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4•1,451/1,47•р•1,16) ^0,5 = 1,04 м.

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

w _г = 1,47(1,04/1,0)² = 1,59 м/с.

4.4 Характеристика стандартной тарелки

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки — 0,713 м ² ;

• Диаметр отверстий — 5 мм;
• Шаг отверстий — 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки — 10%

Сечение перелива — 0,036 м ² ;

Периметр слива, L _c — 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

5. Расчет высоты абсорбера

5.1 Высота светлого слоя жидкости

h ₀ = 0,787q^0,2 h_пер ^0,56 w_г ^m [1 — 0,31exp(-0,11м_x )]

где h _пер = 0,04 м — высота переливной перегородки;

• q — линейная плотность орошения;

м _х = 1,0 мПа•с — вязкость воды при 20 ?С [1c,537]

m = 0,05 — 4,6h _пер = 0,05 — 4,6•0,04 = -0,134

q = Q/L _c = 0,0034/0,8 = 0,0043 м³ /м•с

Q = L/с _ж = 3,436/998 = 0,0034 м³ /с — объемный расход воды

h ₀ = 0,787•0,0043^0,2 •0,04^0,56 •1,59^-0,134 [1 — 0,31exp(-0,11•1,0)] = 0,029 м

5.2 Плотность орошения

U = L/с _ж S_к

где S _к = 0,785d² — площадь колонны;

U = 3,436/998•0,785•1,0 ² = 0,0044 м³ /м² •с

5.3 Г азосодержание барботажного слоя

е = Fr ^0,5 /(1+Fr^0,5 )

где Fr — критери Фруда:

Fr = w ² /gh₀ = 1,59² /9,8•0,029 = 8,9

е = 8,9 ^0,5 /(1+8,9^0,5 ) = 0,75

5.4 Вязкость газовой смеси

Вязкость воздуха при 20 С

где ₀ = 17,310^-6 Пас — вязкость воздуха при 0 С [1c. 513],

c = 124 — вспомогательный коэффициент.

= 17,310 ^-6 (273+124)/(293+124)(293/273)^3/2 = 18,310^-6 Пас

Вязкость аммиака при 20 С

где ₀ = 9,1810^-6 Пас — вязкость воздуха при 0 С [1c. 513]

c = 626 — вспомогательный коэффициент

= 9,1810 ^-6 (273+626)/(293+626)(293/273)^3/2 = 9,9810^-6 Пас

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / _см = 170,099/9,9810^-6 + 290,901/18,310^-6

откуда _г = 17,410^-6 Пас

5.5 Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,010 ^-6 0,1(293/273)^3/2 /0,1 = 18,910^-6 м² /с,

D ₀ = 17,010^-6 м² /с — коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: D _ж = 1,810^-9 м² /с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

в _жf = 6,24•10⁵ D_ж ^0,5 [U/(1-е)]^0.5 h₀ [м_г /(м_г +м_ж )]^0,5 =

= 6,24•10 ⁵ •(1,810^-9 )^0,5 [0,0044/(1-0,75)]^0.5 •0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 0,013 м/с

в _жf = 0,0013•с_ж = 0,0013•998 = 13,3 кг/м² •с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

в _гf = 6,24•10⁵ D_г ^0,5 (w/е)^0.5 h₀ [м_г /(м_г +м_ж )]^0,5 =

= 6,24•10 ⁵ •(18,910^-6 )^0,5 (1,59/0,75)^0.5 •0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 14,98 м/с

в _гf = 14,98•с_г = 14,98•1,16 = 17,4 кг/м² •с.

5.8 Коэффициент массопередачи

K _yf = 1/(1/в_гf + m/в_жf ) = 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:

Д _м = _к = 0,005 кг/кг

Д _б = _н — _рн = 0,136 — 0,104 = 0,032 кг/кг

Д _ср = (_б — _м )/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/K _yf Д_cp = 0,178/4,86•0,0145 = 2,53 м²

Рабочая площадь тарелки:

f = ц0,785d ² = 0,1•0,785•1,0² = 0,0785 м²

где ц = 10% — доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11 Высота колонны

Н = Н _т (n-1)+Z₁ +Z₂

где Н _т = 0,5 м — расстояние между тарелками;

Z ₁ = 1,6 м — высота сепарационного пространства;

Z ₂ = 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

ДР _с = жw² с_г /2ц²

где ж = 1,5 — коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

• ц = 0,1 — относительное свободное сечение колонны.

ДР _с = 1,5•1,59² •1,16/2•0,1² = 220 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами повер хностного натяжения:

ДР _у = 4у/d_э = 4•0,07/0,005 = 56 Па

где у = 0,07 Н/м — поверхностное натяжение воды;

d _э = 0,005 м — диаметр отверстий.

6.3 Гидравлическое сопротивление г азожидкостного слоя

ДР _сл = с_ж gh₀ = 998•9,8•0,029 = 284 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки:

ДР _т = ДР_с +ДР_у +ДР_сл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5 Полное сопротивление колонны:

ДР = 560•32 = 17920 Па.

6.7 Подбор газ одувки 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 м ³ /с, а ДР = 20000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = L _ин /с_ж = 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 м ³ /с и Н=25 м.

7. Конструктивный расчет

7 .1 Толщина обечайки

= 1,00,1/21380,8 + 0,001 = 0,003 м,

где _д = 138 МН/м² — допускаемое напряжение [3c 394],

= 0,8 — коэффициент ослабления из-за сварного шва,

С _к = 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 m _д = 74,3 кг.

Объем днища V _д = 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:

d _1,2 = (3,436/0,7851998)^0,5 = 0,066 м,

принимаем d _1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d _3,4 = (1,451/0,785251,16)^0,5 = 0,252 м,

принимаем d _3,4 = 250 мм.

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

d усл	D	D 2	D 1	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 приводится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

m _об = 0,785(D_н ² -D_вн ² )Н_об с

где D _н = 1,016 м — наружный диаметр колонны;

D _вн = 1,0 м — внутренний диаметр колонны;

Н _об = 20 м — высота цилиндрической части колонны

с = 7900 кг/м ³ — плотность стали

m _об = 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

m _к = m_об + m_т + 2m_д = 1,1(4000+32•41,5+2·74,3) = 6024 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

m _в = 1000(0,785D² H_ц.об + 2V_д ) = 1000(0,785·1,0² ·20 + 2·0,162) = 16024 кг

Максимальный вес колонны

m _max = m_к + m_в = 6024 +16024 =22048 кг = 0,216 МН

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

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D ₂ ² — D₁ ² ) = 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

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-absorbera/

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.