Абсорбционная тарельчатая колонна для газовой смеси 'метанол+воздух'
Федеральное агентство по образованию
Российской Федерации
Государственное образовательное
учреждение
Высшего профессионального образования
"ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра Процессов и аппаратов
химической технологии
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по
"Процессам и аппаратам химической технологии”
на тему:
Абсорбционная тарельчатая колонна для
газовой смеси метанол+воздух
Иваново
Задание
Абсорбционная колонна для поглощения метанола из смеси с воздухом
водой по исходной смеси 1,0 м3/с при нормальных условиях. Нач.
конц-я метанола 
. В процессе поглощается 92% содержащего в
газе распределительного компонента. Температура абсорбции t=25оС, давление в колонне Р=0,1 МПа. Тип тарелок
- колпачковые.
Выполнить материальный, конструктивный и гидравлический расчеты
аппарата. Выбор вспомогательного оборудования.
Чертеж аппарата в двух проекциях с разработкой узла.
Содержание
Задание
Введение
1. Технологический расчет аппарата
1.1 Массовая доли метанола в газовой смеси на входе в
аппарат
1.2 Объемный и массовый расходы газовой смеси на входе в аппарат
1.3 Расход распределяемого компонента и инертного вещества газовой
фазы на входе в аппарат
1.4 Масса распределяемого компонента, поглощаемая водой
1.5 Масса распределяемого компонента на выходе из аппарата
1.6. Расход газовой смеси на выходе из аппарата
1.7 Средний расход газовой смеси в аппарате
1.8 Концентрация распределяемого компонента на входе и выходе из
аппарата
1.9 Построение равновесной линии
1.10 Построение рабочей линии
1.11 Расход инертной жидкой фазы
1.12 Расход воды на входе и выходе аппарата
1.13 Средняя плотность газовой фазы
1.14 Скорость газовой фазы
1.15 Диаметр аппарата (абсорбера)
1.16 Уточнение рабочих скоростей паровой фазы
1.17 Коэффициент динамической вязкости газовой смеси
1.18 Критерий Рейнольдса по газовой фазе
1.19 Коэффициент молекулярной диффузии метанола в
воздухе
1.20 Коэффициент массоотдачи по газовой фазе
1.21 Коэффициент молекулярной диффузии SО2 в воде
1.22 Критерий Прандтля
1.23 Коэффициент массоотдачи по жидкой фазе.
1.24 Коэффициенты массопередачи (Кг) по газовой фазе
1.24 Число единиц переноса тарелки
1.25 К.П.Д. тарелки
1.26 Действительное число тарелок в колонне
1.27 Высота тарельчатой и цилиндрической части колонны
2. Конструктивный расчет аппарата
2.1 Выбор конструкционного материала
2.2 Определение толщины стенки обечайки
2.3 Определение диаметров штуцеров для ввода и вывода
теплоносителей
2.3.1 Вход и выход газовой смеси
2.3.2 Вход и выход воды
2.4 Выбор крышки (днища)
2.5 Выбор основных параметров тарелки
2.6 Выбор фланцев для обечайки, люка и штуцеров аппарата
2.7 Выбор опор аппарата
3. Гидравлический расчет аппарата
3.1 Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки
3.2 Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами
поверхностного натяжения
3.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке
3.4 Общее гидравлическое сопротивление
3.5 Подбор газодувной машины
3.6 Подбор насоса для подачи воды
Заключение
Библиографический список
Введение
Абсорбцией называется процесс селективного извлечения
какого-либо компонента из газовой смеси жидкостью. Области применения
абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового
продукта (производство кислот), путем поглощения газа жидкостью; разделение
газовых смесей (получение бензола из коксового газа) на составляющие их
компоненты; улавливание вредных (Н2S, СО, влага) и ценных
(рекуперация спиртов и др.) компонентов.
При абсорбции происходит контакт жидкости
и газа; при этом масса одного из компонентов газовой фазы переносится в жидкую
фазу или наоборот (десорбция). При наличии разности концентраций или
парциальных давлений между фазами (движущая сила процесса) происходит процесс
массопередачи, который прекращается при достижении состояния равновесия.
Механизм процесса переноса массы сводится к молекулярной и турбулентной
диффузии.
При переходе из газовой фазы в жидкую энергия молекул
распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции
сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того,
общий 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. На практике различают изотермическую абсорбцию, которая проводится
при отводе тепла от жидкой фазы (абсорбента) в специальных теплообменных
устройствах, вмонтированных в контактирующие элементы аппарата, и
адиабатическую протекающую без теплообмена с окружающей средой, В последнем
случае ухудшаются условия равновесия системы при значительном упрощении
конструкции аппарата. Кроме того, изотермическим можно условно считать процесс
поглощения абсорбтива при небольшой его начальной концентрации в газе или
повышенных расходах абсорбента, когда изменение температуры жидкости
незначительно. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а
кинетика - основными уравнениями массопередачи. При расчете процесса абсорбции
удобнее выражать концентрацию распределяемого компонента в относительных
массовых или мольных долях, так как в этом случае материальные потоки фаз
характеризуются расходами инертных веществ, которые в любом сечении массообменного
аппарата остаются постоянными.
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической
абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической реакцией или
влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь. Как правило,
физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми эффектами.
На рис.1 представлена технологическая схема абсорбционной
установки. Нагретый газ на абсорбцию подается газодувкой 1 через холодильник 2
в нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на
контактный элемент (насадки).
Рис. 1. Принципиальная схема абсорбционной
установки:
1 - вентилятор (газодувка); 2,5 - холодильник; 3 - абсорбер;
4, 6 - оросители; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9, 13 - емкости для абсорбента;
10, 12 - насосы; 11 - теплообменник-рекуператор.
абсорбционная тарельчатая колонна газовый
1.
Технологический расчет аппарата
1.1 Массовая
доли метанола в газовой смеси на входе в аппарат
где - молекулярные массы компонентов газовой смеси
метанол: 
воздух: 
1.2 Объемный
и массовый расходы газовой смеси на входе в аппарат
где - температура исходной газовой смеси: tгн =250С.
абсолютное давление в аппарате: Рабс=0,1 МПа.
плотность газовой смеси на входе в аппарат
1.3 Расход
распределяемого компонента и инертного вещества газовой фазы на входе в аппарат
1.4 Масса
распределяемого компонента, поглощаемая водой
1.5 Масса
распределяемого компонента на выходе из аппарата
1.6. Расход
газовой смеси на выходе из аппарата
;
1.7 Средний
расход газовой смеси в аппарате
1.8
Концентрация распределяемого компонента на входе и выходе из аппарата
Относительно массовые доли этанола в газовой смеси
Массовые и мольные доли метанола в газовой смеси на
выходе из аппарата
1.9
Построение равновесной линии
Для построения уравнения равновесной линии (рис.2) используем
закон Рауля
где Рнас=128 мм. рт. ст - давление насыщенного пара
этанола при Р=0,1 МПа и t=25оС,
[1] рис. ХXIII с.570; В=760 мм. рт. ст. -
барометрическое давление.
При у*=ун=0,04 максимальное значение
концентрации метанола в воде:
где молекулярная масса воды 
.
Уравнение равновесной линии: 
Таблица 1
|
х
|
0
|
0,04
|
0,08
|
0,12
|
0,16
|
0, 2063
|
0,2375
|
|
у*
|
0
|
0,00674
|
0,01347
|
0,02021
|
0,02695
|
0,03475
|
0,04
|
Используя выражения:
имеем:
|
 00,07410,15460,24240,33860,4620,554
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 00,00750,015070,022760,030560,039730,046
|
|
|
|
|
|
|
|
1.10
Построение рабочей линии
Минимальный удельный расход абсорбента:
Действительное значение удельного расхода абсорбента принимают на 
больше минимального, т.е.
Уравнение рабочей линии при 
(рис.2)
При 
,
Рис. 2. Рабочая (Y=f (X)) и
равновесная (Y*=f (X)) линии
абсорбции.
1.11 Расход
инертной жидкой фазы
1.12 Расход
воды на входе и выходе аппарата
1.13 Средняя
плотность газовой фазы
Плотность газовой фазы и ее мольная концентрация на выходе из
аппарата
1.14 Скорость
газовой фазы
где: С=520 - коэффициент для колпачковых тарелок при расстоянии
между тарелками 
; [2] рис.3.4 с.35.
Свойства жидкой фазы (воды) при 
, [1] с.537
плотность 
1.15 Диаметр
аппарата (абсорбера)
Принимаем Dк=1000 мм=1,0 м.
1.16
Уточнение рабочих скоростей паровой фазы
.
1.17
Коэффициент динамической вязкости газовой смеси
Средняя мольная доля метанола в газовой смеси
Молекулярная масса газовой фазы.
Динамический коэффициент вязкости газовой смеси при 
, [1] рис. VI с.557
1.18 Критерий
Рейнольдса по газовой фазе
1.19
Коэффициент молекулярной диффузии метанола в воздухе
Коэффициенты молекулярной диффузии по паровой фазе.
где мольные объемы паров метанола и воды [1] т.6.3 с.288
;
.
1.20
Коэффициент массоотдачи по газовой фазе
1.21
Коэффициент молекулярной диффузии SО2 в воде
где коэффициенты: А=1,19 - для метанола, C=4,7 - для воды
- динамическая вязкость воды при t = 20 0C; [1] т. IX с.516
где мольные объемы газа этанола и воды [1] т.6.3 с.288
; 
;
1.22 Критерий
Прандтля
1.23
Коэффициент массоотдачи по жидкой фазе.
1.24
Коэффициенты массопередачи (Кг) по газовой фазе
,
где коэффициента распределения при равновесии определяется
графически как тангенс угла наклона касательной линии к равновесной линии
.
Таблица 2
|
i
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
00,07410,15460,24240,33860,4620,554
|
|
|
|
|
|
|
|
|
00,00750,015070,022760,030560,039730,046
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DY=Yi+1-Yi
|
|
0,0075
|
0,00757
|
0,00769
|
0,0078
|
0,00917
|
0,00627
|
|
DX=Xi+1-Xi
|
|
0,0741
|
0,0805
|
0,0878
|
0,0962
|
0,1234
|
0,092
|
|
mi=DY/DX
|
|
0,1012
|
0,094
|
0,0876
|
0,0888
|
0,0743
|
0,068
|
1.24 Число
единиц переноса тарелки
;
Dk=1000 мм, [2] т.11 с.92.
1.25 К.П.Д.
тарелки
Фактор массопередачи
Постоянная С
1.26
Действительное число тарелок в колонне
Коэффициент извлечения:
Принимаем 
.
1.27 Высота
тарельчатой и цилиндрической части колонны
,
где: принимаем
- расстояние от крышки до верхней тарелки; 
- расстояние от нижней тарелки до днища.
2.
Конструктивный расчет аппарата
2.1 Выбор
конструкционного материала
Принимаем материал аппарата - нержавеющую (легированную)
сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в газовой среде воздух+метанол и воды,
[4] т.4.23 с.59.
2.2
Определение толщины стенки обечайки
Из практических рекомендаций при диаметре обечайки D =1,0 м и давлении в аппарате
принимаем 
мм, [4] т.4.3 с.17
2.3
Определение диаметров штуцеров для ввода и вывода теплоносителей
2.3.1 Вход и
выход газовой смеси
Принимаем 
2.3.2 Вход и
выход воды
Принимаем 
2.4 Выбор
крышки (днища)
Принимаем отбортованную эллиптическую крышку (днище): [4]
т.4.4 с. 21
h=40 мм - высота борта днища;
hв=0,25Dв=0,25.1,0=0,25 м - высота днища;
d=8 мм - толщина днища; Mкр= Mдн =74,3 кг.
2.5 Выбор
основных параметров тарелки
Выбираем при D=1000 мм колпачковую тарелку
Техническая характеристика колпачковой тарелки типа ТI
1000 0,78 9,3 0,8 0,05
0,073 9 5-30 5-40
1000 37 80 110
55 15; 20 70 20; 30 0-10 39
42,7
2.6 Выбор
фланцев для обечайки, люка и штуцеров аппарата
Принимаем плоские приварные фланцы, [4] т.4.9 с.29, т.4.19
с.49
|
Р МПа
|
Dу мм
|
Dф мм
|
Dd мм
|
D1
мм
|
Dн мм
|
h мм
|
h1 мм
|
d мм
|
dб, мм
|
n шт
|
|
0,3
|
1000
|
1130
|
1090
|
1052
|
1016
|
30
|
3
|
23
|
М20
|
36
|
|
0,3
|
300
|
435
|
395
|
365
|
325
|
22
|
3
|
22
|
М20
|
12
|
|
0,3
|
50
|
110
|
90
|
57
|
13
|
3
|
14
|
М12
|
4
|
2.7 Выбор
опор аппарата
Общая масса аппарата
Масса металлоконструкций аппарата 
Масса жидкости
Масса неучтенных затрат.
Принимаем 20% от общей массы, т.е. 
Число креплений для кольцевой опоры принимаем 
Нагрузка на одну опору составит:
Принимаем цилиндрическую опору для колонных аппаратов с
приведенной минимальной нагрузкой 0,125 МПа и максимальной нагрузкой в 0,25 МН,
[5] т.14.11 с.288
Параметры опоры:
Высота опорной обечайки: 
;
Толщина опорной обечайки: 
;
Толщина опорного кольца 
;
Толщина опоры (лапы): 
;
Высота опоры (лапы): 
;
Ширина опоры: 
;
Диаметры d =60 мм, d1=90 мм, d 2=28 мм, dб=М24.
Диаметры опоры: [7] т.14.10 с.287
наружный диаметр кольца: D1 = 1,28 м;
диаметр болтовой окружности: Dб = 1,16
м;
внутренний диаметр кольца: D2 =0,95 м.
3.
Гидравлический расчет аппарата
3.1
Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки
где: 
- коэффициент сопротивления колпачковой
тарелки, [3] с.210;
- доля живого сечения тарелки, [3] с.213
3.2
Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения
,
где: поверхностное натяжение воды при 
, [1] с.537
3.3
Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке
Для нижней части колонны:
где:
h0 - высота
светлого слоя жидкости, [3] с. 207
;
Удельный расход жидкости на 1 м периметра сливного устройства
,
.
3.4 Общее
гидравлическое сопротивление
3.5 Подбор
газодувной машины
При расходе газовой смеси 
м3/с и Dрап=
(Па) выбираем газодувку марки ТВ-100-1,12
с параметрами: [3] т.10, с.42
расход V=1,67 м3/с,
напор Dр=12000 Па;
частота вращения n=48,3 с-1;
мощность эл/двигателя типа АО2-81-2: Nэл =40 кВm.
3.6 Подбор
насоса для подачи воды
При расходе воды V=Lн/r=0,1139/997=0,000114
м3/с и напоре 
выбираем центробежный насос марки Х2/25 с
параметрами: [3] т.1, с.38
расход V=0,00042 м3/с;
напор Нmax=25 м;
к. п. д. h=0,5;
частота вращения n=50 с-1;
мощность эл/двигателя типа АОЛ-12-2: Nэл=1,1 кВm.
Заключение
В данной расчетно-пояснительной записке приведены
технологический, конструктивный и гидравлический расчеты тарельчатого
абсорбера, используемого для разделения газовой смеси (воздух+метанол).
В результате технологического расчета получены следующие
параметры:
производительность по абсорбенту Lср=0,1402 кг/с;
производительность по газовой смеси Gср=1,2737 кг/с;
рабочая скорость газовой фазы Wг=1,382 м/с;
диаметр колонны Dк=1,0 м;
число тарелок 
;
В результате проведенного конструктивного расчета колонны были
определены: диаметры штуцеров для подачи газовой смеси и воды, толщина обечайки
колонны, масса аппарата. Произведен выбор фланцев, крышки, днища, тип тарелок и
опор колонны.
В результате гидравлического расчета были определены
гидравлическое сопротивление колонны и произведен выбор газодувной машины для
подачи газовой смеси и центробежного насоса для воды.
.
Барулин Е.П., Исаев В.Н. Абсорбция и ректификация: учеб. пособие по
проектированию / под ред.А.Г. Липина; Иван. гос. хим. - технол. ун-т - Иваново,
2010. - 114 с.
.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию.
Под ред. Ю.И. Дытнерского, М.: Химия, 1991. - 496 с.
.
Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели:
Методические указания /Иван. гос. хим. - техн. академ. Сост.Н.Ю. Смирнов, А.А.
Мельников, Е.В. Таланов. - Иваново, 1995. - 60 с. (№575)
.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической
аппаратуры: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.
.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.:
машиностроение, 1981. - 382 с.