Расчет абсорбционной установки

Расчет абсорбционной установки

Реферат

Расчет абсорбционной установки:

АБСОРБЕР, НАСАДКА, АММИАК, ПОГЛОТИТЕЛЬ, АБСОРБЕНТ, АБСОРБАТ, КОЛОННА, ТЕПЛООБМЕННИК, НАСОС, КОМПРЕССОР.

Объект исследования и разработки - установка для очистки воздуха от аммиака.

Цель работы - выбор аппаратов для осуществления процесса очистки воздуха от аммиака и их расчет.

В курсовой работе приведены обоснование и расчет аппарата, применяемого для абсорбции аммиака - насадочного абсорбера с насадкой: керамические кольца Рашига, осуществлен подбор вспомогательного оборудования: теплообменников, насосов и вентилятора.

В результате проектирования была теоретически обоснована и рассчитана линия абсорбции аммиака.

Содержание

Введение

. Принципиальная схема установки

. Расчет насадочного абсорбера

.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

.2 Движущая сила массопередачи

.3 Коэффициент массопередачи

.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов

. Расчет вспомогательного оборудования

.1 Расчет теплообменников

.1.1 Расчет холодильника для газовой смеси

.1.2 Расчет холодильника

.1.3 Расчет теплообменника-рекуператора

.2 Расчет центробежного насоса

.3 Расчет газодувки

Заключение

Библиографический список

Введение

В последнее время с ускорением научно-технического прогресса, непрерывно растёт значение химической промышленности в жизни человечества. Особую роль здесь играют физико-химические процессы - массообмен и теплообмен. Получение тех или иных продуктов химической промышленности связано с проведением процессов абсорбции, ректификации. Перед данными процессами стоят широкие перспективы, особенно перед абсорбцией. Абсорбция - один из эффективных методов очистки газов. Особенно это актуально в наше время, когда экологическая обстановка на планете становится всё хуже. Внедрение абсорбции во все отрасли народного хозяйства, в качестве метода очистки газов вызывает немедленное улучшение экологической обстановки. Получение таких веществ как ацетон, аммиак и других органических соединений идёт с применением процесса абсорбции. Перед последним открываются большие возможности улучшения интенсификации процесса.

Абсорбционные процессы являются основной технологичекой стадией ряда важнейших производств: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты, абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа и т.д.

. Принципиальная схема установки

На рисунке (1.1) представлена принципиальная схема абсорбции.

Рисунок 1.1 - принципиальная схема процесса

Газ на абсорбцию, перед тем как пройти через газодувку 2, попадает в холодильник 1. После газодувки газ направляется в нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент - насадку. Абсорбент из промежуточной емкости 10 насосом 11 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 5. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 4, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 14, откуда насосом 13 направляется на регенерацию в десорбер 8 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 12. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 9, обогреваемом насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 12, дополнительно охлаждается в холодильнике 6.

. Расчет насадочного абсорбера

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи [1]:

, (2.1)

где  - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²*с).

.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу NH₃, переходящего в процессе абсорбции из загрязненного воздуха в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

, (2.2)

где - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;  - начальная и конечная концентрация аммиака воде, кг NH₃/кг H₂O;  - начальная и конечная концентрация аммиака в газе, кг NH₃/кг воздуха.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности:

, (2.3)

 кг NH₃/кг воздуха,

где  - молярная масса аммиака;

 - молярная масса воздуха.

, (2.4)

 кг NH₃/кг воздуха,

, (2.5)

 кг NH₃/кг H₂O.

Конечная концентрация аммиака в поглотительной воде  обуславливает его расход, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому  выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Заданный коэффициент избытка поглотителя имеет значение . В этом случае конечную концентрацию  определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (см. рис. 2.1 и 2.2):

, (2.6)

Уравнение равновесной линии имеет вид [2]:

, (2.7)

, (2.8)

где  - коэффициент распределения, кг H₂O/кг воздуха;

 - молярная масса воды;

 - коэффициент Генри, Па;

 - общее давление смеси газов, Па.

 Па [3].

Известно, что равновесная линия проходит через начало координат. Найдем значение  при  и построим равновесную линию по двум точкам:

0,4007.

1 - равновесная линия: 2 - рабочая линия

Рисунок 2.1 - Зависимость между содержанием аммиака в воздухе Y, кг NH₃/кг воздуха и поглощающей воде X, кг NH₃/кг H₂O

Рисунок 2.2 - Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере

Отсюда:

 кг NH₃/кг H₂O

где  - концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава.

Расход инертной части газа:

, (2.9)

где  - средняя плотность аммиака при нормальных условиях;

 - объемная доля аммиака в газе, равная:

, (2.10)

 м³ NH₃/м³ воздуха.

Тогда:

 кг/с.

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

, (2.11)

 кг/с.

Расход поглотителя (воды) равен:

, (2.12)

 кг/с.

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит:

, (2.13)

.

.2 Движущая сила массопередачи

Движушая сила в соответствии с уравнением (2.1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз. принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

, (2.14)

где  и  - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг NH₃/кг воздуха (рис. 2.1 и 2.2).

В данном примере:

, (2.15)

, (2.16)

где  и  - концентрации аммиака в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 2.1):

 кг NH₃/кг воздуха,

 кг NH₃/кг воздуха,

кг NH₃/кг воздуха.

.3 Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи  находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

, (2.17)

где  и  - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м²*с).

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса - нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу - необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению - создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при сильно изменяющихся нагрузках по газу, возможность быстро и дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т. д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральные насадки.

В рассматриваемом примере выберем насадку - керамические кольца Рашига, размером 50×50×5 мм. Удельная поверхность насадки a = 90 м²/м³, свободный объем ε = 0,785 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,035 м, насыпная плотность  = 530 кг/м³.

2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:

, (2.18)

где  - предельная фиктивная скорость газа, м/с;

 и  - плотность поглощающей воды и смеси воздуха с аммиаком, кг/м³;

,  - вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 20°С, Па*с;

А, В - коэффициенты, зависящие от типа насадки;

L и G - расходы фаз, кг/с.

Для колец Рашига внавал значения коэффициентов А = -0,073 и В = 1,75.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

, (2.19)

 кг/м³.

По правилу аддитивности рассчитаем , :

, (2.20)

, (2.21)

 кг/м³,

×

× Па*с.

где  и  - плотность чистых аммиака и воды при 20°С, кг/м³;

 - вязкость жидкого аммиака, Па*с.

Предельную скорость  находим из уравнения (2.18), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

=

=.

Решая это уравнение, получим  м/с.

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Обычно рабочую скорость  принимают равной 0,75-0,9 от предельной, т.о.  м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

, (2.22)

где  - объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с.

Отсюда:

 м.

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера  м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

, (2.23)

 м/с.

.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

, (2.24)

где  - площадь поперечного сечения абсорбера, м².

Подставив, получим:

 м³/(м²*с).

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости (особенно в абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по сечению колонны.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения , выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения U_min находят по соотношению [4]:

, (2.25)

где  - эффективная линейная плотность орошения, м²/с.

Для колец Рашига размером 75 мм и хордовых насадок с шагом более 50 мм м²/с; для всех остальных насадок м²/с.

 м³/(м²*с).

Коэффициент смачиваемости насадки  для колец Рашига при заполнении колонны внавал можно определить из следующего эмпирического уравнения [5]:

, (2.26)

где  - поверхностное натяжение, мН/м;

 - диаметр насадки, см;

.

По правилу аддитивности  рассчитывается и имеет вид:

, (2.27)

где  и  - поверхностное натяжение аммиака и воды соответственно, мН/м.

 мН/м.

×

×.

При абсорбции водой и водными растворами хорошо растворимых газов смоченная поверхность насадки уменьшается [3]. Поэтому полная смачиваемость достигается при более высоких значениях Г. Для таких систем значение  может быть рассчитано по уравнению:

, (2.28)

, (2.29)

где А - коэффициент который зависит от краевого угла смачивания и изменяется в пределах 0,12-0,17;  - разница между поверхностным натяжением жидкости, подаваемой на орошение колонны, и жидкости, вытекающей из нее;  - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;  - вязкость газа.

Вязкость газов находится по правилу аддитивности:

×

× Па*с,

.

Поверхностное натяжение жидкости вытекающей из колонны рассчитывается по формуле (2.27), используя концентрацию поглотительной воды на выходе:

 мН/м.

Зависимость вязкости от температуры для аммиака, , и воздуха, , можно выразить формулой [6]:

, (2.30)

где  и  - вязкости газа при заданной температуре и 0°С;

 - температура газа;

 - константа, зависящая от свойств газа, для аммиака и воздуха соответственно равны 626 и 122.

 Па*с,

 Па*с,

Разница между поверхностным натяжением жидкости, подаваемой на орошение колонны, и жидкости, вытекающей из нее имеет вид:

, (2.31)

 мН/м

×

× кг/(м*с)

Доля активной поверхности насадки  может быть найдена по формуле [4]:

, (2.32)

где  и  - коэффициенты, зависящие от типа насадки [4]. Подставив численные значения, получим:

.

Как видим, не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое число точек орошения n на 1 м² поперечного сечения колонны [4]. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства [4].

.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи в газовой фазе  можно найти из уравнения:

, (2.33)

, (2.34)

где  - диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда  равен:

, (2.35)

, (2.36)

где  - средний коэффициент диффузии аммиака в газовой фазе, м²/с;

 - диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы, Па*с.

Коэффициент диффузии аммиака в газе можно рассчитать по уравнению [1, 2, 4, 6]:

, (2.37)

где  и  - мольные объемы аммиака и загрязненного воздуха в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³/моль [7];

Подставив, получим:

 м²/с,

,

 м/с.

Выразим  в выбранной для расчета размерности:

, (2.38)

 кг/(м²*с).

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе  находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок [4, 6]:

, (2.39)

, (2.40)

где  - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда  (в м/с) равен:

, (2.41)

, (2.42)

, (2.43)

, (2.44)

где  - средний коэффициент диффузии аммиака в поглотительной воде, м²/с;

 - приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

 - модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

 - диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

В разбавленных растворах коэффициент диффузии  может быть достаточно точно вычислен по уравнению [2, 4]:

, (2.45)

где  - мольная масса поглотительной воды, кг/кмоль;

 - температура воды, К;

 - вязкость поглотительной воды, мПа*с;

 - мольный объем аммиака, см³/моль;

 - параметр, учитывающий ассоциацию молекул, для воды  [4].

Молярная масса поглотительной воды рассчитывается по правилу аддитивности и равна:

абсорбция аммиак теплообменник насос

, (2.46)

 кг/кмоль.

Подставив, получим:

 м²/с;

 м;

;

;

 м/с.

Выразим  в выбранной для расчета размерности:

, (2.47)

 кг/(м²*с).

По уравнению (2.17) рассчитаем коэффициент массопередачи в газовой фазе:

 кг/(м²*с).

2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (2.1) равна:

 м² .

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле

, (2.48)

Подставив численные значения, получим:

 м.

Обычно высота скрубберов не превышает 40-50 м, в нашем случае это условие выполняется.

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции  м, общее число секций в колонне составляет 4.

Общую высоту абсорбционной установки определяют по формуле:

, (2.49)

где  - высота насадки в одной секции;

 - число секций;

 - высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;

 и  - соответственно расстояние от верха насадки до крышки и расстояние между днищем и низом насадки.

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой  определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера  зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Согласно [1], примем эти расстояния равными соответственно 2,5 и 1,4 м. Тогда общая высота абсорбера:

 м.

.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов

Гидравлическое сопротивление  обусловливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину  рассчитывают по формуле [4]:

, (2.50)

где  - гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па;

U - плотность орошения, м³/(м²*с);

b - коэффициент, значения которого для колец Рашига внавал равен  [3].

Гидравлическое сопротивление сухой насадки  определяют по уравнению:

, (2.51)

, (2.52)

где  - скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;

 - коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок рассчитывается по формуле для турбулентного режима движения ():

. (2.53)

,

 м/с,

 Па,

 Па.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.). которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по-разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе [2, 4].

. Расчет вспомогательного оборудования

После расчета абсорбционной колонны приступают к расчетам вспомогательного оборудования: теплообменников, вентилятора, насосов.

.1 Расчет теплообменников

.1.1 Расчет холодильника для газовой смеси

Так как газовую смесь необходимо охладить от 137 ºС до 20 ºС, то мы охладим её охлаждающей водой. В трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. газовую смесь. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.

Примем, что вода в теплообменнике нагревается от 8 ºС до 29 ºС.

Рисунок 3.1 - температурная схема процесса 

Из рисунка видно, что:

 ºС,

 ºС.

В виду того, что

,

то среднелогарифмическая разница температур , ºС, определяется по формуле:

, (3.1)

 ºС.

Средние температуры воды и газовой смеси рассчитываются по формуле:

, (3.2)

где  и  - начальная и конечная температуры компонента.

Индексами 1 и 2 обозначим газовую смесь и воду соответственно.

Средняя температура воды:

 ºС.

Средняя температура газовой смеси:

 ºС.

Тепловая нагрузка определяется по формуле:

, (3.3)

где  - массовый расход газовой смеси, кг/с;

 и  - соответственно начальная и конечная температуры газовой смеси, ºС;

 - теплоёмкость газовой смеси при .

 - массовый расход охлаждающей воды, кг/с;

 и  - соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, ºС;

 - теплоёмкость охлаждающей воды при t₂.

В таблице (3.1) представлены физико-химические характеристики при температурах  и .

Таблица 3.1 - физико-химические характеристики

Переведем расход по формуле (3.4) в требуемую размерность.

, (3.4)

 кг/с.

 Вт.

Рассчитаем расход охлаждающей воды по уравнению:

, (3.5)

 кг/с.

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.1) и примем ориентировочное значение , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

, (3.6)

где  - внутренний диаметр трубы.

для труб диаметром  мм:

;

для труб диаметром  мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению:  Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

, (3.7)

 м².

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по формуле:

, (3.8)

, (3.9)

, (3.10)

, (3.11)

, (3.12)

, (3.13)

где  - поправка для среднелогарифмической разности температур;

 - средняя температура;

, ,  и  - параметры зависящие от начальных и конечных температур охлаждающей воды и газовой смеси.

,

,

,

,

,

 ºС.

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

 м².

Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

 мм;  мм; ; ;  м²;  м.

Находим  и  по формулам (3.15-3.16), необходимые значения возьмем из таблицы (3.1):

, (3.14)

, (3.15)

,

.

В соответствии с формулой (3.17) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:

, (3.16)

 Вт/(м²*К).

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее  ºС).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками  м²; тогда:

, (3.17)

, (3.18)

,

.

После расчетов находим  по формуле:

, (3.19)

 Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления  м²*К/Вт,  м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем  Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

, (3.20)

где  - толщина стенки, м.

 м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

, (3.21)

 Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

 м².

Запас составит:

, (3.22)

 %.

Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости газа в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам  м²:

, (3.23)

 м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

, (3.24)

где  - относительная шероховатость труб;

 - высота выступов шероховатостей, принимаем  мм.

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере  м, а скорость в штуцерах равна:

, (3.25)

 м/с.

В соответствии с формулой (3.28) гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

, (3.26)

×

× Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

, (3.27)

.

Округляя в большую сторону, получим . Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров к кожуху  м. скорость потока в штуцерах составит:

, (3.28)

 м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью  м² равна:

, (3.29)

 м/с.

В соответствии с формулой (3.32) сопротивление межтрубного пространства равно:

, (3.30)

,

×

× Па.

.1.2 Расчет холодильника

По аналогичной схеме с формулам произведем расчет холодильника, который охлаждает поглощающую воду, идущую на абсорбцию.

Вода на абсорбцию поступает с  ºС и охлаждается до  ºС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем теплоноситель с меньшим расходом, т.е. воду на абсорбцию. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.

Примем, что охлаждающая вода в теплообменнике нагревается от 8 ºС до 27 ºС.

Рисунок 3.1 - температурная схема процесса 

Из рисунка видно, что:

 ºС,

 ºС.

В виду того, что

,

то среднелогарифмическая разница температур , ºС, равна:

.

Индексами 1 и 2 обозначим воду, идущую в абсорбционную установку и охлаждающую воду соответственно.

Средняя температура охлаждающей воды:

 ºС.

Средняя температура воды на абсорбцию:

 ºС.

Массовый расход воды на абсорбер принимаем полученное ранее при расчете колонны, т.е.  кг/с.

В таблице (3.2) представлены физико-химические характеристики при температурах  и .

Таблица 3.2 - физико-химические характеристики

Тепловая нагрузка получится:

 Вт.

Рассчитаем расход охлаждающей воды:

 кг/с.

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.2) и примем ориентировочное значение , что соответствует переходному режиму течения в трубах. Такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром  мм:

;

для труб диаметром  мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению:  Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

 м².

Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 325 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов . В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Найдем поправку для среднелогарифмической разности температур и определим среднюю температуру:

, ,

,

,

,

 ºС.

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

 м².

Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

 мм;  мм; ; ;  м²;  м.

Находим  и :

,

.

Получили что  коэффициент теплоотдачи к жидкости будет равен:

. (3.31)

 Вт/(м²*К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками  м²; тогда:

,

.

После расчетов находим  по формуле (3.32), где поправкой  здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее  ºС):

, (3.32)

 Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления  м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем  Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

 м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

 Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

 м².

Выбранный ранее теплообменник не подходит, его площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник с учетом новой рассчитанной поверхностью:  мм;  мм; ; ; м²;  м. В этом случае запас составит:

 %.

Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам  м²:

 м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере  м, а скорость в штуцерах равна:

 м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

×

× Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

.

Округляя в большую сторону, получим . Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров к кожуху  м. скорость потока в штуцерах составит:

 м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью  м² равна:

 м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно:

,

×

× Па.

.1.3 Расчет теплообменника-рекуператора

Индексами 1 и 2 обозначим воду на абсорбцию и воду на регенерацию соответственно.

Поток воды на абсорбцию поступает с  ºС и из расчетов выше охлаждается до  ºС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем воду на регенерацию, а в межтрубном пространстве с необходимым расходом  кг/с будет вода на абсорбцию соответственно. Вода, выходящая из абсорбера, имеет заданную температуру в колонне, т.е.  ºС, зададимся что после теплообменника-рекуператора выходить будет при  ºС.

Составим температурную схему.

Рисунок 3.3 - температурная схема процесса 

Из рисунка видно, что:

 ºС,

 ºС.

В виду того, что

,

то среднеарифметическая разница температур , ºС, определяется по формуле:

, (3.33)

 ºС.

Средняя температура воды на регенерацию:

 ºС.

Средняя температура воды на абсорбцию:

 ºС.

Вычислим тепловую нагрузку:

 Вт.

Рассчитаем расход воды на регенерацию:

 кг/с.

В таблице (3.3) представлены физико-химические характеристики при температурах  и .

Таблица 3.3 - физико-химические характеристики

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.3) и примем ориентировочное значение , что соответствует переходному режиму режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром  мм:

;

для труб диаметром  мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению:  Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

 м².

Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 273 мм. При этом выбрать можно только одноходовой аппарат. В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, т.е. при расчете теплообменника-рекуператора находить и учитывать поправку не будем. Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

 мм;  мм; ; ;  м²;  м.

Рассчитаем параметры в трубном пространстве.

Находим  и , необходимые значения возьмем из таблицы (3.3):

,

.

Находим критерий , для выбора , плотности  кг/м³ и  кг/м³ соответственно при  ºС и  ºС:

, (3.34)

, (3.35)

,

.

В соответствии с формулой (3.36) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:

, (3.36)

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее  ºС).

×

× Вт/(м²*К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками  м²; тогда:

,

.

После расчетов находим  по формуле (3.32):

 Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления  м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем  Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

 м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

 Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

 м².

Выбранный ранее теплообменник не подходит, его площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник с учетом новой рассчитанной поверхностью:  мм;  мм; ; ;  м²;  м. В этом случае запас составит:

 %.

Далее производим гидравлический расчет. Находим воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам  м²:

 м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере  м, а скорость в штуцерах равна:

 м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

×

× Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

.

Округляя в большую сторону, получим . Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров к кожуху  м. скорость потока в штуцерах составит:

 м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью  м² равна:

 м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно:

,

×

× Па.

.2 Расчет центробежного насоса

Подбираем насос для перекачивания поглотительной воды при средней температуре 55 ºС из открытой емкости в абсорбер. Геометрическая высота подъема воды 17,4 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 30м. Плотность поглотительной воды возьмем  кг/м³, тогда расход воды составляет  м³/с.

Выберем трубопровод. Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр по формуле равен:

, (3.37)

 м.

Выбираем стальную трубу наружным диаметром  мм и толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы  мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:

 м/с.

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

Определим потери на трение и местные сопротивления.

Найдем критерий Рейнольдса:

, (3.38)

где вязкость примем  Па*с.

,

т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной  м. Тогда :

 м.

Далее получим:

;

.

Таким образом, в трубопроводе автомодельная зона, для которой соответствует формула:

, (3.39)

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

прямоточные вентили: для  м ;

колено с углом 90 º: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии равна:

.

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

, (3.40)

 м.

Для нагнетательной линии:

прямоточные вентили: для  м ;

колено с углом 90 º: ;

выход из трубы: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии равно:

.

Потерянный напор в нагнетательной линии по формуле (3.40):

 м.

Потеря напора в теплообменнике-рекуператоре:

, (3.41)

 м.

Потеря напора в холодильнике для воды на абсорбцию находится по формуле (3.41):

 м.

Общие потери напора находят просуммировав все известные потери:

 м.

В условии дано что вода перекачивается из емкости находящейся под атмосферным давлением в абсорбер с аналогичным давлением. Таким образом формула для нахождения потребного напора насоса приводится к следующей:

, (3.42)

 м.

Полезную мощность насоса определим по формуле:

, (3.42)

 кВт.

Принимая  и , найдем мощность на валу двигателя:

, (3.43)

 кВт.

Выбираем насос марки Х20/53 с  м³/с,  м, ,  с^-1, а электродвигатель - АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.

.3 Расчет газодувки

Подбираем газодувку для перекачивания загрязненного воздуха при средней температуре 78,5 ºС в абсорбер. Расход воздуха 2 м³/с. Длина трубопровода от точки забора воздуха до абсорбера составляет 20 м. Все остальные необходимые данные возьмем из таблицы (3.1).

По формуле (3.37) найдем диаметр трубопровода, принимая скорость в трубопроводе  м/с.

 м.

Выбираем стальную трубу наружным диаметром  мм и толщиной стенки 10 мм. Внутренний диаметр трубы  мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:

 м/с.

Критерий Рейнольдса для потока в трубопроводе:

,

Примем, что трубы были в эксплуатации, имеют незначительную коррозию. Тогда  мм. Получим:

 м.

Далее получим:

;

;

.

Таким образом, в трубопроводе автомодельная зона, для которой соответствует формула:

, (3.44)

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:

вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

прямоточные вентили: для  м ;

колено с углом 90 º: ;

выход из трубы: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений равна:

.

Гидравлическое сопротивление трубопровода находим по формуле:

, (3.40)

 Па.

Избыточное давление, которое должна обеспечить газодувка для преодоления гидравлического сопротивления аппаратов и трубопровода, равно:

, (3.41)

 Па.

Таким образом, находим газодувку высокого давления. Полезную мощность ее находим по формуле (3.42):

 кВт.

Принимая  и , найдем мощность на валу двигателя:

 кВт.

Выбираем газодувку марки ТВ-150-1,12 с  м³/с,  Па,  с^-1, а электродвигатель - АО2-82-2 с мощностью 55 кВт.

Заключение

Процесс абсорбции NH₃ из загрязненного воздуха, концентрацией 12 об % NH₃ осуществляется в насадочном абсорбере диаметром 1200 мм и высотой 17,4 м при температуре абсорбции 20 °С. Производительность абсорбера по газовой фазе 2 м³/с при нормальных условиях. Для проведения процесса абсорбции в колонне установлено четыре секции насадки керамические кольца Рашига 50´50´5, высота всех слоев по 3 м.

Поглотитель после регенерации имеет концентрацию NH₃ 0,12 масс %. Он подается в абсорбционную колонну при помощи центробежного насоса марки Х20/53, а электродвигатель - АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.

Поглотитель охлаждается в кожухотрубчатом теплообменнике диаметром кожуха - 600 мм, диаметром труб - 25´2 мм, общим числом труб - 240 шт, числом ходов - 2, длиной одного хода - 3 м, поверхностью теплообмена - 57 м².

Газовая смесь подается на абсорбцию газодувкой типа ТВ-150-1,12 с электродвигатель АО2-82-2 и мощностью 55 кВт.

Охлаждается газовая смесь при помощи кожухотрубчатого теплообменника с диаметром кожуха - 1000 мм, диаметром теплообменных труб 25´2 мм, числом ходов - 2, общим числом теплообменных труб - 718, с поверхностью теплообмена - 226 м² при длине труб - 4 м.

Из колонны абсорбционная вода перед тем как идти на регенерацию проходит через кожухотрубчатый теплообменник-рекуператор с диаметром кожуха - 325 мм, диаметром теплообменных труб 20´2 мм, числом ходов - 1, общим числом теплообменных труб - 100, с поверхностью теплообмена - 19 м² при длине труб - 3 м.

Рассчитанная очистная линия позволяет производить абсорбцию NH₃ до степени, определенной в выданном курсовом задании.

Кроме этого был произведён расчёт и выбор вспомогательного оборудования: насос и газодувка. Также произведён расчёт теплообменника для охлаждения исходной газовой смеси, теплообменника-рекуператора и теплообменника для охлаждения поглощающей воды, идущей на абсорбцию.

Библиографический список

1 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию [Текст] / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский [и др.] - 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Ю.И. Дытнерского - М.: Химия, 1991. - 496 с.

Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учеб. для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - 10-е изд., испр., доп. - СПб.: Химия, 1987. - 576 с.

Ветошкин, А.Г. Процессы и аппараты газоочистки [Текст]: учеб. пособие; сост. - А.Г. Ветошкин - Пенза, 2006. - 201 с.

Рамм, В.М. Абсорбция газов [Текст]: учеб./ В.М. Рамм - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

Стабников, В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов [Текст]: учеб./ В.Н. Стабников - Киев: Технiка, 1970. - 208 с.

Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]: учеб. / А.Г. Касаткин - 7-е изд., испр., доп. - М.: Химия, 1973. - 752 с.

Бретшнайдер, С. Свойства газов и жидкостей [Текст]: учеб./ С. Бретшнайдер - СПб.: Химия, 1966. - 536 с.

Лащинский, А.А. Основы конструирования и расчет химической аппаратуры [Текст]: учеб. / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. - СПб.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

Никольский, Б.П. Справочник химика [Текст]: учеб. пособие. В 6 ч. Ч. 1. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника / Б.П. Никольский - 2-е изд., испр., доп. - СПб: Изд-во Химия, 1966. - 1072 с.