Насадочный абсорбер

Насадочный абсорбер

Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки смесей от вредных веществ. Аппараты, которых осуществляются эти процессы, называются абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбенты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы разделяются на следующие группы:

·      насадочные;

·      барботажные (тарельчатые);

·        поверхностные и пленочные;

·        распыливающие.

В данной работе рассчитывается насадочный абсорбер.

Рис. 1. Насадочные абсорберы.

а - со сплошной загрузкой насадки; б - с послойной загрузкой насадки.

- поддерживающие решетки;

- насадка;

- распределитель жидкости;

- перераспределитель жидкости;

- желоб;

- патрубок.

Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка 2 укладывается на опорные решетки 1, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 2 с помощью распределителя 3 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. В некоторых случаях при послойной укладке насадки между отдельными слоями устанавливают устройства 4 для перераспределения жидкости.

Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата.

Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла, используя выносные холодильники. Предложенные конструкции абсорберов с внутренним отводом тепла при помощи помещенных в насадку охлаждающих элементов не получили распространения.

абсорберт аммиак жидкость вода

1. Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

Рассчитать абсорбер для поглощения аммиака из воздуха водой. Уравнение линии равновесия: . Начальное содержание аммиака в воздухе одно и то же: 7% объема, степень извлечения та же: 93%, коэффициент избытка поглотителя одинаков: 1,35. Расход газовой смеси тоже одинаков: 4000  (при рабочих условиях).

Для всех абсорбционных процессов давление в абсорбере атмосферное, температура .

Тип абсорбера - насадочный.

 - коэффициент избытка поглотителя;

% - начальное содержание аммиака в воздухе;

 - расход газовой смеси;

 - температура в абсорбере.

Массу переходящего из газовой смеси в жидкий поглотитель вещества находят из уравнения материального баланса:

где  - начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в жидкости,

 - начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в газе.

Для решения уравнения материального баланса переводим в нужную размерность исходные данные.

1.      Определим молекулярные массы компонентов смеси:

Молярная масса :

Молярная масса воздуха:

2.      Рассчитаем относительную массовую концентрацию:

Мольная доля аммиака , т.к. начальное содержание аммиака в воздухе равно 7%.

Тогда начальная концентрация аммиака в воздухе будет равна:

3.      Определим плотность смеси при нормальных условиях:

4.      Определим конечную концентрацию аммиака в воздухе:

5.      Начальная концентрация аммиака в воде:

Начальное содержание аммиака в воде  равно 0.

6.      Рассчитаем конечную концентрацию аммиака в воде:

Используя уравнение линии равновесия и зная коэффициент избытка поглотителя, можно найти концентрацию аммиака в воде:

7.     
Переведем расход газовой смеси из  в нужную для расчетов размерность кг/с.

Т.к. содержание аммиака в воздухе составляет 7 %, то его расход будет равен 280 , тогда расход чистого воздуха будет равен 3720 .

или, если перевести в кг/с, то получим

8.      По уравнению материального баланса находим количество поглощенного аммиака:

9.      Используя уравнение материального баланса определим расход поглотителя (воды):

10.    Удельный расход поглотителя:

.        Построим зависимость между содержанием поглощаемого вещества в газе  и поглотителе . (см. прил.1.)

Уравнение равновесной линии:

Уравнение рабочей линии построим по двум точкам с координатами:  и

2. Расчет движущей силы

В насадочном абсорбере жидкая и газовая фазы движутся противотоком. Движущую силу в этом случае определяют:

Рис. 2. Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере.

,

Из графика зависимости между содержанием поглощаемого вещества в газе  и поглотителе  (прил.1) находим концентрации поглощаемого компонента в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе соответственно на выходе из абсорбера и на входе в него.

Тогда найдем большую и меньшую движущую силу на входе потоков в абсорбере и на выходе из него:

Тогда движущая сила будет равна:

3. Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

1.      Предварительно выбираем тип насадки. Очень часто в насадочных абсорберах в качестве насадки используются керамические кольца Рашига внавал. Выбираем этот тип. Характеристики ее, необходимые для дальнейших расчетов заимствуем из справочной литературы. (табл.1)

2.      Для того, чтобы рассчитать скорость газа, сначала рассчитаем фиктивную скорость газа  в точке захлебывания (инверсии) по формуле:

,

Где  и  - динамические коэффициенты вязкости поглотителя и воды;

А и В - коэффициенты, зависящие от типа насадки, их значения приводятся в таблице 2.

Таблица 1. Характеристики насадок.

Табл. 2. Значения коэффициентов А и В.

В данном уравнении:

·        Отношение динамических коэффициентов вязкости поглотителя и воды:

Т.к. для данного случая вязкость воды и поглотителя равны, то

·        А и В - коэффициенты, зависящие от типа насадки. В соответствии с таблицей:

·        Рассчитаем плотность воздуха при рабочих условиях, которая определяется из уравнения Клапейрона:

·        Плотность воды при рабочих условиях принимается в соответствии с таблицей:

Выражая скорость захлебывания, получим:

Рассчитаем скорость захлебывания для каждой насадки и запишем полученные значения в вышерасположенную таблицу.

3.      Рабочая скорость газа в абсорбере составляет 75-90% от скорости захлебывания. Тогда

Рассчитаем рабочую скорость газа в абсорбере для каждой насадки и занесем полученные данные в таблицу.

4.      Рассчитаем диаметр абсорбера. Он находится из уравнения расхода.

В данном уравнении

V - объемный расход газа при условиях в абсорбере. Он равен:

Подставляя полученное значение в уравнение и зная рабочую скорость газа в абсорбере в зависимости от размеров насадки, можно найти диаметр абсорбера для каждой насадки.

Аналогичным образом рассчитывается диаметр абсорбера для остальных размеров насадки.

0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4;1,6; 1,8; 2,2; 2,6; 3,0.

6.      Действительная рабочая скорость газа в колонне

Аналогично рассчитывается действительная рабочая скорость газа для остальных размеров насадки.

.        Для обеспечения эффективной работы абсорбера необходимо, чтобы поверхность насадки была смочена полностью. Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения , выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов ее находят по соотношению:

,

где  - эффективная линейная плотность орошения. В нашем случае

Тогда

Аналогичным образом рассчитывается минимальная эффективная плотность орошения для остальных размеров насадки.

8.      Действительную плотность орошения рассчитывают по формуле:

,

где S - площадь поперечного сечения абсорбера.

Аналогичным образом рассчитывается действительная плотность орошения для остальных размеров насадки.

.        Очевидно, что  должна быть больше . Поэтому занесем полученные данные для всех размеров насадок в таблицу и выберем необходимую в соответствии с данным условием насадку.

Табл. 3. Зависимость скорости газа, диаметра абсорбера и плотности орошения типа насадки и размеров ее элементов.

насадка, мм           , , , d, м, м,

,

Из данных, сведенных в эту таблицу, сравнением  и  выбираем оптимальный стандартный внутренний диаметр обечайки абсорбера  и соответствующую ему действительную рабочую скорость газа в колонне . Т.к. плотность орошения сопоставима с минимальной, то можно принять насадку .Диаметр абсорбера при этом равен , действительная рабочая скорость газа .

4. Расчет коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи находят из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

,

где - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;

 - коэффициент массоотдачи в газовой фазе.

По данной методике рассчитывается коэффициент массопередачи по газовой фазе.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе  находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных, так и для неупорядоченных насадок:

,

где  - диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

1.      На первой стадии определяются коэффициенты диффузии аммиака в воде и его паров в воздухе. Коэффициент диффузии паров аммиака в воздухе при нормальных условиях

При условиях процесса, т.е. при температуре 20 °С коэффициент диффузии определяется по формуле:

2.     
Критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке

Перед расчетом определим некоторые величины, которые возьмем из справочных таблиц:

·        вязкость воздуха 20 °С

·        плотность воздуха при 20 °С

·        эквивалентный диаметр насадки

Тогда получим

3.      Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы

4.      Коэффициент массоотдачи в газовой фазе

5.      После определения коэффициента массоотдачи в газовой фазе его необходимо перевести в выбранную для расчета размерность:

6.     
Коэффициент диффузии аммиака в воде:

Поэтому в соответствии со справочными данными

7.      Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости:

,

где V - действительная плотность орошения;

 - вязкость жидкости при 20 °С;

 - плотность воды при 20 °С.

Перед расчетом определим некоторые величины, которые возьмем из справочных таблиц:

·        вязкость воды 20 °С

·        плотность воды при 20 °С

Тогда

8.      Диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

9.     
Приведенная толщина стекающей пленки жидкости:

10.    Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется:

11.    После определения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе его необходимо перевести в выбранную для расчета размерность:

12.    Коэффициент массопередачи находят из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

5. Определение поверхности массопередачи и высоты абсорбера

1.      Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи:

2.     
Высота насадки, требуемая для создания такой поверхности, рассчитывается по формуле:

Высота абсорберов обычно не превышает 40-50 м, что в данном случае и получилось.

3.      Общая высота аппарата

Общая высота аппарата складывается из высоты насадки, расстояния между днищем абсорбера и насадкой и расстоянием от верха насадки до крышки абсорбера. Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1,0-1,5 диаметра. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты вепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны. Это расстояние обычно принимается равным диаметру аппарата.

С учетом вышесказанного получим:

6. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

Необходимость этого расчета обусловлена тем, что он определяет энергозатраты на транспортировку газового потока через абсорбер.

Предварительно определим некоторые величины, необходимые для определения гидравлического сопротивления абсорбера.

1.      Коэффициент сопротивления насадки.

Т.к. , то коэффициент сопротивления насадки определяется по формуле:

2.      Скорость газа в свободном сечении насадки

,

где  - свободный объем, который находим по формуле:

Тогда скорость газа будет равна:

3.      Коэффициент b возьмем из таблицы.

Табл. 5. Значения коэффициента b

В соответствии с таблицей

4.      Гидравлическое сопротивление абсорбера равно:

7. Механические расчеты основных узлов и деталей

Расчет толщины обечайки днища

В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Поскольку процесс проводится под атмосферным давлением толщина стенки выбирается из таблицы 6.

Табл. 6. Зависимость толщины стенки обечайки от ее диаметра

Для диаметра 0,8 м толщину можно принять равной 8 мм. Такую же толщину принимаем для днища и крышки аппарата. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональная форма - эллиптическая.

. Расчет фланцевых соединений и крышек

1.      Основной исходной величиной при расчете болтов является расчетное растягивающее усилие в них. При рабочих условиях его определяют по формуле:

,

где  - средний диаметр уплотнения (прокладки);

P - рабочее давление;

b - ширина прокладки;

k - коэффициент, зависящий от материала прокладки;

Для того, чтобы его определить, предварительно зададимся некоторыми величинами.

·   Примем резиновую прокладку с внутренним диаметром, равным наружному диаметру аппарата

·        Если принять ширину прокладки , то средний диаметр уплотнения:

·        Коэффициент, зависящий от материала прокладки для плоских прокладок из резины

Тогда расчетное растягивающее усилие будет равно:

2.      Диаметр болтовой окружности приближенно можно определить по формуле:

3.      При расчете числа болтов предварительно зададимся их диаметром. Для аппаратов диаметром до 1 м диаметр болтов можно принять 10 мм. Далее найдем число болтов по формуле:

,

где  - допускаемое напряжение на растяжение в болтах, которое определяется из рисунка 3.

 - площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру.

Рис. 3 Допускаемые напряжения для стали Ст.3 (1) и X18И10Т (2)

Рассчитанное число болтов округляют до ближайшего большего числа, кратного четырем. Тогда принимаем 8 болтов диаметром 10 мм.

4.      Наружный диаметр фланца

5.      Для определения высоты плоского фланца предварительно найдем следующие величины:

·   Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях:

·        Для нахождения вспомогательных величин А и Ф необходимо определить коэффициенты  и . Отношение

Рис. 4. Графики для определения коэффициентов  и

Тогда из рис. 4 следует

·        Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях:

·   Вспомогательная величина А:

Т.к. , тогда высота фланца рассчитается по формулам:

Из двух рассчитанных значений h выбирают большее. Принимаем высоту фланца 14 мм.

Толщину плоских крышек, закрывающих люки, принимается равной толщине обечайки, т.е. 8 мм.

9. Расчет опоры аппарата

Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д.

При подвеске аппарата между перекрытиями или при установке их на специальные опорные конструкции применяют лапы. Во всех остальных случаях используют другие виды опор.

Рис. 5. Схема лапы.

1.      При расчете лап определяют размеры ребер. Толщину ребра определяют по формуле:

,

где G - максимальный вес аппарата (во время испытаний, когда аппарат заполнен водой);

n - число лап

z - число ребер в лапе;

 - допускаемое напряжение на сжатие;

l - вылет опоры.

До расчета толщины ребра по данной формуле определим некоторые величины.

2.      Максимальный вес аппарата можно примерно принять равным удвоенному весу воды, полностью заполняющей корпус.

·   Объем корпуса:

·   Вес воды

·   Переведем вес воды в нужные для расчета единицы измерения:

·   Вес аппарата

Для аппарата весом 0,6 МН принимаются четыре двухреберные лапы с вылетом 0,2м. Поэтому для данного веса принимаем четыре двухреберные лапы с вылетом 0,2 м.

3.      Коэффициент k принимаем равным 0,6.

Тогда толщина ребра будет равна:

4.     
Отношение

Рис. 6. График для определения коэффициента в уравнении.

5.      Высота лапы

6.      Общая длина сварного шва:

7.      Прочность сварных швов должна отвечать условию:

,

Где  - общая длина сварных швов;

 - катет сварного шва;

 - допускаемое напряжение материала шва на срез.

Примем

Тогда получим:

Таким образом

, т.е. прочность шва обеспечена.

Список использованной литературы

1.  Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1983. - 272 с.

2.      Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия. 1987. - 576 с.