Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

 

 

Кафедра процессов и  аппаратов химических производств

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 
к курсовому проекту

по курсу “Процессы и аппараты химической технологии”

на тему "Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Отчет 45 стр., 17 рисунков, 7 источников.

 

АБСОРБЕР, НАСАДКА, ДИОКСИД УГЛЕРОДА, ПОГЛОТИТЕЛЬ, АБСОРБЕНТ, АБСОРБАТ, КОЛОННА, ТЕПЛООБМЕННИК, НАСОС, КОМПРЕССОР

 

Объектом проектирования является установка для очистки воздуха от диоксида углерода.

Цель работы—выбор аппаратов для осуществления процесса очистки воздуха от диоксида углерода и их расчет.

В курсовой работе приведен литературный обзор, в котором описана конструкция и принцип действия аппаратов, используемых для абсорбции тарельчатых и насадочных абсорберов, описаны основные типы тарелок для абсорбционных колонн. В курсовой работе также приведены обоснование и расчет аппарата, применяемого для абсорбции диоксида углерода—насадочного абсорбера с насадкой: керамические кольца Рашига, осуществлен подбор вспомогательного оборудования: теплообменника для охлаждения поглотителя, насоса для подачи поглотителя и компрессора.

В результате проектирования была теоретически обоснована и рассчитана линия  абсорбции диоксида углерода.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней стуктуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические (в том числе и механические) и физико-химические процессы. К таким процессам относятся: перемещение жидкостей и твердых материалов, измельчение и классификация последних, сжатие и транспортирование газов, нагревание и охлаждение веществ, их перемешивание, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, выпаривание растворов, сушка материалов и другие процессы. При этом способ проведения указанных процессов часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность производительного процесса в целом. Эти процессы в различных производствах проводятся в анологичных по принципу действия машинах и аппаратах.

Одним из основных процессов является абсорбция. Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путём поглощения газа жидкостью (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, при этом абсорбцию проводят без десорбции), выделение ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа, при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией), очистка газов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO₂, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений), осушка газов, когда в абсорбционных процессах участвуют две фазы (жидкая и газовая) и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую или наоборот, из жидкой фазы в газовую, при этом инертный газ и поглотитель в массообмене не участвуют.

Аппаратами, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами.

 

 

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый  газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять  поглотитель и выделять поглощенный  компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO₂ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т. п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т. д.).

1.1. Теоретические основы абсорбции

 

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств  газа и жидкости, давления, температуры  и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси).

В состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным  давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом Генри:

 

  ,  (1.1)

где y_A*—равновесная концентрация извлекаемого компонента в газовой фазе,

m—коэффициент распределения, x— концентрация газа в растворе.

Уравнение (1.1) показывает, что зависимость  между концентрациями данного  компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен т. Числовые значения величины т зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры

Когда в равновесии с  жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать  каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические  температуры которых выше температуры  раствора, и справедлив только для  идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент m в уравнении (1.1) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Для описания равновесия между газом  и жидкостью уравнение (1.1) применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка  десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных  концентрациях видоизменяется и  запись закона Генри. Так при использовании относительных мольных концентраций выражение (1.1) можно записать в виде

откуда по правилу  пропорций

                                                          (1.2)

или

                    (1.3)

При выражении закона Генри в относительных концентрациях  равновесие в системе газ-жидкость изображается кривой линией. Но для  сильно разбавленных растворов (малые  концентрации Х газа в жидкости) можно принять (1-m) X ~ 0. Тогда знаменатель уравнения (1.3.) обращается в единицу и уравнение принимает вид

                        (1.4)

Уравнение материального  баланса, учитывая то, что расходы фаз по высоте аппарата постоянны, имеет вид:

                                  (1.5)

где G—расход инертного газа, кмоль/сек; Y_н и Y_к—начальная и конечная концентрации абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа; L—расход абсорбента, кмоль/сек; его концентрации Х_н и Х_к кмоль/кмоль абсорбента.

Отсюда общий расход абсорбента (в кмоль/сек)

              (1.5а)

а его удельный расход (в кмоль/кмоль инертного газа)

                              (1.6)

Это уравнение можно переписать так:

            (1.7)

Уравнение (1.7) показывает, что изменение  концентрации в абсарбционном аппарате происходит прямолинейно и в координатах  Y—X рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс которого равен l=L/G .

Между удельным расходом абсорбента и размерами аппарата существует определенная связь. Через точку В с координатами Х_н и У_к (рис. 1.1) проведем, согласно уравнению (1.7), рабочие линии ВА, ВА₁, BA₂, BA₃, отвечающие различным концентрациям абсорбента или разным удельным его расходам. При этом точки А, А₁, А ₂, А₃ будут лежать на одной горизонтальной прямой в соответствии с заданной начальной концентрацией Y_н газа в смеси.

К определению удельного  расхода абсорбента

Рис. 1.1

 

В случае растворов небольшой концентрации для любого значения X и выбранной величины l движущая сила процесса выражается разностью ординат Y — Y*, изображенных вертикальными отрезками, соединяющими соответствующие точки рабочей линии и линии равновесия Y*=f(X). Для всего аппарата можно принять среднее значение ΔY_ср, величина которого, например для рабочей линии ВА₁, изображена на рисунке отрезком ΔY_ср1. Величина ΔY_ср будет тем больше, чем круче наклон рабочих линий и чем больше удельный расход абсорбента. Если рабочая линия ВА совпадает с вертикалью, то движущая сила процесса имеет максимальное значение, однако удельный расход абсорбента l при этом будет бесконечно большим (так как Х_к=Х_н). Если же линия рабочих концентраций ВА₃ касается линии равновесия, то удельный расход абсорбента минимален (l=l_mjn), а движущая сила в точке касания равна нулю, поскольку в этой точке рабочая концентрация равна равновесной. В первом случае размеры абсорбционного аппарата будут наименьшими при бесконечно большом расходе абсорбента, во втором — расход абсорбента наименьший при бесконечно больших размерах аппарата. Таким образом, оба случая являются предельными и практически неосуществимы.

В реальном абсорбционном аппарате равновесие между фазами не достигается и всегда Х_к < , где — концентрация поглощаемого газа в жидкости, находящейся в равновесии с поступающим газом. Отсюда следует, что значение l всегда должно быть больше минимального значения l_min, отвечающего предельному положению рабочей линии (линия ВА₃ на рис. 1.1). Значение l_min можно определить по уравнению (1.6.) при замене Х_к на :

                     (1.8)                                        

Необходимо отметить, что увеличение удельного расхода l абсорбента одновременно со снижением высоты аппарата приводит к определенному увеличению его диаметра. Это объясняется тем, что с увеличением l возрастает также расход поглотителя L, а при этом, как показано ниже, снижаются допустимые скорости газа в аппарате, по которым находят его диаметр. Вот почему в тех случаях, когда удельный расход абсорбента не задан технологическими условиями, т.е. когда не задана конечная концентрация Х_к абсорбента, следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и удельным расходом l абсорбента, при котором величина l и размеры аппарата будут оптимальными.

Оптимальный удельный расход поглотителя l_опт может быть найден только с помощью технико-экономического расчета.

Если абсорбцию ведут без  отвода тепла или с недостаточным его отводом, то температура повышается вследствие выделения тепла при поглощении газа жидкостью, что необходимо учитывать при расчете. Для технических расчетов пренебрегают нагреванием газовой фазы и считают, что выделяющееся при абсорбции тепло затрачивается только на нагрев жидкости.

Если линия равновесия при температуре t_н поступающей жидкости (изображается кривой OD (рис. 1.2), то при температуре уходящей жидкости линия равновесия расположится выше (кривая ОС) и действительная линия равновесия при переменной температуре жидкости изобразится кривой АВ.

Кривая равновесия при неизотермической абсорбции

Рис. 1.2

 

Ординату Y* некоторой точки О’ на кривой равновесия, соответствующую составу жидкости X, можно найти, если известна температура t при данном составе жидкости. Для этого необходимо составить уравнение теплового баланса для части абсорбционного аппарата, расположенной выше некоторого произвольного сечения с текущими концентрациями X и Y жидкости и газа соответственно:

           (1.9)

где q— дифференциальная теплота растворения газа, кдж/кмоль; М' —количество газа, поглощенного в рассматриваемой части абсорбера,  кмоль/сек;   L — расход абсорбента, кмоль/сек; с — теплоемкость жидкости, кжд/(кмоль•град); t — температура жидкости в данном сечении, °С; t_н — начальная температура жидкости, ⁰С.

 Так как  , то

Тогда

          (1.10)

Задаваясь рядом произвольных значений X в интервале между известными значениями X_н и X_к, с помощью уравнения (1.10.) вычисляют t. По опытным данным находят соответствующие значения Y* и строят линию равновесия (по точкам O₁, O₂ и т. д.).