Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

 

Насадочный абсорбер

1 — насадка; 2 — опорная решетка; 3 — распределитель жидкости;

4 — перераспределитель жидкости;

Рис. 1.12

 

В насадочной колонне жидкость течет  по элементу насадки главным образом  в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Основными характеристиками насадки  являются ее удельная поверхность и свободный объем.

1.3.3.1. Выбор насадок.

Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям:

1) обладать большой поверхностью в единице объема;

2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

4) равномерно распределять орошающую жидкость;

5) быть стойкой к химическому  воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне;

6) иметь малый удельный вес; 

7) обладать высокой механической  прочностью;

8) иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки (рис. 1.13), которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции.

 

 

Типы насадок

а—кольца Рашига, беспорядочно уложенные (навалом); б—кольца с перегородками, правильно уложенные; в—насадка Гудлое; г—кольца Паля; д—насадка «Спрейпак»; е—седла Берля; ж—хордовая насадка; з—седла «Инталлокс».

Рис. 1.13

 

Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

В качестве насадки используют также засыпаемые навалом в колонну  куски кокса или кварца размерами 25—100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т. д.) кусковую насадку сейчас применяют редко. Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца  Рашига), который изменяется в пределах 15—150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом (рис. 1.13а). Большие кольца (размерами не менее 50 Х 50 мм) укладывают правильным и рядами, сдвинутыми друг относительно друга (рис. 1.13б). Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку — регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа.

Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.

 

1.4. Патентный обзор

 

20.05.2005 был опубликован  патент №2252063 о способах очистки газовых смесей от диоксида углерода (варианты) и устройстве для очистки газовых смесей от диоксида углерода, патентообладателем которого является ЗАО НПК «Интергаз» (г. Тула). А также 10.10.2005 был опубликован патент №2261829 о способе очистки от углеводородов парогазовой среды, образующейся при хранении нефтепродукта или при наполнении им емкости, и установке для его осуществления, изобретенный Цегельским В.Г. (г. Москва). Формулы изобретений представлены в приложении 1.

 

2. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

По условию задания на курсовое проектирование необходимо рассчитать и спроектировать установку для  абсорбции СO₂, концентрацией 2 % СO₂ и 98 % воздуха, водой.

Газовая смесь с температурой 20⁰С не содержит твердых включений и подается на абсорбцию компрессором K. Затем газовая смесь поступает на абсорбцию в насадочный абсорбер А с насадкой – керамические кольца Рашига 50´50´5. При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше размеры ее элемента, тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность аппарата) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата. При выборе насадки необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под повышенным давлением потеря его существенного значения не имеет и в данном случае предпочтительнее беспорядочно загруженные насадки, в частности, кольца внавал.

После абсорбции воздух достигает заданной степени очистки и может быть выброшен в атмосферу.

В качестве поглотителя используется вода с начальной температурой 42°С. Охлаждение поглотителя до температуры абсорбции происходит в шести параллельно поставленных пластинчатых теплообменниках Т. В качестве второго теплоносителя используется захоложенная вода с начальной температурой 10 °С. Поглотитель (абсорбционная вода) подается в абсорбционную колонну при помощи трех центробежных многоступенчатых секционных насосов Н1, Н2 и Н3.

При этом горячий поглотитель охлаждается в теплообменнике-рекуператоре, являясь при этом горячим теплоносителем, что экономит энергоресурсы.

 

 

3. РАСЧЕТ АБСОРБЕРА

1. Определение условий равновесия процесса

 

Определяем равновесные концентрации диоксида углерода в воде. Если поглощается  труднорастворимый газ, то расчет равновесных  концентраций ведут по закону Генри /1/:

                                                                        ,                                          (3.1)

где  Õ - давление в абсорбере, Па;

E- константа растворимости, Па;

x^* - равновесная концентрация СО₂ в воде, ;

у - концентрация СО₂ в воздухе, .

E = 1,08×10⁶ мм рт. ст. = 1,44×10⁸ Па при температуре абсорбции 20 °С /4/.

,  (3.2)

Величины равновесных концентраций в жидкости достаточно рассчитать для  диапазона значений концентраций в газовой фазе от нуля до величины, которая в 1,2-1,5 раз превышает начальную концентрацию абсорбтива.

Для упрощения расчетов материального  баланса необходимо сделать пересчет абсолютных концентраций в относительные. Связь между относительной концентрацией и абсолютной выражается следующей формулой /1, стр. 385/:

                                                               ,                                                     (3.3)

                                                                 ,                                                    (3.4)

где  у - абсолютная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

Y - относительная концентрация СО₂ в газовой фазе, ;

  x - абсолютная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

 

  X - относительная концентрация СО₂ в жидкой фазе, ;

 

Таблица 3.1

Расчет равновесной линии.

x*,	y,	X*,	Y,
0	0	0	0
8,35·10-5	0,005	8,351·10-5	0,00503
1,67·10-4	0,01	1,6703·10-4	0,010101
2,505·10-4	0,015	2,5056·10-4	0,015203
3,34·10-4	0,02	3,341·10-4	0,020408
4,175·10-4	0,025	4,177·10-4	0,0256

 

По определенным значениям концентраций строится линия равновесия (приложение 2).

2. Расчет материального баланса

1. Определение молярного расхода компонентов газовой смеси.

Пересчитаем объемный расход при нормальных условиях (T₀=273K, P₀=101325 Па) в объемный расход при условиях абсорбции (Т=293К, Р=2,4×10⁶ Па).

,  (3.5)

где V_см0 – расход при нормальных условиях, .

.

Для удобства дальнейших расчетов переведем  объемный расход газовой смеси в молярный.

,                                        (3.6)

где V_см0 - объемный расход газовой смеси, ;

G_см - молярный расход газовой смеси, .

Молярный расход инертного газа определяется по уравнению /4/:

,                                              (3.7)

где у_н - исходная концентрация СО₂ в газовой смеси, ;

G - молярный расход инертного газа, .

Из условия задания у_н=0,02

.

Концентрацию СО₂ на выходе из абсорбера y_к, :

,  (3.8)

где j – степень извлечения, j=0,95 (из задания).

.

Величины y_к, y_н пересчитаем в относительные по формуле (3.3) Y_к=0,001001 , Y_н=0,020408 .

Для определения молярного расхода  СО₂ M, который поглощается, служит следующее уравнение /4/:

.                                              (3.9)

.

2. Определение расхода поглотителя СО₂ из газовой смеси.

Для определения минимального молярного  расхода чистого поглотителя  L_мин служит следующее уравнение:

,                                           (3.10)

где X*_к- равновесная относительная концентрация СО₂ в воде на выходе из аппарата, ; Х_н - исходная относительная концентрация СО₂ в воде, .

Равновесную относительную концентрацию СО₂ в воде на выходе из аппарата определим по линии равновесия (приложение 2). Для противоточных абсорберов X*_к=f(Y_н). По графику максимально возможная концентрация СО₂ в воде при условиях абсорбции составляет X*_к=3,34×10^-4 .

Т.к. в реальном процессе абсорбции  используется не минимальный расход поглотителя, а несколько больший (для ускорения процесса), то необходимо пересчитать минимальный расход поглотителя на рабочий расход L с учетом коэффициента избытка поглотителя /4, стр. 375/

,   (3.11)

где a - коэффициент избытка поглотителя, принимаем равным 1,5. С увеличением расхода поглотителя (т. е. с увеличением коэффициента избытка поглотителя) снижаются допустимые скорости газа в аппарате, по которым находят его диаметр. Поэтому следует выбирать такое соотношение между размерами абсорбционного аппарата и расходом поглотителя, при котором размеры аппарата будут оптимальными /1, стр. 438/.

3. Определение рабочей концентрации СО₂ в поглотителе на выходе из абсорбера.

Для определения рабочей концентрации служит уравнение:

                                               (3.12)

4. Построение рабочей линии абсорбции СО₂ и определение числа единиц переноса.

По полученным значениям концентраций строится график (приложение 2) и определяется число единиц переноса, необходимых для осуществления процесса абсорбции.

По графику методом вписывания ступенек определяется число единиц переноса. Оно равно 5,6.