Расчет абсорбера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент         

 

Группа       

 

 

Руководитель        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

 

 

СОДЕРЖАНИЕ     

                                                                              с.

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Очистка  газов  в химической промышленности является сложной и актуальной проблемой, имеющей ряд аспектов.

Технологические аспекты заключаются в переходе химических производств к новым способам и системам газоочистки, основанным на последних достижениях мировой науки и техники, модернизации и создании высокоэффективной аппаратуры и схем удаления примесей из газовых потоков, унификации и стандартизации газоочистного оборудования.

Экономические аспекты заключаются  в  разработке  таких  систем  и способов, которые позволяют значительно повысить КПД ценных компонентов из сырья, максимально утилизировать улавливаемые при очистке газов продукты, повысить экономичность работы оборудования, а также они заключаются в снижении до стандартных норм удельных выбросов загрязняющих и вредных веществ в атмосферу; ликвидации выбросов вредных веществ, связанных с обслуживанием и аварийным оборудованием; создании замкнутых газовоздушных систем и безотходных технологий.

Решение этих сложных проблем  предполагает реализацию комплекса  технических и организационных мероприятий на основе глубокого и всестороннего анализа способов и аппаратов, предназначенных для очистки газов в различных химических производствах.

 

 

 

 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ      

1.1 Сущность и назначение процесса абсорбции

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором  газ растворим в той или  иной степени.

В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Таким образом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессов масопередачи.

На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а не поглощаемые составные части – инертным газом.

Жидкая фаза состоит из поглотителя  и абсорбируемого компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в котором растворен активный компонент, называется растворителем.

Инертный газ и поглотитель  являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах. При физической абсорбции (см. ниже) инертный газ и поглотитель не расходуются и не участвуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. При хемосорбции (см. ниже) поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом.

Протекание абсорбционных процессов  характеризуется их статикой и кинетикой.

Статика абсорбции, т. е. равновесие между  жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое устанавливается  при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.

Кинетика абсорбции, т. е. скорость процесса массообмена, определяется движущей силой процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный ток и т. д.). При этом возможно осуществление непрерывного или ступенчатого контакта. В абсорберах с непрерывным контактом характер движения фаз не меняется по длине аппарата и изменение движущей силы происходит непрерывно. Абсорберы со ступенчатым контактом состоят из нескольких ступеней, последовательно соединенных по газу и жидкости, причем при переходе из ступени в ступень происходит скачкообразное изменение движений силы.

Различают химическую абсорбцию и  хемосорбцию. При физической абсорбции  растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый  компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции.

Области применения абсорбционных процессов в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны. Некоторые из этих областей указаны ниже:

Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами  могут служить: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой (производство азотной кислоты) или щелочными растворами (получение нитратов) и т.д.

Разделение газовых смесей для выделения одного или нескольких ценных компонентов смеси. В этом случае применяемый поглотитель должен обладать возможно большей поглотительной способностью по отношению к извлекаемому компоненту и возможно меньшей по отношению к другим составным частям газовой смеси (избирательная, или селективная, абсорбция). При этом абсорбцию обычно сочетают с десорбцией в круговом процессе. В качестве примеров можно привести абсорбцию бензола из коксового газа, абсорбцию ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа, абсорбцию бутадиена из контактного газа после разложения этилового спирта и т.п.

Очистка газа от примесей вредных  компонентов. Такая очистка осуществляется прежде всего с целью удаления примесей, не допустимых при дальнейшей переработке газов (например, очистка нефтяных и коксовых газов от H₂S, азотно-водородной смеси для синтеза аммиака от CO₂ и CO, осушка сернистого газа в производстве контактной серной кислоты и т.д.). Кроме того, производят санитарную очистку выпускаемых в атмосферу отходящих газов (например, очистка топочных газов от SO₂; очистка от Cl₂ после конденсации жидкого хлора; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т.п.).

Улавливание ценных компонентов  из газовой смеси для предотвращения их потерь, а так же по санитарным соображениям, например рекуперация летучих растворителей (спирты, кетоны, эфиры и др.) [1].

 

1.2 Физико - химическиесвойства сырья и продуктов

В процессе абсорбции участвуют  следующие химические элементы, химические составы которых будут приведены  ниже:

- аммиак

- вода

- воздух.

Аммиак при обычных условиях - газ с резким и неприятным запахом, ядовит. При 20 ⁰C в воде растворяется 700 л аммиака. Полученный раствор называют аммиачной водой. Из-за такой растворимости аммиак нельзя собирать и хранить над водой.

Аммиак - активный восстановитель. Такое свойство у него за счёт атомов азота, имеющих степень окисления "-3". Восстановительные свойства азота наблюдаются при горении аммиака на воздухе. Так как для азота наиболее устойчивая степень окисления - 0, то в результате этой реакции выделяется свободный азот.

 Если в реакции  горения использовать катализаторы (платину Pt и оксид хрома Cr₂O₃), то получают оксид азота.

 Аммиак может восстанавливать  металлы из их оксидов. Так  реакцию с оксидом меди используют для получения азота.

Аммиак обладает свойствами оснований  и щелочей. При растворении его  в воде образуется ион аммония  и гидроксид-ион. При этом соединения NH₄OH - не существует. Поэтому формулу аммиачной воды лучше записать, как формулу аммиака.

 Основные свойства аммиака  проявляются также и в реакциях с кислотами.

NH₃ + HCl -> NH₄Cl (нашатырь)

NH₃ + HNO₃ - > NH₄NO₃ (аммиачная селитра)

Аммиак реагирует с органическими  веществами. Например, искусственные аминокислоты получают с помощью реакции аммиака и A-хлорзамещёнными карбоновыми кислотами. Выделяющийся в результате реакции хлороводород (газ HCl) связывают с избытком аммиака, в результате которого образуется нашатырь (или хлорид аммония NH₄Cl).

 Многие комплексные  соединения содержат в качестве  лиганда аммиак. аммиачный раствор оксида серебра, который используется для обнаружения альдегидов, представляет собой комплексное соединение - гидроксиддиаммин серебра.

Соли аммония - твёрдые  кристаллические вещества, не имеющие  окраски. Почти все они растворяются в воде, и им характерны все те же свойства, которые имеют известные нам соли металлов. Они взаимодействуют со щелочами, при этом выделяется аммиак.

При этом, если дополнительно  воспользоваться индикаторной бумагой, то эту реакцию можно использовать - как качественную реакцию на соли аммония. Соли аммония взаимодействуют с другими солями и кислотами.

Соли аммония неустойчивы  к нагреванию. Некоторые из них, например хлорид аммония (или нашатырь), - возгоняются (испаряются при нагревании), другие, например нитрит аммония, - разлагаются

Аммиак - это слабое основание, поэтому соли, образованные аммиаком в водном растворе подвергаются гидролизу. В растворах этих солей имеется большое количество ионов гидроксония, поэтому реакция солей аммония – кислая.

Применение аммиака и  его солей основано на специфических свойствах. Аммиак служит сырьём для производства азотосодержащих веществ, а также в составе солей широко применяется в качестве минеральных удобрений. Водны раствор аммиака можно купить в аптеках под названием нашатырный спирт. [2].

Вода (Н₂O) имеет молярную массу 18,01528 г/моль, является наиболее распространённым растворителем на Земле. Она относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты.

Плотность : 0,9982 г/куб.см (при 20°C)

Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,00101 Па•с (при 20°C)

Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,01012 кв.см/с (при 20°C)

Температура плавления: 0°C

Температура кипения: 99,974°C

Молярная теплоёмкость(ст.усл.): 75,37 Дж/(моль•К)

Теплопроводность(ст.усл.): 0,56 Вт/(м•K)

Агрегатные состояния воды:

 Твёрдое - лёд. 

 Жидкое - вода.

 Газообразное - водяной пар. 

Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0°C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд [3].

Воздух — естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода — 98-99 % в сумме, а также углекислого газа, воды, водорода и пр.) образующая земную атмосферу. В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха, используя метод сжижения, добывают инертные газы. В соответствии с Федеральным Законом «Об охране атмосферного воздуха» под атмосферным воздухом понимается «жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».

Химический состав

Физические свойства

Средняя относительная молярная масса 28,98 г/моль.

Средняя удельная теплоемкость при  постоянном давлении 1,006 кДж/(кг·К).

Средняя удельная теплоемкость при  постоянном объёме 0,717 кДж/(кг·К).

Показатель адиабаты 1,40.

Коэффициент динамической вязкости воздуха (при н. у.) 17,2 мкПа·с

Средний коэффициент теплового  расширения в интервале температур 0-100°C 3,67·10−3 1/К.

Коэффициент динамической вязкости воздуха (при н. у.) 17,2 мкПа·с. [4].

1.3 Сравнительная характеристика абсорберов

 

При абсорбционных процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности, абсорбционные аппараты можно подразделить наследующие группы:

а) Поверхностные абсорберы, в которых поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К  этой же группе относятся насадочные абсорберы, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов абсорбера (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.