Расчет насадочного абсорбера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «процессы и аппараты химических производств»

Расчет насадочного  абсорбера

 

Выполнил:_________

Группа:       ________

Проверил:  __________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград

2012

Содержание

 

Введение	3
1. Теоретическая часть	4
II Расчёт насадочного  абсорбера	7
Задание	8
2.1. Расчет массы поглощаемого  вещества и расхода поглотителя 2.2. Расчет движущей силы  массопередачи 2.3 Расчет скорости газа  и диаметра абсорбера 2.4 Определение  скорости жидкости (плотности орошения) и доли активной поверхности  насадки 2.5 Определение  высоты абсорбера 2.6  Расчет  гидравлического сопротивления  абсорбера	9 11 12   14 15 16
3. Эскиз насадочного  абсорбера Заключение	19
Список литературы	20

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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

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

В абсорбционных процессах  участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую.

Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного 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, называют растворителем.

Инертный газ и поглотитель  являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

По способу образования  этой поверхности абсорберы можно  условно разделить на следующие  группы:

1) поверхностные и пленочные;

2) насадочные;

3) барботажные (тарельчатые);

4) распыливающие.

 

1. Теоретическая  часть

 

Насадочные абсорберы  представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.

Насадочный абсорбер состоит  из колонны, в которой помещены поддерживающие решетки, на которые уложены слои насадки.

Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства.

Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под  каждым слоем отдельные поддерживающие решетки.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком.

Недостаток насадочных абсорберов - трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно применяют циркуляционный отвод тепла, используя выносные холодильники.

Рисунок 1. Насадочный абсорбер

Насадки, применяемые для  заполнения насадочных абсорберов, должны обладать большой удельной поверхностью (поверхностью на единицу объема) и  большим свободным объемом. Кроме  того насадка должна оказывать малое  сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес.

Рисунок 2. Типы насадок:

а — кольца Рашига;

б — кольца с перегородками;

в — спиральные кольца;

г — шары;

д — пропеллерная насадка;

е — седлообразная насадка;

ж — хордовая насадка.

Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два  типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки.

К регулярным относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки.

К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке внавал), седлообразная и кусковая насадки.

 

 

 

Подробнее остановимся на кольцевых насадках.

Кольцевая насадка - насадочные тела, представляющие собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов.

Кольца Рашига представляют собой простые кольца без дополнительных устройств. Эти кольца наиболее дешевы и просты в изготовлении; они хорошо зарекомендовали себя на практике и являются самым употребительным видом насадок.

Для увеличения поверхности  применяются кольца с перегородкой (кольца Лессинга), кольца с крестообразной перегородкой  и спиральные  кольца, имеющие внутри одну, две или три  спирали. При регулярной укладке  кольца с крестообразной перегородкой и спиральные применяют размером 75 мм и более.

В ФРГ предложены кольца с прободенными стенками (Палля). Эти кольца предназначены в основном для засыпки внавал и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью по сравнению с кольцами Рашига. Но указанные преимущества нельзя считать весьма существенными, если учесть большую стоимость и сложность изготовления колец Палля. Изготавливают эти кольца из стали и пластических масс.

Основные расчетные  формулы.

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)

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

М – количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, кг/с;

 - средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно, кг/кг.

Уравнение математического  баланса имеет вид:

  ,     (2)

где

М – количество распределённого  компонента А,

G – расход инертного газа (воздух),

L – расход поглотителя (вода),

Х_н, Х_к - начальная и конечная концентрации поглощаемого компонента в жидком поглотителе, кмоль А/кмоль С;

Y_н, Y_к - начальная и конечная концентрации поглощаемого компонента в газе, кмоль А/кмоль В.

 

 

 

 

 

II Расчёт насадочного абсорбера

 

Задание:

В насадочном абсорбере чистой водой поглощается целевой компонент  из его смеси с воздухом при  давлении П и температуре t. Расход газа V₀ (при нормальных условиях: 0°С, 760 мм. рт. ст.), начальное содержание А в газе y_н, степень извлечения А равна η.

Коэффициент избытка орошения φ, коэффициент смачивания ψ,

Задавшись коэффициентом  массопередачи К определить диаметр и высоту абсорбера, гидравлическое сопротивление.

 

Размер насадки, мм	Целевой компонент А	П, МПа	t,°С	Vc,м3/ч	ун,%	η, %	φ	ψ	К·106,
Седла Берзя керам 2020	сероводород Н2S	0,9	5	900	9	93	1,4	0,88	0.9

 

 

_{2.1 Расчет массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя}

 

1. Определим мольную долю сероводорода на входе в абсорбер.

Мольная доля любого компонента смеси идеальных газов равна его объемной доли:

 

Тогда:

    (3)

_где:

 – относительная массовая  концентрация поглощаемого компонента  в газовой фазе, кг А/кг В;

М_А, М_В – соответственно мольные массы поглощаемого компонента и инертного газа, кг/кмоль (М_{сероводорода} = 34 кг/кмоль: М_возд = 29 кг/кмоль).

2. Конечное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе можно определить с учетом степени поглощения по формуле:

;       (4)

где η =93%/100%=0,93 (по заданию) степень поглощения компонента.

3. Исходная концентрация сероводорода в воде .

Конечная концентрация сероводорода в поглотителе обусловливает его расход, который, в свою очередь, влияет на размеры, абсорбера, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией.

Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя.

Равновесная зависимость  системы газ-жидкость определяется законом Генри и следствием из закона Дальтона:

        (5)

где m - коэффициент распределения Е = 0,239·10⁶ мм. рт. ст. = 31,896 МПа – коэффициент Генри для сероводорода при t = 5°С (таблица П3 [7]).

 

Конечное равновесное  содержание поглощаемого компонента в  жидкости:

      (6)

4. Минимальный удельный расход поглотителя:

      (7)

5. Удельный расход абсорбента с учетом коэффициента избытка орошения.

        (8)   6. Конечное содержание поглощаемого компонента в жидкости, соответствую-щее оптимальному расходу абсорбента:

.     (9)

7. Массовый расход инертной части газа:

             (10)

где  V₀ – расход газовой смеси при нормальных условиях, м³/ч;

r_0у - плотность инертного газа (воздуха) при нормальных условиях, кг/м³.

3600-переводной коэффициент.

8. Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту,

                (11)

9. Расход поглотителя:

    (12)

 

2.2 Расчет движущей силы массопередачи

 

В насадочном абсорбере жидкая и газовая фазы движутся противотоком, при этом контакт фаз близок к непрерывному.

Процесс абсорбции - изотермический (линия равновесия является прямой), расходы фаз постоянны (G=const и L=const).

1. Предполагая, что потоки фаз равномерно распределены по поперечному сечению аппарата, перемешивание отсутствует, частицы каждой фазы движутся с одинаковыми скоростями, при этом концентрации фаз постоянны по поперечному сечению аппарата и изменяются только по его высоте, т.е. принимая модель идеального вытеснения, средняя движущая сила определяется по формуле

      (14)

 

2. Определим число единиц переноса.

Для линейной равновесной  зависимости можно использовать аналитический метод,

       (15)

 

2.3 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

 

1. Предельную скорость газа в насадочных абсорберах можно рассчитать по уравнению

    (16)

_{α = 310м²/м³;}