Расчет барботажного абсорбера

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Если поглощаемый газабсорбтив — химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом).Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обеих видов абсорбции.

Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора-десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами или нагреванием.

Сочетание абсорбции и десорбции позволяют многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбции проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1. Для получения готового продукта (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCI с получением хлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты и т. д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции.

2. Для выделение ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа); при этом абсорбцию проводят с сочетанием с десорбцией.

3. Для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка поточных газов от SO₂, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т. д.). Очистку газов от вредных примесей адсорбцией используют также применительно к технологическим газам, когда присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа (например, очистка коксового и нефтяного газов от H₂S, очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО и т. д.). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией.

4. Для осушки газов, когда в абсорбционных процессах учавствуют две фазы-жидкая и газоваяи происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции), причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не учавствуют.

Аппараты, в которых осуществляют эти процессы, называют абсорберами.

Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппаратыабсорберыдолжны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами. По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, разделяются на следующие группы:

1. Пленочные абсорберы. Поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: трубчатые абсорберы; абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

2. Насадочные абсорберы. Представляют собой колонны, заполненные насадкой-твердыми телами различной формы. Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки.

3. Барботажные (тарельчатые) абсорберы. Представляют собой вертикальные цилиндры-колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещаются горизонтальные перегородки — тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействии жидкости и газа.

4. Распыливающие абсорберы. Контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяются на следующие группы: полые (форсуночные) распыливающие абсорберы; скоростные прямоточные распыливающие абсорберы.

Расчет барботажного абсорбера состоит из следующих последовательных этапов :

— определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя;

— выбор оптимальной конструкции тарелки;

— расчет скорости газа и диаметра абсорбера;

— определение числа тарелок и диаметра абсорбера;

— расчет гидравлического сопротивления абсорбера;

— механические расчеты основных узлов и деталей.

Условные обозначения в приведенных ниже формулах представлены в приложении.

1. Исходные данные

Рассчитать абсорбер для поглощения ацетона из воздуха водой. Давление в абсорбере атмосферное, температура 20⁰С. Уравнение линии равновесия Y^*=1.68X. Начальное содержание ацетона в воздухе 12% объемных. Степень извлечения 97%. Коэффициент избытка поглотителя 1.28. Расход газовой смеси 3200 м³/час.

2. Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

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

где , — начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в поглотителе,; , — начальная и конечная концентрации поглощаемого вещества в газе, .

Плотность воздуха при рабочих условиях определяется из уравнения Клапейрона:

Молярные массы компонентов смеси:

Молярная масса С₃Н₆О:

Молярная масса воздуха:

Мольная доля ацетона, (из условия, начальное содержание ацетона в воздухе равно 12%).

Начальная концентрация ацетона в воздухе Конечная концентрация ацетона в воздухе Уравнение растворимости ацетона в воде дано в относительных мольных концентрациях: Y^*=1.68X. Его надо перевести в относительные массовые концентрации:

; .

.

Следовательно, или .

Начальная концентрация ацетона в воде (по условию). Конечная концентрация ацетона в воде определяется из только что полученного выше уравнения линии равновесия с учетом заданного коэффициента избытка поглотителя .

.

Теперь по уравнению материального баланса находим количество поглощаемого ацетона:

.

Далее из этого же уравнения определяется расход поглотителя (воды)

.

Удельный расход поглотителя:

Рис. 1. 1-рабочая линия, 2- равновесная линия.

3. Выбор оптимальной конструкции тарелки

Рассмотрим возможность применения для данного процесса колпачковой тарелки с круглыми колпачками. Как следует из табл., наряду с несомненными достоинствами (большая область устойчивой работы, большая эффективность, лёгкость пуска и остановки) такая тарелка обладает рядом недостатков (высокое гидравлическое сопротивление, большой брызгоунос, необходимость в больших запасах жидкости, трудности монтажа, обработки взвесей и отвода тепла). Но в данном случае эти недостатки несущественны, так как по условию расходы реагентов относительно небольшие (небольшими будут и габариты аппарата), поглотитель предусматривается чистым, а тепло отводить не обязательно. Кроме того, следует иметь в виду, что тарелки этого типа широко используются в промышленности, процессы в них хорошо изучены. Исходя из вышесказанного применяем для данного процесса колпачковую тарелку с круглыми колпачками.

Сравнительные характеристики тарелок таблица 1

Обозначения типов тарелок, приведенных в этой таблице: 1 — колпачковая с круглыми колпачками; 2 — колпачковая с прямоугольными колпачками; 3 — «Юнифлакс»; 4 — ситчатая с переливом; 5 — ситчатая с направляющими отбойниками; 6 — клапанная с круглыми клапанами; 7 — клапанная с прямоугольными клапанами; 8 — балластная; 9 — колпачково-ситчатая; 10 — решётчатая провальная; 11 — дырчатая провальная; 12 — трубчатая провальная.

4. Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера

Скорость газа рассчитывается по уравнению:

м/с.

где и — плотности жидкого поглотителя и инертного газа соответственно при рабочих условиях, кг/м³;

С — коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, условий процесса.

Его значения приведены на графике (рис. 3).

Рис. 2. Значения коэффициента С: А, Б — колпачковые с круглыми колпачками и В— ситчатые тарелки Расстояние между тарелками (мм) следует выбирать из следующего ряда: 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200. Чем больше диаметр абсорбера, тем больше расстояние между тарелками, и наоборот. Если выбрать расстояние между тарелками 400 мм, то коэффициент С равен 0,044 (см. рис. 3). Тогда скорость газа где — плотность воды при 20 єС .

Объёмный расход газа при условиях в абсорбере по исходным данным: .

Тогда диаметр абсорбера, определяемый по формуле:

м.

где — объёмный расход газа при условиях в абсорбере, .

.

Принимаем колонный аппарат диаметром 1000 мм с тарелками ТСК-1. Тогда фактическая скорость газа в свободном сечении колонны определяется из уравнения :

.

где — стандартный диаметр обечайки, м.

Техническая характеристика тарелок ТСК-1 таблица 2.

Расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки для исполнения 1 определяется:

Здесь — расстояние между тарелками по условию; 0,055 — значение H (из таблицы 2).

Диаметр колпачка (из таблицы 2). Тогда предельно допустимая скорость газа, рассчитываемая по уравнению:

где — диаметр колпачка, м; - расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки, м.

Поскольку фактическая скорость газа меньше предельно допустимой скорости газа, тарелка работает в пенном режиме.

На следующем этапе расчётом проверяется, обеспечивается ли при данной скорости газа полное открытие прорезей в колпачках. Схема колпачка приведена на рис. 4. Величина h для исполнения 1 равна 15 или 20 мм, для исполнения 2 — 20 или 30 мм; значение k для исполнения 2 находится в пределах 0…10 мм.

Рис. 3. Схема колпачка Скорость газа в паровых патрубках (их площадь берётся из таблицы 2) рассчитывается по уравнению:

.

где — площадь поперечного сечения аппарата, м²; - площадь поперечного сечения паровых патрубков, м².

При полном открытии прорезей в колпачках объёмная скорость газа принимается равной объёмной скорости газа в патрубках. Стандартная ширина прорези в колпачках, принимаем высоту прорези при числе их 30 (из таблицы 2), то общее сечение прорезей, определяемое по формуле:

где — число прорезей (из таблицы 2).

Тогда скорость газа в прорезях при числе колпачков (из таблицы 2), определяемая по уравнению:

.

Барботаж газа через жидкость начинается при некотором начальном открытии прорези. Для его определения задаемся поправочным множителем, коэффициент, зависящий от формы прорези. Для прямоугольных прорезей. Находим поправочный множитель f_2. Для прямоугольных прорезей:

Начальное открытие прорези рассчитаем по уравнению:

.

— поверхностное натяжение жидкости,. Поверхностное натяжение воды при 20 єС равно 72,8· 10-³ Н/м.

Скорость газа, при которой происходит полное открытие прорезей определяем из уравнения:

=

где; (для прямоугольных прорезей).

Эта скорость меньше скорости газа в прорезях (), т. е. полное открытие прорезей в колпачках обеспечивается.

5. Определение числа тарелок и высоты абсорбера

Для определения числа теоретических тарелок строится график (рис. 4), аналогичный графику, представленному на рис. 1.

Рис. 4. Определение числа теоретических тарелок графическим способом.

Чем больше размеры графика, тем точнее расчёт. Построения на графике проводятся следующим образом: из начальной точки рабочей линии с координатами (,) проводится горизонталь до пересечения с равновесной линией. От точки пересечения проводится вертикаль до пересечения с рабочей линией. От точки пересечения проводится горизонталь до пересечения с равновесной линией и т. д. Как правило, последняя «ступень» оказывается неполной. Число единиц переноса, соответствующее последней неполной «ступени», равно отношению отрезка AB, ограничивающего её, к вертикальному отрезку ST между рабочей и равновесной линиями, проведённому через середину основания неполной «ступени» (т.е. КО = ОВ). На графике рис. 4 длина отрезка AB равна 9,57 мм, отрезка ST — 10,9 мм. Тогда число теоретических тарелок: .

Коэффициент полезного действия тарелки находится в пределах 0,3…0,8. Задаемся КПД тарелки 0,6. Тогда число действительных тарелок, определяемое по формуле:

. Округляем до 15 шт.

Высота тарельчатой части абсорбера, определяемая по формуле:

где — расстояние между тарелками, м.

Общая высота аппарата с учётом расстояния от днища до нижней тарелки и от верхней тарелки до крышки составит:

6. Расчёт гидравлического сопротивления абсорбера

Для определения сопротивления сухой тарелки принимаем коэффициент равным 4,75. Тогда сопротивление сухой тарелки, определим по формуле:

— скорость газа в прорезях колпачков или в отверстиях тарелки,

— коэффициент сопротивления (для колпачковых тарелок 4,5…5,0).

Эквивалентный диаметр отверстия для прорези данного колпачка:

.

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, определим по формуле:

.

где — поверхностное натяжение, .

Объёмный расход жидкости:

Периметр слива L_c = 0,80 м (из таблицы 2).

Высота уровня жидкости над сливным порогом, определим по формуле:

Расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога можно принять равным 20 мм (из таблицы 2). Сопротивление газожидкостного слоя, определим по формуле:

где — относительная плотность газожидкостного слоя (принимается обычно 0,5).

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки, определим по формуле:

.

Гидравлическое сопротивление абсорбера, определим по формуле:

7. Механические расчеты основных узлов и деталей

Расчёт толщины обечайки и днища.

Процесс абсорбции проводится под атмосферным давлением, поэтому толщина стенки выбирается из таблицы 3. Для диаметра 1 м толщину можно принять равной 10 мм. Такую толщину принимаем для днища и крышки аппарата.

Зависимость толщины стенки обечайки от ее диаметра таблица 3.

Расчёт фланцевых соединений и крышек.

Для определения расчётного растягивающего усилия в болтах предварительно зададимся некоторыми величинами. Примем диаметр внутренней резиновой прокладки равным наружному диаметру аппарата (1 + 2· 0,01 = 1,02 м). Если принять ширину прокладки, то средний диаметр уплотнения:

.

Тогда растягивающее усилие определим по формуле:

.

— рабочее давление, МПа; - коэффициент, зависящий от материала прокладки (для плоских прокладок из резины; из других материалов).

Задаем диаметр болтов. Тогда число болтов определяем из формулы:

— допускаемое напряжение на растяжение в болтах, (определяется из рис. 5); - площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру, (внутренний диаметр резьбы составляет от наружного).

Рассчитанное число болтов округляют до ближайшего большего числа, кратного четырем. Принимаем 12 болтов диаметром .

Рис. 5. Допускаемые напряжения для стали: 1 — Ст. 3, 2 — Х18Н10Т Диаметр болтовой окружности определяем из формулы:

где — внутренний диаметр фланца, м.

Наружный диаметр фланца определяем по уравнению:

— наружный диаметр болта, м.

Приведённая нагрузка на фланец при рабочих условиях определяется по формуле :

МН.

Для нахождения вспомогательных величин и А необходимо найти коэффициенты и. Отношение: .

Рис. 6. Графики для определения коэффициентов и .

Из графиков на рис. 6: и .

Вспомогательная величина при рабочих условиях, определяется из формулы:

.

где — предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, (для сталей Ст. 3 и Х18Н10Т можно принять); - толщина обечайки, м.

Вспомогательная величина А при рабочих условиях, определяется из формулы:

Поскольку выполняется условие, высоту фланца определяем по формулам:

Из двух рассчитанных значений высоты выбирают большее. Принимаем высоту фланца .

Толщина плоских крышек, закрывающих люки, принимается равной толщине обечайки (10 мм).

Расчёт опоры аппарата.

Рис. 7. Схема лапы.

Принимаем в качестве подвески лапы (рисунок 7). До расчёта толщины ребра предварительно определим некоторые величины. Максимальный вес аппарата можно примерно принять равным удвоенному весу воды, полностью заполняющей корпус. Объём корпуса аппарата:

Тогда вес воды:

Вес аппарата В указано, что для аппарата весом, т. е. примерно в четыре раза более тяжёлого, принимаются четыре двухрёберные лапы с вылетом. Для данного веса принимаем две двухрёберные лапы с вылетом. Если принять коэффициент равным 0,6, тогда толщина ребра:

0.014 м=14 мм.

где — максимальный вес аппарата, (во время испытаний, когда аппарат заполнен водой); - число лап; - число ребер в лапе (одно или два); - допускаемое напряжение на сжатие (можно принять); - вылет опоры, м.

Отношение. По графику (рисунок 8) для такого отношения

Не совпадает с принятым значением k, поэтому требуется пересчет толщины ребра.

Тогда толщина ребра будет равна:

0.09 м=9 мм.

Рис. 8. График для определения коэффициента .

Высота лапы:

.

Общая длина сварного шва:

Прочность сварного шва, определим по уравнению :

— катет сварного шва, м (обычно величина принимается равной); - допускаемое напряжение материала шва на срез ().

т. е. прочность шва обеспечена.

Чертеж общего вида

Вывод

Наиболее важный конечный результат расчета абсорбционного аппарата — определение расхода абсорбента и основных размеров массообменного аппарата.

В результате расчета барботажного абсорбера для поглощения ацетона из воздуха водой, была выбрана колпачковая тарелка с круглыми колпачами.

Получены следующие величины, необходимые для проектирования аппарата: абсорбер массообменный поглотитель гидравлический

— расход абсорбента: L = 1.01 кг/с

— количество поглощаемого вещества: 0.207 кг/с

— диаметр аппарата: d = 1 м

— число действительных тарелок: 15 шт

— высота абсорбера: Н=8.1 м

— гидравлическое сопротивление абсорбера: ?Р =8974 Па.

абсорбер массообменный поглотитель гидравлический

Список используемой литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г. С. Борисов, В. С. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. / Под ред. Ю. И. Дытнерского. — М.: Химия, 1983.

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

3. Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1991.