Насадка; 2 - опорная решетка; 3 - распределитель жидкости; 4 - перераспределитель жидкости.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Казанский национальный исследовательский

Технологический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

КОЛОННА АБСОРБЦИОННАЯ

НАСАДОЧНАЯ

Пояснительная записка к курсовому проекту

КНИТУ. 066 231 009 ПЗ

Заведующий кафедрой

Профессор

Руководитель

Доцент

Выполнил

Студент

Казань 2014

КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ

ТЕХНОЛОГИИ

ЗАДАНИЕ № АН-9

(ФИО)

группа № --------Факультет __________

Тема проекта и исходные данные:

Рассчитать и спроектировать насадочный абсорбер для уменьшения кон­центрации абсорбтива с у_н = 1,2 (моль.%) до у_к = 0,12 (моль.%) в инертном газе, объемный расход которого при нормальных условиях V₀=1,6 (м³/с) с помощью абсорбента при t=20⁰C и давлении Р = 1 атм; х_Н=0.

Абсорбтив- Ацетон, абсорбент- вода, инертный газ - воздух , тип насадки- Кольца Рашига, керамические, упорядоченные .

Коэффициент распределения m = 1,68.

2. Перечень обязательного графического материала проекта:

1) Чертеж общего вида аппарата – 1 лист формата А1;

2) Функциональная технологическая схема установки – 1 лист формата А2 или А3.

3.Основная литература:

1. «Выполнение и оформление курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии»: Методические указания. Каз.гос. технол. Ун-т; Маминов О.В. и др.Казань, 2002, 40с.

2. «Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию» под. редакцией Дытнерского Ю.И. – М., Химия 1983, 272 с.

3. www.moodle.ipm.kstu.ru

Руководитель проекта, доцент

Содержание

Введение_______________________________________________4

Выбор конструкционного материала аппарата_______________8

Технологический расчет______________________________________9

Расчет массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя_10

Расчет движущей силы процесса массопередачи_____________15

Расчет коэффициента массопередачи_______________________16

Расчет скорости газа и диаметра абсорбера__________________17

Расчет плотности орошения и активной поверхности насадки__19

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи_____________________________20

Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера______26

Конструктивный расчет__________________________________28

Гидравлический расчет____________________________________30

Механический расчет_____________________________________32

Заключение________________________________________________35

Список использованной литературы________________________36

Приложение_____________________________________________38

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

Разраб.

Провер.

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Колонна абсорбционная насадочная

Лит.

Листов

Каф.ПАХТ гр.№

Введение.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или парогазовых 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.

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. По

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

верхность 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:

насадка; 2 - опорная решетка; 3 - распределитель жидкости; 4 - перераспределитель жидкости.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066 231 009 ПЗ

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.

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.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

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 75мм 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 слож из стали ность изготовления колец Палля. Изготавливают эти кольца из стали и пластических масс.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

1. Выбор конструкционного материала аппарата

При изготовлении аппаратов к конструкционным материалам предъявляются следующие требования:

1. Достаточная общая химическая и коррозионная стойкость материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитная коррозия, электрохимическая коррозия сопряжённых металлов в электролитах, коррозия под напряжением и др.);

2. Достаточная механическая прочность при заданных давлении и температуре технологического процесса, с учётом специфических требований, предъявляемых при испытании аппаратов на прочность, герметичность и т. п. и в эксплуатационных условиях при действии на аппараты различного рода дополнительных нагрузок (ветровая нагрузка, прогиб от собственного веса и т. д.);

3. Наилучшая способность материала свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивной среде, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться сгибу и т. п.;

4. Низкая стоимость материала, не дефицитность и освоенность её промышленностью. Необходимо стремиться применять двухслойные стали, неметаллические материалы, стали с покрытиями из неметаллических материалов.

Материал деталей колонны, соприкасающихся с разделительными жидкостями - сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, для остальных - сталь Ст3 ГОСТ 380 - 71.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

2. Технологический расчет

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 по жидкой и газовой фазам, ;

М – количество вещества, переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени, ;

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ 066 231 009 ПЗ

2.1 Расчет массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя

Обозначим: A - абсорбтив, В – инертный газ, С – абсорбент; - начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе; - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе; - начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе; - конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе.

Массу абсорбтива A (ацетона) переходящего из газовой смеси в абсорбент можно найти из уравнения материального баланса:

M = G , (2)

где L, G- расходы чистого абсорбента (воды) и инертной части газа (воздуха), ;

- начальная и конечная относительные массовые концентрации абсорбтива (ацетона) в абсорбенте (воде), ;

- начальная и конечная относительные массовые концентрации абсорбтива (ацетона) в инертной части газа (воздухе), .

Пересчитаем мольные концентрации в относительные массовые концентрации по формуле:

(3)

где у - концентрация, выраженная в мольных долях, [%]; мольные массы абсорбтива (ацетона) и инертного газа (воздуха) .

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Исходная концентрация ацетона в воде .

Конечная концентрация ацетона в поглотителе обусловливает его расход, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию.

Уравнение равновесной линии в относительных массовых концентрациях:

, (4)

где - коэффициент распределения.

(5)

где m=1,68 - для смеси ацетон-вода.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Уравнение равновесной линии .

(6)

Расход инертной части газа:

, (7)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

где - плотность инертного газа (воздуха) при условиях в абсорбере, ;

- объемный расход инертного газа (воздуха) при условиях ( ) в абсорбере.

Приведем объемный расход воздуха к условиям в абсорбере:

(8)

где (по заданию); .

Пересчитаем плотность инертного газа (воздуха) на условия в абсорбере:

(9)

где - плотность воздуха при нормальных условиях

t - температура в абсорбере , ;

- нормальное давление (0,1 МПа);

P - давление в абсорбере, ;

= 1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях;

.

Определим массовый расход воздуха по формуле (7):

.

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту в соответствии с уравнением (2):

M = G ..

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Определим - минимальный расход абсорбента в соответствии с уравнением(6)

где .

Расход абсорбента (воды) принимаем из условия 10:

. (10)

Конечную относительную массовую концентрацию определяем из уравнения материального баланса (6):

Откуда конечная концентрация :

где - относительная массовая концентрация ацетона в жидкой фазе (воде), равновесная с концентрацией ацетона в газе, ; - начальная относительная массовая концентрация ацетона в воде ;

Тогда соотношение расходов фаз или удельный расход поглотителя:

(11)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.2 Расчет движущей силы процесса массопередачи

В насадочных абсорберах жидкая и газовая фаза движутся противотоком. Движущую силу процесса определяем по уравнению (12):

(12)

где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, (рисунок 1 и 2).

Значение найдем по уравнению равновесной линии:

(13)

Движущая сила абсорбции внизу колонны:

(14)

Движущая сила наверху колонны:

(15)

где и - концентрации ацетона в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (рисунок 2).

Средняя движущая сила процесса абсорбции:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.3 Расчет коэффициента массопередачи

Коэффициент массопередачи находим по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

(16)

где и - коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах, ; m – коэффициент распределения, .

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными условиями проведения процесса – нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колоне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В нашем случае насадка определена условиями задания:

Тип насадки: Кольца Рашига, керамические, упорядоченные.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.4 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

Определим скорость в точке захлебывания или предельную скорость газа в насадочном абсорбере:

(17)

где - предельная фиктивная скорость газа в точке захлебывания, ; - удельная поверхность насадки, ; - доля свободного объема, ; - плотность газа и жидкости, ; - вязкость поглотителя в абсорбере и воды при , ; - коэффициенты, зависящие от типа насадки; - расходы жидкости и газа, .

В рассматриваемом проекте используются в качестве насадки керамические кольца Рашига упорядоченные. Возьмем насадки размером 80X80X8; насадка из таких колец имеет следующие характеристики (см. таблица 1): , , , , , ,

Таблица 1. Регулярные насадки "керамические кольца Рашига"

Насадки	,				число шт. в 1
50X50X5		0,735	0,027
80X80X8		0,72	0,036
100X100X10		0,72	0,048

Откуда

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Рабочая скорость газа в насадочном абсорбере:

(18)

Диаметр абсорбера находим по уравнению объемного расхода:

(19)

где V - объемный расход газа при условиях в абсорбере, .

Принимаем стандартный диаметр абсорбера 1,0 м.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.5 Расчет плотности орошения и активной поверхности насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

(20)

где

S - площадь поперечного сечения абсорбера, ;

L - массовый расход поглотителя (воды), ;

ρ_x - плотность жидкости, .

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости или неравномерного распределения газа по сечению колоны.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения , выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения находят по соотношению:

, (21)

где – эффективная линейная плотность орошения, ;

Доля активной поверхности насадки ψ_а может быть найдена по формуле:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

(22)

где и – коэффициенты, зависящие от типа насадки.

Как видим, не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое число точек орошения n на 1 поперечного сечения колонны. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для регулярных насадок коэффициент массоотдачи в газовой фазе находят из уравнения:

, (23)

где

- диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

d_Э - эквивалентный диаметр насадки, м;

l – высота элемента насадки, м.

Тогда, учитывая, что , находим :

, (24)

где - средний коэффициент диффузии ацетона в газовой фазе, .

Определим критерий Рейнольдса:

(25)

где - рабочая скорость газа в абсорбере, ;

d_Э - эквивалентный диаметр насадки, м;

- плотность газа, ;

- доля свободного объема, ;

- вязкость газа, .

Приведем к условиям в абсорбере:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Критерий Прандтля определим по формуле:

(26)

где - вязкость газа, ;

- плотность газа, ;;

- коэффициент диффузии ацетона в газовой фазе, .

Коэффициент диффузии ацетона в газе можно рассчитать по уравнению:

где - коэффициент диффузии ацетона в газовой фазе при 0 .

Определим критерий Прандтля по формуле (26):

Определим коэффициент массоотдачи в газовой фазе по формуле (24):

Выразим β_y в выбранной для расчета размерности:

(28)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β_x находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных, так и для неупорядоченных насадок:

, (29)

где - критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

- диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы;

- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда (в м/с) равен:

(30)

где - средний коэффициент диффузии ацетона в жидкой фазе (воде), ;

- приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м.

Определим критерий Рейнольдса:

(31)

где - плотность орошения, ;

- плотность жидкости, ;

- удельная поверхность насадки, ;

- вязкость жидкости, .

Плотность орошения определили по формуле (20):

.

Приведенную толщину стекающей пленки жидкости определим по формуле:

(32)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

где - плотность жидкости, ;

- вязкость жидкости, ;

- ускорение свободного падения, .

Критерий Прандтля определим по формуле:

(33)

где - плотность жидкости, ;

- вязкость жидкости, ;

- коэффициент диффузии ацетона в жидкой фазе (воде), .

Коэффициент диффузии ацетона в воде определим по формуле:

(34)

где - параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя;

M - молекулярная масса растворителя (воды);

T - температура процесса абсорбции, К;

- вязкость воды, ;

- молекулярный объем ацетона.

Определим критерий Прандтля по формуле (33):

Определим критерий массоотдачи в жидкой фазе по формуле (30):

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

(35)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

Найдем коэффициент массопередачи по газовой фазе по формуле (16):

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

2.7. Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера

В соответствии с основным уравнением массопередачи поверхность массопередачи в абсорбере определяется по формуле:

(36)

где M - производительность абсорбера по поглощаемому компоненту, ;

- коэффициент массопередачи по газовой фазе, ;

- средняя движущая сила процесса абсорбции, .

Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле :

(37)

где - поверхность массопередачи, ;

- удельная поверхность насадки, ;

- диаметр абсорбера, м;

- доля активной поверхности.

Поставив численные значения, получим:

Рассчитаем высоту насадочной части абсорбера: (38)

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Это расстояние обычно принимается равным от 1 до 1,5 диаметра ко

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

лонны. Расстояние от верха насадки до крышки аппарата зависит от размеров распределительной тарелки и каплеотбойных устройств. Примем это расстояние равным 2,4 м.

Общая высота аппарата составит:

(39)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

3. Конструктивный расчет

Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными (резьбовыми, фланцевыми, сальниковыми) и неразъемными (сварными, паяными, клеевыми). Наиболее распространены разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными за одно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонкостенными и толстостенными. Типы штуцеров зависят от номинального (условного) давления и температуры среды.

Присоединение фланцевых штуцеров к корпусу аппарата, днищу или крышке выполняется с определенным вылетом, который зависит от условного диаметра и условного давления, а также от толщины изоляции аппарата, если он таковую имеет.

По назначению все фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяют на фланцы для трубной арматуры и труб (сюда же относятся все фланцы штуцеров и аппаратов) и фланцы для аппаратов (с их помощью осуществляется крепление крышек, днищ и т.д.).

Диаметр штуцера для ввода и вывода газовой фазы:

здесь

Диаметр штуцера для ввода и вывода жидкой фазы:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КНИТУ.066274.009 ПЗ

здесь