Описание технологической схемы установки

Аннотация

Данный курсовой проект состоит из научно-исследовательской и технологической части. Разработана конструкция технологическая схема аппарата микробарботажной очистки газовой смеси, описан принцип его работы. Приведен материальный баланс установки и на основе материального баланса произведен технологический расчет.

Курсовой проект содержит 2 таблицы, 4 рисунка, общий объем работы 29 страниц. Графическая часть курсовой работы выполнена на листе формата А1 и содержит технологической схемы мембранного аппарата.

Содержание

Аннотация…………………………………………………………………………….

Нормативные ссылки………………………………………………………………...

Определения………………………………………………………………………….

Обозначения и сокращения………………………………………………………….

Введение………………………………………………………………………………

1. Описание технологической схемы установки……………………………………

2. Обоснование выбора конструкции основного аппарата. Выбор конструкционных материалов………………………………………………………

3. Технологический и конструктивный расчет основного аппарата

3.1 Материальный баланс мембранного процесса…………………………………

3.2 Расчет поверхности мембраны………………………………………………….

3.3 Определение основных параметров мембранного аппарата………………….

4. Подбор вспомогательного оборудования

4.1 Подбор насоса…………………………………………………………………….

4.2 Подбор емкостного оборудования………………………………………………

5. Охрана окружающей среды………………………………………………………

Заключение……………………………………………………………………………

Список литературы…………………………………………………………………..

Спецификация………………………………………………………………………..

Нормативные ссылки

1. ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования.

2 . Закон Республики Казахстан «Об образовании» от 7 июня 1999 г. № 389-1 с изменениями и дополнениями, внесенными в соответствии с Законом Республики Казахстан от 31.01.2006 г. № 125-111.

3. ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

4. ГОСТ 12.1.010-76 Система стандартов безопасности труда. Взрывоопасность. Общие требования.

5. ГОСТ 12.2.003-91 Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

6. ГОСТ 11534-75 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

7. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

8. ГОСТ 14776-79 Дуговая сварка. Соединения сварные точечные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

9.ГОСТ 22247-96 Насосы центробежные консольные для воды

10. ГОСТ 12820-80 Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см кв.). Конструкция и размеры

Определения

Отходящие газы – это побочный продукт производства на промышленных предприятиях.

Мембранные процессы - процессы пропускания жидкости через пористую непрерывную среду (мембрану) с отверстиями определенного размера.

Абсорбция — процесс поглощения газов или паров жидкостью.

Барботаж — это процесс пропускания газа или пара через слой жидкости.

Пермеат (фильтрат) - это поток очищенной воды, выходящий из установки мембранного разделения.

Концентрат (ретант) - поток веществ, не прошедших через мембрану в процессе мембранного разделения.

Массоотдача —массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой.

Хемосорбция иначе химическая адсорбция— адсорбция, при которой между адсорбентом и адсорбатом в монослое на поверхности происходит образование химической связи.

Массообменные процессы – такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией.

Трубчатые керамические мембраны- тонкостенные трубки диаметром 5–20 мм из пористых керамики, металла, стекло- или графитопласта со специальным разделительным слоем или без него.

Обозначения и сокращения

D – внутренний диаметр трубчатой мембраны, м;

d – диаметр микропузырька, м;

d₀ – диаметр поры, м

λ – коэффициент трения;

m - вязкость дисперсионной среды, Па∙с;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

ρ_G – плотность газа, кг/м³;

ω – скорость жидкости в канале мембраны, м/с;

Re – критерий Рейнольдса;

R_min- минимальная дпустимая селективность мембраны ;

G₀- удельная производительность мембраны по чистой воде;

μ₀- кинематическая вязкость воды;

μ- кинематическая вязкость СО₂;

G- удельная производительность мембраны;

W_п- расход пермеата;

F-потребная площадь мембраны;

n_мод- количество мембранных модулей;

N_апп- количество мембранных аппаратов в установке;

W_k- выход концентрата;

W_п- выход пермеата;

Δр_м- рабочий перепад давления через мембрану ;

Δр_u- гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора в аппарате;

Δр_Д- гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже;

Δр_П- потери давления на трения по длине и в местных сопротивлениях в трубопроводах и арматуре;

Δр_r- потери давления, связанные с подъемом жидкости на определенную геометрическую высоту;

w_вx-линейная скорость раствора внутри капилляра;

d- диаметр трубопровода;

ГОСТ- Государственный стандарт;

ИТР- инженерно-технический ресурс;

Х- хемосорбер;

Е-емкость;

Н- насос;

Введение

За последние десятилетия мембранная технология разделения газовых смесей активно внедряется в промышленность. Мембранные процессы разделения основаны на преимущественной проницаемости одного или нескольких компонентов газовой смеси через разделительную перегородку – мембрану. Мембранные процессы могут быть обусловлены градиентами давления (баромембранные процессы), электрического потенциала (электромембранные процессы), концентрации (диффузионно-мембранные процессы) или комбинацией нескольких факторов. Разделение газовых смесей проводят путем диффузионно-мембранных процессов. Диффузионный метод разделения газовых смесей имеет ряд преимуществ, основные из которых следующие:

-возможность образования промышленных газоразделительных комплексов большой производительности по перерабатываемому газу на основе одного или нескольких типов мембранных моделей, компонуемых в многократно повторяющиеся типовые блоки и установки;

-возможность организации доставки потребителям транспортабельных комплексных газоразделительных блоков полной заводской готовности;

-простота конструкции мембранных аппаратов с газоразделительными элементами на основе полимерных пленок и полых волокон;

-простота эксплуатации диффузионных газоразделительных комплексов, установок и блоков;

-снижение капитальных вложений и энергетических затрат при диффузионном газоразделении.

Процессы, в основе которых лежит контакт между газом и жидкостью, такие как абсорбционная очистка газов, проведение химических реакций между газовой и жидкой фазами, флотация и другие, широко распространены в различных областях химической промышленности. При осуществлении этих процессов, одним из ключевых параметров является поверхность контакта взаимодействующих фаз. При этом величина поверхности непосредственно зависит от размеров получаемых пузырьков – чем меньший диаметр они имеют, тем больше величина поверхности раздела фаз (при одинаковом газосодержании в барботажном слое). В последнее время в литературе появился ряд публикаций, сообщающих о том, что при диспергировании газа через пористые мембраны образуются микропузырьки, имеющие размеры от 0.5 до 150 мкм. Благодаря малым размерам образующихся пузырьков процесс мембранного микробарботажа может быть положен в основу разработки высокоэффективных массообменных аппаратов. Такие аппараты могли бы проектироваться по типу кожухотрубного мембранного модуля и благодаря высокой удельной поверхности контакта фаз имели бы значительно меньшие размеры по сравнению с обычными барботажными аппаратами. При этом недостатки, связанные с ограничением нагрузок по газу и жидкости для таких аппаратов отсутствуют. Кроме того, имеются указания и на другие преимущества тонкого диспергирования газа перед обычным барботажом. Благодаря уникальным свойствам микропузырьков тонкое диспергирование газов может найти широкое применение в химической, пищевой и фармацевтической промышленностях, а также в области биотехнологии и медицины. Большой интерес представляет сравнение микробарботажного аппарата с мембранными контакторами на основе половолоконных мембран, применение которых к процессам абсорбционной очистки газов в настоящее время активно исследуется. Однако, несмотря на свою практическую значимость, детальные исследования гидромеханики процесса образования микропузырьков и межфазного массообмена в мембранных микробарботажных аппаратах до настоящего времени отсутствуют. Как видно из приведенного обзора, исследование очистки газа его диспергированием с образованием микропузырей в настоящее время ещё нельзя считать завершённой, так как комплексный подход – физическое и математическое моделирование, а также разработка конструкции микробарботажного аппарата, как ожидается, позволит получить новые и важные результаты в этой области.

Изобретение относится к технологии разделения смеси газов и может быть использован в химической, газовой, пищевой, медицинской, в нетрадиционной энергетике и в других отраслях промышленности.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности, упрощение конструкции и повышение эффективности разделения газовых смесей.

Практическая ценностьзаключается в том, что на основе разработанной технологий микробарботажной очистки газов, проведенных исследований и выявления основных гидродинамических и массообменных характеристик микробарботажного аппарата на модельных системах направленное на выяснение возможности применения микробарботажных процессов для проведения массообменных процессов между газом и жидкостью, теоретического и экспериментального определение размеров микропузырьков и межфазной поверхности в микробарботажном аппарате на следующих этапах НИР будут теоретический обоснована и опытно-промышленно испытана новая конструкция мембранного микробарботажного аппарата, предложены аппаратурно-технологические решения и практические рекомендации по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров средств и оборудования, а также разработана комплексная технология очистки газов и рекомендации оптимальных условий.

Использование предлагаемой конструкции мембранного аппарата для очистки разделения жидких и газовых смесей, позволяет повысить надежности и упрощение эксплуатации, что в конечном итоге снизить расходы и повысить продолжительность работы мембранного устройства.

Описание технологической схемы установки

Экспериментально-исследовательская установка состоит из хемосорбера Х для проведения микробарботажного процесса, из емкости Е объемом 30 литров, вихревого насоса Н первой степени пожаробезопасности, из запорных, ВЗ1, ВЗ2, ВЗ3, ВЗ4, ВЗ5 и регулирующих ВР1,ВР2 вентилей, контрольно-измерительных приборов (рисунок 1).

Газовая смесь содержащий СО₂, H₂S и другие примеси по трубопроводу Т1 поступает в межтрубное пространство хемосорбера Х, проникает в поры трубчатой керамической микрофильтрационной мембраны и выходит во внутренне пространство в виде микропузырьков. Давление газа на входе 1÷3 атм., образующиеся микропузырьки непрерывно смываются потоком водной суспензии СаО, содержащий микропузырьки. Далее суспензия вместе с пузырьками возвращается в емкость Е. суспензия подается в емкость Е вихревым насосом Н со следующими параметрами: производительность 0,001 м3/с, напор 16 мм.вод.ст., число оборотов 24,15 сек-1[1].

Насос подобран во взрывобезопасном исполнении.

Содержание СаО в суспензии 10-20% масс. Содержание СО₂ в газовой смеси измеряется на входе и выходе показывающим прибором, измерителем концентрации газа. В емкости Е измеряется рН среды. На входе газа в хемосорбер измеряется давление манометром. Расход суспензии на входе в хемосорбер измеряется ротаметром. Объемный расход суспензии содержащей пузырьки 0,5÷1 литр в секунду.

Содержащаяся в суспензии СаО, до полного превращения в карбонат может очистить до 0,8 м3 газовой смеси, содержащего 50% об. СО₂.

В емкости Е измеряется, также уровень суспензии водомерным стеклом и давление на дно манометром, а также давление над газожидкостным слоем.

Заполнение емкости Е производится через вентиль ВЗ4 насосом Н призакрытых вентилях ВР2, ВЗ1, ВЗ2, ВЗ5.

Для опорожнения емкости Е отработанной суспензии применяется насос Н при открытых вентилях ВЗ1, ВЗ5 и не полностью закрытом вентиле ВР2, остальные вентили закрыты.

В помещении в котором работает установка снабжена прибором измеряющим концентрацию СН₄ с сигнализацией в случае предельно-допустимой концентрации.

До настоящего времени не имеется данных по исследованию межфазного массообмена при мембранном диспергировании газа. Эти данные позволили бы сопоставить эффективность массообменных аппаратов. Исходя из этого, наша работа посвящена экспериментальному исследованию массообмена в мембранном микробарботажном контакторе на примере абсорбции СО₂ водной суспензией СаО. Содержание СаО в суспензии 10-20% масс.

Рисунок 1. Технологическая схема микробарботажной очистки газовой смеси.

Исследование межфазного массообмена в данной работе [1,2,3]проводилось на примере хемосорбции диоксида углерода растворами щелочи различной концентрации, для чего использовалась методика, предложенная Данквертсом[19,20].

Данный процесс включает две последовательные реакции:

CO₂ + OH^- = HCO^- ₃ (1)

HCO^- ₃ + OH^- = CO₃^2- + H2O (2)

Таким образом, суммарная реакция протекает по уравнению:

CO₂ + 2OH^- = CO₃^2- + H₂O. (3)

При достаточном избытке щелочи вторая реакция протекает практически мгновенно, поэтому процесс лимитируется первой реакцией, скорость которой определяется выражением:

N_R = k₂ [CO₂][OH^- ]. (4)

Поэтому при избытке ионов OH^- данная реакция может рассматриваться в качестве реакции псевдо-первого порядка.

Половолоконный мембранный модуль представляет собой пучки полых волокон диаметрами в несколько десятых и даже сотых долей миллиметра, герметично закрепленные концами в корпусе цилиндрической формы. Конструктивно половолоконный модуль схож с кожухотрубчатым теплообменником. В зависимости от того внутренняя или наружная поверхность мембранного волокна является активной (селективно проницаемой) разделяемый газ может подаваться во внутриволоконное либо межволоконное пространство аппарата. Плотность упаковки мембран в корпусе аппарата может достигать 20 000 - 30 000 м²/м³.

Разделение в мембранном половолоконном модуле происходит следующим образом. Исходный атмосферный воздух, предварительно сжатый, осушенный и очищенный от механических частиц и масла подается на вход в мембранный модуль. Далее воздух равномерно распределяется по полым волокнам, закрепленным в корпусе модуля. Разделение воздуха внутри каждой из половолоконных мембран происходит за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях мембраны.

Газы, имеющие большую проницаемость, преимущественно проходят в межмембранное пространство, тем самым формируя два потока: воздух обогащенный азотом и воздух обогащенный кислородом. Обогащенный азотом непроникший поток воздуха (ретантат, нонпермеат, продуктовый газ, азот) направляется потребителю. Проникший поток воздуха (пермеат, сбросной поток) сбрасывается в атмосферу.

Рисунок 2.2 Половолоконный мембранный модуль

Мембранный модуль является сердцем мембранной газоразделительной установки. Отдельные мембранные модули собираются (коллектируются) в мембранные блоки, а их количество зависит от необходимой производительности мембранной установки по продуктовому газу (например азоту).На чертеже представлена конструкция предлагаемого аппарата.