Описание технологического процесса, происходящего в аппарате

Аннотация

Данный курсовой проект состоит из научно-исследовательской и технологической части. Проанализированы литературные и патентные данные по мембранным аппаратам. Разработана конструкция аппарата микробарботажной очистки газовой смеси, а также технологическая схема, описана ее работа. Приведен материальный баланс установки и на основе материального баланса произведен технологический расчет.

Курсовой проект содержит 2 таблицы, 10 рисунков, из них 1 график и 2 схемы, общий объем работы 50 страниц. В графической части проекта приведены чертежи аппарата мембранного половолоконного аппарата в 3 плакатах формата А1.

Оглавление

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

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

Определения………………………………………………………………………

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

Введение…………………………………………………………………………...

1. Описание технологического процесса, происходящего в аппарате

2. Анализ инновационных решений и обоснование выбора конструкции проектируемого аппарата (задание по УИРС)…………………………………..

3. Описание конструкции проектируемого объекта…………………………….

4. Расчеты по основному объекту

4.1 Технологические расчеты…………………………………………………….

4.1.1 Выбор мембраны…………………………………………………………….

4.1.2 Гидродинамические расчеты……………………………………………….

4.2 Конструктивно-механические расчеты………………………………………

4.2.1 Определение основных параметров мембранного аппарата……………..

4.2.2 Уточненный расчет установки с учетом технологической схемы……….

5. Инструкция по технике безопасности…………………………………………

6. 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

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 – этопобочный 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.

Большинство процессов и аппаратов очистки имеют ряд существенных недостатков - сложность и громоздкость аппаратуры и технологических схем, большие эксплуатационные затраты. Кроме того, в ряде случаев некоторые методы очистки и разделения оказываются вообще непригодными. Альтернативным путем решения такой задачи является совмещение мембранных и абсорбционных процессов.

Подобных недостатков в значительной мере лишены разработанные нами совмещенные мембранно-абсрбционные процессы очистки газов. Предложенные нами технология и разработки по исследованию процесса мембранно-микробарботажной очистки газа, которая совмещает мембранно-абсорбционные процессы, на сегодняшний день является прорывной технологией в нетрадиционной энергетике и является наиболее сложной проблемой, возникающей на стыке двух фундаментальных процессов: мембранных и абсорбционных.

Исходными данными для разработки темы стали результаты анализа различных способов очистки отходящих газа и опыта их эксплуатации в промышленности, а также результаты исследований ученых развитых стран Запада [8] и Японии [9, 10], сообщающих о том, что при диспергировании газа через пористые мембраны образуются микропузырьки [11-14], имеющие размеры от 0,5 до 150 мкм. Благодаря столь малым размерам микропузырьки обладают рядом уникальных свойств, таких как повышение поверхности контакта взаимодействующих фаз и могут найти широкое применение в химической [15,16], пищевой, фармацевтической [17,18] промышленностях, а также в нетрадиционной энергетике.

Назначение, основные функциональные показатели мембранно-микробарботажных аппаратов и технологий базируются в составлений баланса сил поверхностного натяжения, сопротивления архимедовой силы, силы избыточного давления газа, инерционной силы, обусловленной движением пузырька и жидкости, силы давления звуковой волны, действующих на газовый пузырек, выходящий из нано-, микропоры. Она позволяет осуществлять процессы разделения, концентрирования и очистки смесей на молекулярном и надмолекулярном уровне с одновременной утилизацией ценных продуктов. Безреагентность, исключение фазовых переходов и применения растворителей, энергосбережение, экологическая чистота, сравнительная простота технологического оформления и относительно низкие температуры обуславливают высокую конкурентоспособность, а также широкое применение мембранных процессов при очистке газа и это свидетельствует о высоком научно-техническом уровне разработки.

Актуальность темы.В настоящее время Казахстан имеет огромный потенциал для развития сельского хозяйства, с его обширными территориями он может стать ведущей страной, как в животноводстве, так и в растениеводстве. Для решения этой задачи необходимо внедрять самые передовые технологии и инновации в области получения газа для энергетических нужд путем очистки отходящих в газовых установках. Поэтому рациональное использование и очистка отходящих газов является большой и важной проблемой современности, с возможностью использования огромного энергетического потенциала для получения жидкого и газообразного топлива, что позволит предприятиям, хозяйствам сократить затраты на электроэнергии, а также уплаты налогов за экологические сборы, связанные с необходимостью предотвратить загрязнение водоемов, заражение почвы. Тем самым снизить себестоимость выпускаемой продукции. Эти аспекты будут объектом исследований и экспериментов.

Традиционные технологии очистки газов от – адсорбционные, абсорбционные и мембранные процессы достигли своего предела с точки зрения их дальнейшей оптимизации и адаптации к возросшим требованиям производства. В связи с этим разработка и внедрение перспективной, безотходной и высокоэффективной технологии очистки газаособенно актуальны.

Разработанная технология играет существенную роль при решении глобальных проблем, стоящих перед Республикой Казахстан: обеспечение населения топливно-энергетическими ресурсами; охрана окружающей природной среды. Вышеизложенное дает серьезные основания заявить о возможности в кратчайшие сроки на базе отечественных разработок осуществить структурные сдвиги в решении важнейших проблем промышленности, обеспечив страну конкурентоспособной продукцией полученной на основе новых процессов, и технологий. При всем многообразии способов очистки отходящих газов за последние пять лет используемые традиционные технологии практически не изменились, а у нас в Республике Казахстан имеются необходимые предпосылки для занятия своей ниши в этой наукоемкой сфере продуктов и услуг.

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.

Цель работы – очистка отходящих газов микробарботажным способом, разработка технологии и новой конструкции микробарботажного аппарата, повышение надежности, упрощение конструкции и повышение эффективности разделения газовых смесей.

Научная новизна проекта заключается в разработке новой технологии, которая позволяе очистить газы, путем развития межфазной поверхности, использую уникальные свойства микропузырьков при тонком диспергировании газов, что приведет к созданию принципиально новых высокоэффективных аппаратов газожидкостного контакта, в том числе новых типов реакторов и ферментеров, которые могут способствовать повышению концентрации метана. При этом подготовка газа с использованием разрабатываемого микробарботажного аппарата по сравнению с традиционными, например с абсорбцией и адсорбцией, может дать существенный экономический эффект. При разделении концентрация метана в топливном газе достигает 98 % (об.).

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 технологического процесса, происходящего в аппарате

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.

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)

Материальный баланс мембранных процессов.Обычно мембранные процессы проводят при постоянном давлении и температуре.

Выход пермеата а:

а= W/L₀ (5)

а= 5,39*10^-3/0,0565=0,095

где W- расход пермеата, кг/c.

По выходу пермеата а определяют его количество:

W=а*L₀

W=0,1*0,0565= 0,00565 (6)

Материальный баланс по потокам:

L₀= L+ W (7)

L₀=0,05111+0,00539= 0,0565 кг/с

где L- расход ретанта (концентрата)

Материальный баланс по компоненту :

L₀ с₀= Lс₁+ Wс₂ (8)

0,0565*0,015=0,05111*6,7*10^-4+5,39*10^-3*0,15

8,4*10^-4=8,4*10^-4

Тогда состав ретанта:

с₁= (L₀ с₀ - Wс₂)/ (L₀- W) (9)

или

с₁= с₀ (W / L₀) с₂ / [1-W/L₀) (10)

С учетом выражения (5) последнее уравнение примет следующий вид :

с₁= (с₀ - ас₂)(1-а) (11)

с₁=(0,015-0,095*0,15)(1-0,095)=6,7*10^-4

Определим селективность процесса разделения:

φ=[c₁-c₂/c₁]*100= (1-c₂/c₁)*100 (12)

φ=(1-0,15/6,7*10^-4)*100=0,978

Коэффициент разделения смеси

K=n₁/n₂=(M₁/M₂)^0,5 (13)

K=18/44=0,4

где n₁ и n₂ – число молей компонентов с молекулярными массами соответственно M₁ и M₂.

Коэффициент массопередачи К при переносе вещества через мембрану:

K= (14)

K=1/R=1/0,077=12,9≈13

β₁- коэффициент массоотдачи от потока разделяемой смеси к поверхности мембраны, δ- толщина мембраны, λ_м- коэффициент массопроводности мембраны, β₂- коэффициент массоотдачи от мембраны в поток пермеата.

Коэффициент массопередачи К может быть выражен через общее сопротивление К переносу мембраны (К=1/R), причем

R= r₁ + r_M + r₂= (15)

R=(1/0,004)+(0,007/1,5)+(1/1,86)= 0,0077

где r₁ = 1/β₁ и r₂= 1/β₂ - сопротивление массопереносу соответственно со сторон разделяемой смеси и пермеата ; r_M = δ/λ_м- сопротивление массопереносу в мембране[4].

Для проведения экспериментов была использована установка, центральной частью которой являлся мембранный модуль. Он представляет собой стальной цилиндрический корпус с рабочей длинной 750 мм и диаметром Ø50×3 мм, внутри которого устанавливается трубчатая керамическая мембрана[5]. В работе использовались трубчатые керамические мембраны с внутренним селективным слоем, имеющие длину 150 мм и диаметр Ø10×2 мм, при этом мембрана имела средний диаметр пор 0.5 мкм. В ходе экспериментов внутрь мембраны с помощью центробежного насоса с различной скоростью подавался раствор щелочи.

Рисунок 1. Конструкция мембранного модуля

Скорость жидкости изменялась от 0.7 до 3.0 м/с. Концентрации щелочи в экспериментах на мембране с порами 0.5 мкм составляли от 0.03 до 0.07 кмоль/м³. С наружной стороны мембраны подавалась газовая смесь с углекислым газом, содержание CO₂ во всех случаях составляло 10 об. %. Расход газа поддерживался таким, чтобы газосодержание в рабочем объеме аппарата составляло около 25%. Внутри мембранного модуля происходил контакт между жидкостью и газом, который был распределен в жидкости в виде микропузырьков. На выходе из модуля производился отбор проб с целью определить конечную концентрацию щелочи. Определение концентрации осуществлялось с помощью электронного рН-метра[58,59,61].