Разработка адсорбционной установки для отчистки газовой смеси от паров этилового спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные для расчета абсорбционной установки

Поглощаемое вещество - пары этилового спирта;

Количество газовой смеси, поступающей на установку V, м3/с - 5;

Начальная объемная концентрация вещества в газовой смеси у, % - 12, остальное воздух;

Степень извлечения е, % - 95;

Начальная массовая концентрация вещества в поглотителе (воде) , % - 0;

Степень насыщения поглотителя (воды) парами спирта з - 0,75;

Начальная температура охлаждающей воды, поступающей в холодильник tвн,оС - 18;

Температура поглотителя tп, оС - 20.

Абсорбер работает под атмосферным давлением.

Содержание

Введение

1. Общие сведения об адсорбционных аппаратах

2. Устройство и принцип действия абсорберов

2.1 Пленочные абсорберы

2.2 Насадочные абсорберы

2.3 Тарельчатые абсорберы

2.3.1 Тарельчатые колонны со сливным устройством

2.3.2 Колонны с тарелками без сливных устройств

2.4 Распыливающие абсорберы

3. Расчет абсорбера

3.1 Материальный баланс

3.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

3.3 Определение высоты насадочной колонны

3.4 Расчет гидравлического сопротивления насадки

3.5 Анализ результатов

4. Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом

Заключение

Литература

Введение

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходный материал в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, обычно включают и многочисленные физические (в том числе механические) и физико-химические процессы.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом. Если поглощаемый газ - абсорбтив - 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 обоих видов абсорбции.

Адсорбционные методы очистки позволяют в основном комплексно извлечь загрязнения. К их преимуществам относится возможность глубокой очистки значительного количества газа при невысоком расходе адсорбента. Кроме того, отпадает опасность вторичного загрязнения очищаемых газов [1].

Целью проекта является выработка навыков к ведению технического расчета и проектирования химического оборудования стадии абсорбции.

1. Общие сведения об адсорбционных аппаратах

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом. Если поглощаемый газ - абсорбтив - 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 обоих 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 позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию 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 НС1 с получением хлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты и т.д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа и т. д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных 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 (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая - и 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 участвуют [1].

Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называют абсорберами [1].

2. Устройство и принцип действия абсорберов

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппараты - абсорберы - должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами. По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) тарельчатые; 4) распыливающие [1].

2.1 Пленочные абсорберы

В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

По устройству трубчатый абсорбер аналогичен кожухотрубчатому теплообменнику. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В абсорберах с большим числом труб для улучшения распределения абсорбента по трубам применяют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. В случае необходимости отвода теплоты абсорбции в межтрубное пространство абсорбера подают охлаждающий агент (обычно воду).

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой представлен на рис.1. Пакет листовой насадки 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы, натянутая на каркас ткань и др.) помещают в колонну (абсорбер). В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для обеспечения равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон [1].

Пленочные противоточные колонны работают при скоростях газа, не превышающих скорости захлебывания. Начало захлебывания (подвисания) характеризуется резким возрастанием гидравлического сопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости. При небольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполняться жидкостью, через которую барботирует газ. При дальнейшем повышении скорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку. Гидравлическое сопротивление этих абсорберов мало, поскольку в пленочных абсорберах практически отсутствуют потери напора на преодоление местных сопротивлений. Поэтому пленочные противоточные аппараты целесообразно применять при больших производительностях по газу, необходимости малых гидравлических сопротивлений и сравнительно невысокой степени извлечения компонентов.

Рис. 1 - Пленочный абсорбер с плоскопареллельной (листовой) насадкой: 1 - пакеты листовой насадки; 2-распределительное устройство

Пленочный абсорбер с восходящим движением пленки состоят из пучка труб, закрепленных в трубных решетках. Газ проходит через распределительные патрубки, расположенные соосно с трубами. Абсорбент поступает в трубы через щели. Движущийся с достаточно высокой скоростью газ увлекает жидкую пленку снизу вверх, т.е. абсорбер работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для снижения брызгоуноса с отходящим газом в абсорбере устанавливаются брызгоотбойники. С целью охлаждения абсорбента в межтрубное пространство подают охлаждающий агент. Для повышения эффективности процесса применяют многоступенчатые абсорберы подобного типа [1].

В аппаратах с восходящим потоком жидкости можно создавать очень высокие скорости газа (порядка десятков метров в секунду), коэффициенты массопередачи при этом существенно возрастают, но одновременно с этим сильно растет их гидравлическое сопротивление. Последнее обстоятельство затрудняет широкое применение этих аппаратов для проведения процессов абсорбции при невысоких давлениях в системе [1].

2.2 Насадочные абсорберы

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рис. 2) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Из этого следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 2), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси [1].

Рис. 2 - Насадочные абсорберы: а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1-корпуса; 2 -распределители жидкости; 3-насадка; 4-опорные решетки; 5-перераспределитель жидкости; б-гидравлические затворы; в - эмульгационная насадочная колонна: 1-насадка; 2-сетка, фиксирующая насадку; 3-гидравлический затвор; 4-опорная решетка; 5-распределитель газа

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных, в которых пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата [1].

Равномерность распределения газа по сечению абсорберов зависит от способа его ввода в аппарат. При вводе по оси аппарата газ движется преимущественно в центральной его части, лишь постепенно заполняя все сечение аппарата.

При боковом вводе входящая струя газа движется к противоположной стенке и, ударяясь о нее, поворачивает затем вверх. Изменение конструкции входного и выходного отверстий не оказывает существенного влияния на распределение струи. Наличие же опорно-распределительной решетки значительно повышает равномерность движения газа в основном объеме аппарата, причем это явление наблюдается в случае, если коэффициент сопротивления решетки больше некоторой величины , которая определяется по справочникам [9].

Рассмотренный случай относится к распределению газа в полой колонне. Для создания более равномерного движения газового потока по сечению полой колонны служат дополнительные спрямляющие устройства. В насадочной колонне роль спрямляющего устройства выполняют прежде всего нижние слои насадки. Однако и для насадочных колонн очень важным является равномерный по сечению колонны ввод газа под опорную решетку, Для того чтобы избежать байпасирования газа в насадке по ее высоте. С этой целью расстояние между днищем абсорбера и насадкой делают достаточно большим. Обычно это расстояние принимают равным 1,0-1,5D.

Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь возможно большее значение свободного объема или сечения насадки; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения е или Sсв; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость [1,9].

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса абсорбции.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига, имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 х 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом [1].

Хордовую насадку обычно применяют в абсорберах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра абсорбера, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой меньших размеров. Это особенно относится к абсорбции хорошо растворимых газов. При абсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть и сравнительно мелкая насадка [9].

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые абсорберы с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких абсорберах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное сотояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В абсорберах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3-5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.

Очень важной проблемой для нормальной работы абсорбера является равномерное орошение насадки. Для этой цели применяют специальные устройства - оросители, которые подразделяют на струйчатые и разбрызгивающие. К струйчатым оросителям относятся распределительные плиты, желоба, брызгалки, оросители типа сегнерова колеса и другие, а к разбрызгивающим - тарельчатые, вращающиеся центробежные и другие оросители. Следует, однако, помнить, что первоначальное распределение жидкости не сохраняется при дальнейшем ее течении по насадке.

Следует также отметить, что не вся смоченная поверхность активна для массопередачи. Это объясняется тем, что активной является лишь поверхность, покрытая текущей пленкой жидкости. Части поверхности, покрытые неподвижной пленкой жидкости, не являются активными [1].

К основным достоинствам насадочных колонн следует прежде всего отнести простоту устройства и низкое гидравлическое сопротивление, а к недостаткам - сложность отвода теплоты, плохую смачиваемость насадки при низких плотностях орошения, большие объемы насадки вследствие недостаточно высокой ее эффективности (по сравнению с тарельчатыми аппаратами).

Отвод теплоты в абсорберах и улучшение смачиваемости часто обеспечиваются рециркуляцией абсорбента, несмотря на то что это существенно усложняет и удорожает абсорбционную установку [2].

2.3 Тарельчатые абсорберы

Тарельчатые абсорберы обычно 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. Таким образом, процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется в основном в газожидкостных системах, создаваемых на тарелках, поэтому в таких аппаратах процесс проходит ступенчато, и тарельчатые колонны в отличие от насадочных, в которых массоперенос происходит непрерывно, относят к группе ступенчатых аппаратов [1].

На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

По способу слива жидкости с тарелки абсорберы этого типа подразделяют на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости) [9].

2.3.1 Тарельчатые колонны со сливным устройством

К аппаратам этого типа относятся колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и другими тарелками. Эти тарелки имеют специальные устройства для перетока жидкости с одной тарелки на другую - сливные трубки, карманы и др. Нижние концы сливных устройств погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение газа через сливное устройство (рис.3, а) [5].

Принцип работы абсорберов такого типа показан на рис. 3, а на примере колонны с колпачковыми тарелками. Жидкость подается на верхнюю тарелку, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части абсорбера. Переливные устройства на тарелках располагают таким образом, чтобы жидкость на соседних по высоте аппарата тарелках протекала во взаимопротивоположных направлениях. Газ поступает в нижнюю часть абсорбера, проходит через прорези колпачков (в других абсорберах - через отверстия, щели и т.д.) - и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется в основном высотой сливного порога. При этом газ в жидкости распределяется в виде пузырьков и струй, образуя в ней слой пены, в которой происходят основные процессы массо- и теплопереноса. Эта пена нестабильна, и при подходе ее к сливному устройству жидкость осветляется. Пройдя через все тарелки, газ уходит из верхней части аппарата [1].

Рис. 3 - Устройство колонны и колпачковых тарелок с капсульными колпачками: а - колонна с тарелками; б - две соседние тарелки; в - капсульный колпачок; г - формы капсульных колпачков; 7-тарелки; 2-газовые (паровые) патрубки; 3 - круглые колпачки; 4 - переточные перегородки (или трубы) с порогами, 5 - гидравлические затворы; 6 - корпус колонны

Основное влияние на эффективность тарелок любых конструкций оказывают гидродинамические условия их работы. Эти условия в значительной мере зависят от скорости газа и в существенно меньшей - от плотности орошения и физических свойств фаз. В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов: пузырьковый, пенный и струйный (или инжекционный). Эти режимы различаются структурой газожидкостного слоя на тарелке, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление, высоту и поверхность контакта на тарелке [9].

Пузырьковый (барботажный) режим возникает при небольших скоростях газа, когда в виде отдельных пузырьков газ движется через слой жидкости. Если при этом пузырьки газа не сливаются друг с другом, то гидродинамика такого движения (диаметр пузырьков, скорость их всплывания) может быть описана уравнениями, полученными для всплывания одиночного пузырька. Отметим, что поверхность контакта фаз в этом режиме невелика [9].

Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки, выходящие из прорезей или отверстий, сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются (на некотором расстоянии от места истечения) с образованием большого числа мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газожидкостная система - пена, которая является нестабильной и разрушается мгновенно после прекращения подачи газа. Основной поверхностью контакта фаз в такой системе является поверхность пузырьков, а также струй газа и капель жидкости над газожидкостной системой, которые образуются при разрушении пузырьков газа в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых абсорберов [5].

Струйный (инжекционный) режим возникает при дальнейшем увеличении скорости газа, когда увеличивается длина газовых струй и наступает такой режим, при котором они выходят из газожидкостного слоя не разрушаясь, но образуя значительное количество брызг - вследствие разрушения большого числа пузырьков газа. В этом режиме поверхность контакта фаз существенно меньше, чем в пенном.

Для тарельчатых колонн со сливными устройствами характерна гидродинамическая неравномерность по длине тарелки, которая является следствием гидравлического сопротивления движению жидкости по длине тарелки. Эта неравномерность объясняется тем, что при движении жидкости по тарелке ее уровень повышается (например, из-за наличия колпачков или под действием перпендикулярного потока проходящего через жидкость газа), и по длине пути движения жидкости возникает гидравлический градиент. Такое явление приводит к неравномерному распределению газа по площади тарелки: большая часть газа движется через часть тарелки, прилегающую к сливному порогу, где уровень жидкости ниже, что становится особенно заметным на тарелках больших диаметров, когда величина гидравлического градиента значительна. Для снижения гидравлического градиента в аппаратах большого диаметра (от 1-2 м и выше) уменьшают путь прохождения жидкости [1].

2.3.2 Колонны с тарелками без сливных устройств

В тарелке без сливных устройств (рис. 4) газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. При этом одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку - «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа часто называют провальными [1].

Рис. 4 - Устройство колонны и провальных тарелок: а - колонна с провальными тарелками; б - две соседние дырчатые провальные тарелки (1 - колонна; 2 - тарелки)

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости газа (рис.5). При низких скоростях газа w жидкость на тарелке не задерживается (скорость газа до точки В на рис.5), так как мала сила трения на поверхности контакта жидкости и газа. При достижении скорости газа, соответствующей точке А, происходит скачкообразное увеличение P, так как на поверхности тарелки появляется слой жидкости, и она вступает в режим работы, который продолжается при скоростях газа до точки С. При этом на тарелке могут возникать рассмотренные выше гидродинамические режимы (образование режимов зависит от ряда факторов-размеров отверстий или щелей в тарелке, расходов жидкости и др.). При скорости газа соответствующей точке С и выше, может возникнуть перелом на графике зависимости P=f(w), который объясняется резким возрастанием количества жидкости на тарелке, при котором наступает захлёбывание тарелки [5].

Рис. 5 - Зависимость гидравлического сопротивления провальной тарелки от скорости газа в колонне

При небольших расходах жидкости, большом свободном сечении тарелки и большом диаметре отверстия или размере щели гидравлическое сопротивление тарелки увеличивается монотонно, но при этом существенно возрастает брызгоунос [9].

2.4 Распыливающие абсорберы

В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы: 1) полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется на капли форсунками; 2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газового потока; 3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращающимися деталями [1].

Полые распыливающие абсорберы представляют собой полые колонны. В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны форсунки с направлением факела распыла обычно сверху вниз. Эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. В результате объемный коэффициент массопередачи и число единиц переноса в этих аппаратах невелико. Поэтому распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают на нескольких уровнях [1].

Полые распиливающие абсорберы отличаются простотой устройства, низкой стоимостью, малым гидравлическим сопротивлением, их можно применять для обработки сильно загрязненных газов.

К недостаткам полых распыливающих абсорберов, помимо их низкой эффективности, относятся также низкие скорости газа (до 1 м/с) во избежание уноса, неудовлетворительная их работа при малых плотностях орошения, достаточно высокий расход энергии на распыление жидкости. Распыливающие полые абсорберы целесообразно применять для улавливания хорошо растворимых газов [2].

Скоростные прямоточные распыливающие абсорберы отличаются тем, что в случае прямотока процесс можно проводить при высоких скоростях газа (до 20-30 м/с и выше), причем вся жидкость уносится с газом и отделяется от него в сепарационном пространстве 4. К этому типу аппаратов относится абсорбер Вентури (рис. 6), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1, течет в виде пленки и в горловине 2 распыляется газовым потоком. Затем жидкость газовым потоком выносится в диффузор 3, в котором скорость газа снижается и его кинетическая энергия переходит в энергию давления с минимальными потерями. Отделение капель от газа происходит в сепараторе 4 [9].

Рис. 6 - Устройство бесфорсуночного абсорбера Вентури: а - с эжекцией жидкости; б - с пленочным орошением; /-коифузоры; 2-горловины; J-диффузоры; 4-сепараторы, 5-циркуляционная труба; 6-гидравлический затвор

В механических распыливающих абсорберах разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т. е. с подводом внешней энергии для развития поверхности фазового контакта. На рис. 16-30 представлен такой абсорбер, в котором разбрызгивание жидкости осуществляется с помощью лопастей или дисков, закрепленных на горизонтальных валах. Разбрызгивающие элементы устанавливают так, что газ движется перпендикулярно или параллельно осям их валов [5].

По сравнению с абсорберами других типов механические абсорберы более компактны и эффективны, но они значительно сложнее по конструкции и требуют больших затрат энергии для проведения процесса. Поэтому механические распыливающие абсорберы целесообразно применять в тех случаях, когда распыление с помощью форсунок или газом, взаимодействующим с жидкостью, по каким-либо причинам не представляется возможным [1].

В заключение раздела по устройству и принципу действия абсорбционной аппаратуры следует подчеркнуть, что большинство рассмотренных выше аппаратов используется и для проведения других процессов массопереноса, прежде всего для ректификации и жидкостной экстракции.

3. Расчет абсорбера

Целью расчета абсорберов является определение расхода поглотителя, температуры процесса и количество отводимой теплоты, выбор скорости газа, размеров и гидравлического сопротивления аппаратов.

3.1 Материальный баланс

Начальные относительные массовые составы газовой и жидкой фаз определяется по формулам [2, с. 206]:

Концентрация паров этилового спирта в газовой смеси на выходе из абсорбера определяется по формуле [2, с. 207]:

(3.1)

Конечную рабочую концентрацию паров этилового спирта в жидкости на выходе из абсорбера определяют по формуле [2, с. 207]:

,(3.2)

где х* - равновесная концентрация поглощаемого компонента, которая определяется расчетным путем или находится по справочным данным.

Для определения равновесной концентрации этилового спирта и построения линии равновесия выполняем расчет в такой последовательности: задаваясь рядом значений конечных концентраций этилового спирта в жидкости, вытекающей из абсорбера, рассчитываем температуру жидкости t2 и соответствующие им коэффициенты Генри по эмпирической формуле [6, с. 326]. Далее пересчитываем относительные массовые концентрации в мольные доли х и по формуле 2.3 находим значение равновесного парциального давления компонента газовой фазы р* и определяем равновесное содержание поглощаемого компонента в газовой фазе по формуле 2.4:

,(3.3)

где Е - коэффициент Генри.

.(3.4)

Где Р - общее давление газовой смеси, мм.рт.ст.; р* - равновесное парциальное давление поглощаемого газа, мм.рт.ст., [5, с. 591]

,(3.5)

где Ф - дифференциальная теплота растворения газа в поглотителе, Дж/кг; с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К); t1 и t2 - температура жидкости на входе в абсорбер и на выходе из него.

Результаты расчета сведены в таблицу № 1 приложения А.

При парциальном давлении паров этилового спирта в поступающем газе рн = 1,013·105·0,12=0,122·105 Па равновесная концентрация этилового спирта в жидкости, вытекающей из абсорбера составит (см. таблицу №1 приложения А):



Конечная концентрация паров этилового спирта в жидкости при степени насыщения составит:

Газовая смесь, поступающая на установку абсорбции, охлаждается в холодильнике до температуры плюс 20оС. В этом случае объем газовой смеси равен:

(3.6)

Количество этилового спирта, поступающего в колонну:

,(3.7)

где - плотность насыщенных паров этилового спирта при 20 оС [6].

Количество воздуха, поступающего в колонну:

(3.8)

Мольная масса газовой смеси:

Плотность газовой смеси, поступающей в абсорбер:

(3.9)

Количество поглощенного этилового спирта:

Расход воды в абсорбер:

(3.10)

адсорбер очистка газ насадочный

3.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

Принимаем в качестве насадки регулярные керамические кольца Рашига размером 50х50х5 мм. Характеристика регулярной насадки: удельная поверхность 110 м2/м3, свободный объем 0,735 м3/м3, эквивалентный диаметр 0,027 м [7, с.196].

Рабочая скорость газа несколько меньше скорости , при которой наступает инверсия фаз:

(3.11)

Скорость инверсии фаз в обычных насадочных колоннах, работающих в условиях затопления насадки и появления эмульгационного слоя, определяется по формуле [7, с.196]:

, (3.12)

где у - удельная поверхность насадки, м2/м3; g - ускорение свободного падения м/с2; Vсв - свободный объем насадки м3/м3; сг и сж - плотности газа и жидкости кг/м3; мж - вязкость жидкости при температуре процесса мПа ·с; м=1·10-3 Па·с - вязкость воды при 20оС; L и G - массовые расходы жидкости и газа, кг/с; А=0,022 - коэффициент для насадки из колец и спиралей.

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Диаметр колонны рассчитывают по уравнению расхода для газового потока при рабочей скорости:

(3.13)

Выбираем стандартный диаметр обечайки, равным 1,6 м.

Определяем оптимальную плотность орошения:

, (3.14)

где b = 2,58·10-5- коэффициент при абсорбции паров органических жидкостей, м3/(м2·с); f - удельная поверхность насадки, м2/м3 [2, с.213].

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U, которая должна быть не меньше Uопт.:

Так как отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью, в связи с этим в процессе массопередачи будет участвовать не вся возможная поверхность насадки. Из этого следует, что насадка из колец Рашига размером 50х50х5 не подходит. Для увеличения действительной и уменьшения оптимальной плотности орошения выбираем насадку другого типа с меньшим свободным объемом и меньшей удельной поверхностью.

Принимаем в качестве насадки регулярные керамические кольца Рашига размером 80х80х8 мм со следующими характеристиками: удельная поверхность 80 м2/м3; свободный объем 0,72 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,036 м [7, с.196].

Для этой насадки скорость газа при инверсии будет равна:



Рабочая скорость газа в колонне:

Принимаем диаметр обечайки равным 1,4 м.

Оптимальная плотность орошения при данной насадке:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 80х80х8:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

И в этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью.

Рассмотрим случай с регулярной насадкой из колец Рашига размером 100х100х10 со следующими характеристиками: удельная поверхность 60 м2/м3; свободный объем 0,72 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,048 м [7, с.196].

Для этой насадки скорость газа при инверсии будет равна:

Рабочая скорость газа в колонне:



Принимаем диаметр обечайки равным 1,4 м.

Оптимальная плотность орошения при данной насадке:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 100х100х10:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

Отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной незначительно меньше 1, однако поверхность насадки смочена не полностью.

В этом случае увеличиваем плотность орошения, рассчитав рабочую скорость газа в колонне по соотношению:

Принимаем диаметр обечайки равным 1,2 м.

Уточняем рабочую скорость в колонне:

(3.15)

Что существенно больше скорости инверсии.

Принимаем нестандартный диаметр обечайки абсорбера равным 1,3 м.

В этом случае рабочая скорость в колонне составит:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для насадки из колец Рашига 100х100х10 с диаметром обечайки 1,3 м:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

Таким образом, для рассчитываемого абсорбера подходит насадка из колец Рашига 100х100х10 при нестандартном диаметре обечайки.

Рассмотрим случай, где в качестве насадки применяется деревянная хордовая 10х100 с шагом в свету 20 мм со следующими характеристиками: удельная поверхность 65 м2/м3; свободный объем 0,68 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,042 м [7, с.196].

Скорость инверсии рассчитывается по формуле:

,

где А = 0, - коэффициент для плоскопараллельной хордовой насадки [7,с.197].

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Расчетный диаметр колонны при рабочей скорости:

Выбираем диаметр обечайки, равным 1,4 м.

Определяем оптимальную плотность орошения:

, где b = 2,58·10-5- коэффициент при абсорбции паров органических жидкостей, м3/(м2·с); f - удельная поверхность насадки, м2/м3 [2, с.213].

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для хордовой насадки:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной меньше 1, поверхность насадки смочена не полностью.

Рассмотрим случай, где в качестве насадки используется деревянная хордовая 10х100 с шагом в свету 30 мм со следующими характеристиками: удельная поверхность 48 м2/м3; свободный объем 0,77 м3/м3; эквивалентный диаметр 0,064 м [7, с.196].

Скорость инверсии рассчитывается по формуле:

,

где А = 0, - коэффициент для плоскопараллельной хордовой насадки [7,с.197].



Рабочая скорость газа в колонне составит:

Расчетный диаметр колонны при рабочей скорости:

Выбираем диаметр обечайки, равным 1,2 м.

Уточняем рабочую скорость в колонне:

, что меньше скорости инверсии.

Определяем оптимальную плотность орошения:

Рассчитаем действительную плотность орошения колонны U для хордовой насадки:

В этом случае отношение действительной плотности орошения колонны к оптимальной составит:

Таким образом, для рассчитываемого абсорбера подходит насадка из колец Рашига 100х100х10 при нестандартном диаметре обечайки D=1,3 м или деревянная хордовая насадка 10х100 с шагом в свету 30 мм, при стандартном диаметре обечайки D=1,2 м.

3.3 Определение высоты насадочной колонны

Высота насадочной колонны определяется по формуле:

, (3.16)

где Нн - высота насадочной части колонны, м;

h1, h2, h3 - высота соответственно сепарационной части колонны (над насадкой), нижней части колонны и между слоями насадок (если насадка уложена в несколько слоев), м.

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой h2 определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны:

h2= (1...1,5) · D = 1,5*1,3 = 2 м

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны. Принимаем h1 = 2 м.

Расстояние между слоями насадок принимаются конструктивно.

Определим высоту насадки Нн исходя из основного уравнения массопередачи.

Движущая сила внизу абсорбера на входе газа:

(3.17)

Движущая сила вверху абсорбера:

(3.18)

Отношение , среднюю движущую силу определим по формуле 8.22 [2,с.211]:

(3.19)

Мольная масса газовой смеси М=31 кг/кмоль.

Вязкость газовой смеси:



Здесь 1,17·10-3 - коэффициент вязкости этилового спирта при 20 оС [7,с.501] и 0,018·10-3 - коэффициент вязкости воздуха при 20 оС [3, с.557]

Рассмотрим случай абсорбционной колонны с деревянной хордовой насадкой размером 10х100 с шагом в свету 30 мм.

Коэффициент диффузии паров этилового спирта в воздухе при 20 оС определяется по уравнению:

(3.20)

где D0 - коэффициент диффузии паров этилового спирта при нормальных условиях [3, с.540].

Критерий Рейнольдса для газовой фазы [7,с.199]:

, (3.21)

где - свободный объем насадки, м3/м3; dэк.нас. - эквивалентный диаметр насадки.

Режим движения газа - турбулентный.

Диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы [7, с.199]:

(3.22)

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок определяется по формуле [7, с.199]:

(3.23)

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Приведенная толщина стекающей пленки жидкости:

(3.24)

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленке жидкости:

, (3.25)

где L - секундный объемный расход жидкости, м3/с; S - площадь поперечного сечения абсорбера при D=1,2 м, м2.

Диффузионный критерий Прандтля для жидкости:

, (3.26)

где Dж - коэффициент диффузии паров этилового спирта в воде при 20 оС, м2/с [9,с.826].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находим по уравнению [7, с.200]:

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе Кy - по уравнению:

, (3.27)

где m - тангенс угла наклона равновесной кривой.

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере:

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

,

где F - площадь поверхности массопередачи, м2; f - удельная поверхность насадки, м2/м3; D - диаметр обечайки абсорбера, м; =1 - коэффициент смачиваемости насадки.

Высота насадки с 25% запасом:

Ннф=1,25·Нн=1,25·5,3=6,6 м

Высота насадочной колонны:

Н= Ннф+h1+h2=6,6+2+2=10,6 м.

Рассмотрим случай абсорбционной колонны с регулярной насадкой из колец Рашига размером 100х100х10.

Критерий Рейнольдса для газовой фазы [7,с.199]:

,

где - свободный объем насадки из колец Рашига размером 100х100х10, м3/м3; dэк.нас. - эквивалентный диаметр насадки.

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленке жидкости:

,

где S - площадь поперечного сечения абсорбера при D=1,3 м, м2.

,

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Выразим в выбранной для расчета размерности:

Коэффициент массопередачи по газовой фазе Кy:

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере:

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

.

Высота насадки с 25% запасом:

Ннф=1,25·Нн=1,25·4,9=6,1 м

Высота насадочной колонны:

Н= Ннф+h1+h2=6,1+2+2=10,1 м.

3.4 Расчет гидравлического сопротивления насадки

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер [7, с.201].

Определим гидравлическое сопротивление для деревянной хордовой насадки размером 10х100 с шагом в свету 30 мм.

Определим коэффициент сопротивления насадки [7, с.201]:

(3.28)

Гидравлическое сопротивление сухой насадки [7, с.201]:

(3.29)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки определим по уравнению [7, с.201]:

, (3.30)

где - гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) деревянной хордовой насадки, Па; U - действительная плотность орошения, м3/(м2·с); b - постоянный коэффициент, который зависит только от типа насадки.

Давление, развиваемое газодувкой:

, (3.31)

где 1,05 - коэффициент, учитывающий потери давления, при входе газового потока в колонну и насадку, при выходе газового потока из насадки и колонны, в подводящих газопроводах.

Определим гидравлическое сопротивление регулярной насадки из колец Рашига размером 100х100х10.

Для правильно уложенных кольцевых насадок коэффициент сопротивления насадки с достаточной точностью можно определить по уравнению:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки:



Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

Давление, развиваемое газодувкой:

.

3.5 Анализ результатов

Таблица 1 - Результаты расчета абсорберов

Параметры	Абсорбер 1	Абсорбер 2
Тип насадки	деревянная хордовая размером 10х100 с шагом в свету 30 мм (дешевая)	регулярная из колец Рашига размером 100х100х10 (дорогая)
Рабочая скорость газа , м/с	3,71	3,16
Плотность орошения, м3/(м2·ч)	7,32	6,24
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кг/(м2·с)	0,0499	0,0439
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе , кг/(м2·с)	0,674	0,507
Площадь поверхности массопередачи в абсорбере F, м2	289	388,3
Диаметр абсорбера D, м	1,2	1,3 (нестандартный)
Высота насадки Hн, м	6,6	6,1
Высота абсорбера Н, м	10,6	10,1
Гидравлическое сопротивление насадки , Па	453,4	741,4

Таким образом, для улавливания паров этилового спирта из воздуха наиболее больше подходит абсорбер 1.

4. Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом

Технологическая схема процесса представлена на рис. 7 приложение Б.

Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер или получение готового продукта. В данной работе рассматривается первая задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрами являются: 1) концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера; 2) температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию; 3) уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом, т.е. абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастет концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличится подача абсорбента в абсорбер, что обеспечит стабилизацию концентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера.

Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкая температура газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расхода охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа.

Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора жидкости из нее.

Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, температуры, давления технологических потоков [10].

Заключение

1. Результаты расчета насадочного абсорбера показывают, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно, либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера.

2. Увеличение расхода абсорбента приведет с соответствующему увеличению нагрузки на систему регенерации абсорбента, что связано с повышением капитальных и энергетических затрат, или, в случае отсутствии регенерации абсорбента, увеличению сточных вод, а это - увеличение нагрузки на установку их очистки.

3. Повышение интенсивности процесса приводит к уменьшению диаметра колонны при некотором возрастании высоты насадки.

4. Для улавливания паров этилового спирта из воздуха наиболее больше подходит абсорбер с деревянной хордовой насадкой размером 10х100 с шагом в свету 30 мм. Диаметр колонны составляет 1,2 м, Высота абсорбера - 10,6 м. при выборе насадки учитывались следующие факторы: дешевизна, малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при изменяющихся нагрузках по газу.

5. Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе закономерностей для определения кинетических коэффициентов. Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений, таких как неравномерность распределения жидкости, при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса, которые могут привнести в расчет существенные ошибки.

Литература

1. Дытнерский. Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть вторая. - М.: Химия, 1995г. - 368 с.

2. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., доп. и перераб. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

4. Рамм В. М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976. - 655 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии. - изд. 7-е. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. - 830 с.

6. Справочник. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения.

7. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / под ред. Ю.И. Дытнерского. - М: Химия, 1991. - 496 с.

8. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 5 - М.: «Советская энциклопедия», 1988. - 625 с.

9. Плановский А.Н., Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - изд 5-ое, стереотипное. - М.: Химия, 1968. - 848с.

10. Основы автоматизации процессов химической технологии и защиты окружающей среды: учеб. пособие/ А.И.Козлов, П.М. Лукин и др. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2006. 178 с.

11. Основные правила разработки курсовых проектов по процессам и аппаратам химической технологии и защиты окружающей среды: метод. указан. / сост. А.И. Козлов, П.М. Лукин, Н.И. Савельев, П.Н. Эндюськин; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2005. - 32 с.

Размещено на Allbest.ru