Расчет абсорбционной установки

Реферат Расчет абсорбционной установки:

АБСОРБЕР, НАСАДКА, АММИАК, ПОГЛОТИТЕЛЬ, АБСОРБЕНТ, АБСОРБАТ, КОЛОННА, ТЕПЛООБМЕННИК, НАСОС, КОМПРЕССОР.

Объект исследования и разработки — установка для очистки воздуха от аммиака.

Цель работы — выбор аппаратов для осуществления процесса очистки воздуха от аммиака и их расчет.

В курсовой работе приведены обоснование и расчет аппарата, применяемого для абсорбции аммиака — насадочного абсорбера с насадкой: керамические кольца Рашига, осуществлен подбор вспомогательного оборудования: теплообменников, насосов и вентилятора.

В результате проектирования была теоретически обоснована и рассчитана линия абсорбции аммиака.

• Введение
• 1. Принципиальная схема установки
• 2. Расчет насадочного абсорбера
• 2.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя
• 2.2 Движущая сила массопередачи
• 2.3 Коэффициент массопередачи
• 2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера
• 2.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки
• 2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи
• 2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера
• 2.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов
• 3. Расчет вспомогательного оборудования
• 3.1 Расчет теплообменников
• 3.1.1 Расчет холодильника для газовой смеси
• 3.1.2 Расчет холодильника
• 3.1.3 Расчет теплообменника-рекуператора
• 3.2 Расчет центробежного насоса
• 3.3 Расчет газодувки
• Заключение
• Библиографический список
• Введение
• В последнее время с ускорением научно-технического прогресса, непрерывно растёт значение химической промышленности в жизни человечества. Особую роль здесь играют физико-химические процессы — массообмен и теплообмен. Получение тех или иных продуктов химической промышленности связано с проведением процессов абсорбции, ректификации. Перед данными процессами стоят широкие перспективы, особенно перед абсорбцией. Абсорбция — один из эффективных методов очистки газов. Особенно это актуально в наше время, когда экологическая обстановка на планете становится всё хуже. Внедрение абсорбции во все отрасли народного хозяйства, в качестве метода очистки газов вызывает немедленное улучшение экологической обстановки. Получение таких веществ как ацетон, аммиак и других органических соединений идёт с применением процесса абсорбции. Перед последним открываются большие возможности улучшения интенсификации процесса.
• Абсорбционные процессы являются основной технологичекой стадией ряда важнейших производств: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCl с получением соляной кислоты, абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа и т. д.
• 1. Принципиальная схема установки
• На рисунке (1.1) представлена принципиальная схема абсорбции.
• Рисунок 1.1 — принципиальная схема процесса
• Газ на абсорбцию, перед тем как пройти через газодувку 2, попадает в холодильник 1. После газодувки газ направляется в нижнюю часть колонны 3, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент — насадку. Абсорбент из промежуточной емкости 10 насосом 11 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 5. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 4, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 14, откуда насосом 13 направляется на регенерацию в десорбер 8 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 12. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 9, обогреваемом насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 12, дополнительно охлаждается в холодильнике 6.

2. Расчет насадочного абсорбера 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]:

(2.1)

где — коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²*с).

2.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу NH₃, переходящего в процессе абсорбции из загрязненного воздуха в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

(2.2)

где — расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с; - начальная и конечная концентрация аммиака воде, кг NH₃/кг H₂O; - начальная и конечная концентрация аммиака в газе, кг NH₃/кг воздуха.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности:

(2.3)

кг NH₃/кг воздуха, где — молярная масса аммиака;

— молярная масса воздуха.

(2.4)

кг NH₃/кг воздуха,

(2.5)

кг NH₃/кг H₂O.

Конечная концентрация аммиака в поглотительной воде обуславливает его расход, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Заданный коэффициент избытка поглотителя имеет значение. В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию (см. рис. 2.1 и 2.2):

(2.6)

Уравнение равновесной линии имеет вид [2]:

(2.7)

(2.8)

где — коэффициент распределения, кг H₂O/кг воздуха;

— молярная масса воды;

— коэффициент Генри, Па;

— общее давление смеси газов, Па.

Па.

Известно, что равновесная линия проходит через начало координат. Найдем значение при и построим равновесную линию по двум точкам:

0,4007.

1 — равновесная линия: 2 — рабочая линия Рисунок 2.1 — Зависимость между содержанием аммиака в воздухе Y, кг NH₃/кг воздуха и поглощающей воде X, кг NH₃/кг H₂O

Рисунок 2.2 — Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере Отсюда:

кг NH₃/кг H₂O

где — концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава.

Расход инертной части газа:

(2.9)

где — средняя плотность аммиака при нормальных условиях;

— объемная доля аммиака в газе, равная:

(2.10)

м³ NH₃/м³ воздуха.

Тогда:

кг/с.

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

(2.11)

кг/с.

Расход поглотителя (воды) равен:

(2.12)

кг/с.

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит:

(2.13)

.

2.2 Движущая сила массопередачи

Движушая сила в соответствии с уравнением (2.1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз. принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:

(2.14)

где и — большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг NH₃/кг воздуха (рис. 2.1 и 2.2).

В данном примере:

(2.15)

(2.16)

где и — концентрации аммиака в воздухе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 2.1):

кг NH₃/кг воздуха,

кг NH₃/кг воздуха, кг NH₃/кг воздуха.

2.3 Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

(2.17)

где и — коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м²*с).

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 колонне, 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 промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при сильно изменяющихся нагрузках по газу, возможность быстро и дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т. д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральные насадки.

В рассматриваемом примере выберем насадку — керамические кольца Рашига, размером 50Ч50Ч5 мм. Удельная поверхность насадки a = 90 м²/м³, свободный объем е = 0,785 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,035 м, насыпная плотность = 530 кг/м³.

2.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:

(2.18)

где — предельная фиктивная скорость газа, м/с;

и — плотность поглощающей воды и смеси воздуха с аммиаком, кг/м³;

 — вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 20 °C, Па*с;

А, В — коэффициенты, зависящие от типа насадки;

L и G — расходы фаз, кг/с.

Для колец Рашига внавал значения коэффициентов, А = -0,073 и В = 1,75.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

(2.19)

кг/м³.

По правилу аддитивности рассчитаем, :

(2.20)

(2.21)

кг/м³,

Ч Ч Па*с.

где и — плотность чистых аммиака и воды при 20 °C, кг/м³;

— вязкость жидкого аммиака, Па*с.

Предельную скорость находим из уравнения (2.18), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

=

=.

Решая это уравнение, получим м/с.

Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Обычно рабочую скорость принимают равной 0,75−0,9 от предельной, т.о. м/с.

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

(2.22)

где — объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с.

Отсюда:

м.

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:

(2.23)

м/с.

2.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:

(2.24)

где — площадь поперечного сечения абсорбера, м².

Подставив, получим:

м³/(м²*с).

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 (особенно в абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по сечению колонны.

Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения U_min находят по соотношению [4]:

(2.25)

где — эффективная линейная плотность орошения, м²/с.

Для колец Рашига размером 75 мм и хордовых насадок с шагом более 50 мм м²/с; для всех остальных насадок м²/с.

м³/(м²*с).

Коэффициент смачиваемости насадки для колец Рашига при заполнении колонны внавал можно определить из следующего эмпирического уравнения [5]:

(2.26)

где — поверхностное натяжение, мН/м;

— диаметр насадки, см;

.

По правилу аддитивности рассчитывается и имеет вид:

(2.27)

где и — поверхностное натяжение аммиака и воды соответственно, мН/м.

мН/м.

Ч Ч.

При абсорбции водой и водными растворами хорошо растворимых газов смоченная поверхность насадки уменьшается. Поэтому полная смачиваемость достигается при более высоких значениях Г. Для таких систем значение может быть рассчитано по уравнению:

(2.28)

(2.29)

где А — коэффициент который зависит от краевого угла смачивания и изменяется в пределах 0,12−0,17; - разница между поверхностным натяжением жидкости, подаваемой на орошение колонны, и жидкости, вытекающей из нее; - критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке; - вязкость газа.

Вязкость газов находится по правилу аддитивности:

Ч Ч Па*с,

.

Поверхностное натяжение жидкости вытекающей из колонны рассчитывается по формуле (2.27), используя концентрацию поглотительной воды на выходе:

мН/м.

Зависимость вязкости от температуры для аммиака,, и воздуха,, можно выразить формулой [6]:

(2.30)

где и — вязкости газа при заданной температуре и 0 °C;

— температура газа;

— константа, зависящая от свойств газа, для аммиака и воздуха соответственно равны 626 и 122.

Па*с,

Па*с, Разница между поверхностным натяжением жидкости, подаваемой на орошение колонны, и жидкости, вытекающей из нее имеет вид:

(2.31)

мН/м Ч

Ч кг/(м*с) Доля активной поверхности насадки может быть найдена по формуле [4]:

(2.32)

где и — коэффициенты, зависящие от типа насадки. Подставив численные значения, получим:

.

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 м² поперечного сечения колонны. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства.

2.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи в газовой фазе можно найти из уравнения:

(2.33)

(2.34)

где — диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.

Отсюда равен:

(2.35)

(2.36)

где — средний коэффициент диффузии аммиака в газовой фазе, м²/с;

— диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы, Па*с.

Коэффициент диффузии аммиака в газе можно рассчитать по уравнению [1, 2, 4, 6]:

(2.37)

где и — мольные объемы аммиака и загрязненного воздуха в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³/моль [7];

Подставив, получим:

м²/с,

м/с.

Выразим в выбранной для расчета размерности:

(2.38)

кг/(м²*с).

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок [4, 6]:

(2.39)

(2.40)

где — диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда (в м/с) равен:

(2.41)

(2.42)

(2.43)

(2.44)

где — средний коэффициент диффузии аммиака в поглотительной воде, м²/с;

— приведенная толщина стекающей пленки жидкости, м;

— модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

— диффузионный критерий Прандтля для жидкости.

В разбавленных растворах коэффициент диффузии может быть достаточно точно вычислен по уравнению [2, 4]:

(2.45)

где — мольная масса поглотительной воды, кг/кмоль;

— температура воды, К;

— вязкость поглотительной воды, мПа*с;

— мольный объем аммиака, см³/моль;

— параметр, учитывающий ассоциацию молекул, для воды.

Молярная масса поглотительной воды рассчитывается по правилу аддитивности и равна:

абсорбция аммиак теплообменник насос

(2.46)

кг/кмоль.

Подставив, получим:

м²/с;

м;

;

;

м/с.

Выразим в выбранной для расчета размерности:

(2.47)

кг/(м²*с).

По уравнению (2.17) рассчитаем коэффициент массопередачи в газовой фазе:

кг/(м²*с).

2.7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера

Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (2.1) равна:

м² .

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле

(2.48)

Подставив численные значения, получим:

м.

Обычно высота скрубберов не превышает 40−50 м, в нашем случае это условие выполняется.

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции м, общее число секций в колонне составляет 4.

Общую высоту абсорбционной установки определяют по формуле:

(2.49)

где — высота насадки в одной секции;

— число секций;

— высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;

и — соответственно расстояние от верха насадки до крышки и расстояние между днищем и низом насадки.

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Согласно [1], примем эти расстояния равными соответственно 2,5 и 1,4 м. Тогда общая высота абсорбера:

м.

2.8 Гидравлическое сопротивление абсорберов

Гидравлическое сопротивление обусловливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле [4]:

(2.50)

где — гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки, Па;

U — плотность орошения, м³/(м²*с);

b — коэффициент, значения которого для колец Рашига внавал равен.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению:

(2.51)

(2.52)

где — скорость газа в свободном сечении насадки, м/с;

— коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок рассчитывается по формуле для турбулентного режима движения ():

. (2.53)

м/с,

Па,

Па.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, неизотермичность процесса и др.). которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по-разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе [2, 4].

3. Расчет вспомогательного оборудования После расчета абсорбционной колонны приступают к расчетам вспомогательного оборудования: теплообменников, вентилятора, насосов.

3.1 Расчет теплообменников

3.1.1 Расчет холодильника для газовой смеси Так как газовую смесь необходимо охладить от 137 єС до 20 єС, то мы охладим её охлаждающей водой. В трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т. е. газовую смесь. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.

Примем, что вода в теплообменнике нагревается от 8 єС до 29 єС.

Рисунок 3.1 — температурная схема процесса

Из рисунка видно, что:

єС,

єС.

В виду того, что

то среднелогарифмическая разница температур, єС, определяется по формуле:

(3.1)

єС.

Средние температуры воды и газовой смеси рассчитываются по формуле:

(3.2)

где и — начальная и конечная температуры компонента.

Индексами 1 и 2 обозначим газовую смесь и воду соответственно.

Средняя температура воды:

єС.

Средняя температура газовой смеси:

єС.

Тепловая нагрузка определяется по формуле:

(3.3)

где — массовый расход газовой смеси, кг/с;

и — соответственно начальная и конечная температуры газовой смеси, єС;

— теплоёмкость газовой смеси при .

— массовый расход охлаждающей воды, кг/с;

и — соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, єС;

— теплоёмкость охлаждающей воды при t₂.

В таблице (3.1) представлены физико-химические характеристики при температурах и .

Таблица 3.1 — физико-химические характеристики

Переведем расход по формуле (3.4) в требуемую размерность.

(3.4)

кг/с.

Вт.

Рассчитаем расход охлаждающей воды по уравнению:

(3.5)

кг/с.

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.1) и примем ориентировочное значение, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

(3.6)

где — внутренний диаметр трубы.

для труб диаметром мм:

;

для труб диаметром мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

(3.7)

м².

Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 1000 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов имеют соотношения , близкие к 450.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по формуле:

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

(3.13)

где — поправка для среднелогарифмической разности температур;

— средняя температура;

, и — параметры зависящие от начальных и конечных температур охлаждающей воды и газовой смеси.

єС.

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

м².

Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

мм; мм;;; м²; м.

Находим и по формулам (3.15−3.16), необходимые значения возьмем из таблицы (3.1):

(3.14)

(3.15)

.

В соответствии с формулой (3.17) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:

(3.16)

Вт/(м²*К).

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее єС).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м²; тогда:

(3.17)

(3.18)

.

После расчетов находим по формуле:

(3.19)

Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления м²*К/Вт, м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

(3.20)

где — толщина стенки, м.

м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

(3.21)

Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

м².

Запас составит:

(3.22)

%.

Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости газа в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м²:

(3.23)

м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

(3.24)

где — относительная шероховатость труб;

— высота выступов шероховатостей, принимаем мм.

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере м, а скорость в штуцерах равна:

(3.25)

м/с.

В соответствии с формулой (3.28) гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

(3.26)

Ч Ч Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

(3.27)

.

Округляя в большую сторону, получим. Число сегментальных перегородок. Диаметр штуцеров к кожуху м. скорость потока в штуцерах составит:

(3.28)

м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью м² равна:

(3.29)

м/с.

В соответствии с формулой (3.32) сопротивление межтрубного пространства равно:

(3.30)

Ч Ч Па.

3.1.2 Расчет холодильника По аналогичной схеме с формулам произведем расчет холодильника, который охлаждает поглощающую воду, идущую на абсорбцию.

Вода на абсорбцию поступает с єС и охлаждается до єС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем теплоноситель с меньшим расходом, т. е. воду на абсорбцию. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.

Примем, что охлаждающая вода в теплообменнике нагревается от 8 єС до 27 єС.

Рисунок 3.1 — температурная схема процесса

Из рисунка видно, что:

єС,

єС.

В виду того, что

то среднелогарифмическая разница температур, єС, равна:

.

Индексами 1 и 2 обозначим воду, идущую в абсорбционную установку и охлаждающую воду соответственно.

Средняя температура охлаждающей воды:

єС.

Средняя температура воды на абсорбцию:

єС.

Массовый расход воды на абсорбер принимаем полученное ранее при расчете колонны, т. е. кг/с.

В таблице (3.2) представлены физико-химические характеристики при температурах и .

Таблица 3.2 — физико-химические характеристики

Тепловая нагрузка получится:

Вт.

Рассчитаем расход охлаждающей воды:

кг/с.

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.2) и примем ориентировочное значение, что соответствует переходному режиму течения в трубах. Такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром мм:

;

для труб диаметром мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

м².

Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 325 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов. В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Найдем поправку для среднелогарифмической разности температур и определим среднюю температуру:

,

єС.

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

м².

Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

мм; мм;;; м²; м.

Находим и :

.

Получили что коэффициент теплоотдачи к жидкости будет равен:

. (3.31)

Вт/(м²*К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м²; тогда:

.

После расчетов находим по формуле (3.32), где поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее єС):

(3.32)

Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

м².

Выбранный ранее теплообменник не подходит, его площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник с учетом новой рассчитанной поверхностью: мм; мм;;; м²; м. В этом случае запас составит:

%.

Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м²:

м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере м, а скорость в штуцерах равна:

м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

Ч

Ч Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

.

Округляя в большую сторону, получим. Число сегментальных перегородок. Диаметр штуцеров к кожуху м. скорость потока в штуцерах составит:

м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью м² равна:

м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно:

Ч Ч Па.

3.1.3 Расчет теплообменника-рекуператора Индексами 1 и 2 обозначим воду на абсорбцию и воду на регенерацию соответственно.

Поток воды на абсорбцию поступает с єС и из расчетов выше охлаждается до єС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем воду на регенерацию, а в межтрубном пространстве с необходимым расходом кг/с будет вода на абсорбцию соответственно. Вода, выходящая из абсорбера, имеет заданную температуру в колонне, т. е. єС, зададимся что после теплообменника-рекуператора выходить будет при єС.

Составим температурную схему.

Рисунок 3.3 — температурная схема процесса

Из рисунка видно, что:

єС,

єС.

В виду того, что

то среднеарифметическая разница температур, єС, определяется по формуле:

(3.33)

єС.

Средняя температура воды на регенерацию:

єС.

Средняя температура воды на абсорбцию:

єС.

Вычислим тепловую нагрузку:

Вт.

Рассчитаем расход воды на регенерацию:

кг/с.

В таблице (3.3) представлены физико-химические характеристики при температурах и .

Таблица 3.3 — физико-химические характеристики

Необходимые значения возьмем из таблицы (3.3) и примем ориентировочное значение, что соответствует переходному режиму режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром мм:

;

для труб диаметром мм:

.

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: Вт/(м²*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

м².

Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 273 мм. При этом выбрать можно только одноходовой аппарат. В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, т. е. при расчете теплообменника-рекуператора находить и учитывать поправку не будем. Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:

мм; мм;;; м²; м.

Рассчитаем параметры в трубном пространстве.

Находим и, необходимые значения возьмем из таблицы (3.3):

.

Находим критерий, для выбора, плотности кг/м³ и кг/м³ соответственно при єС и єС:

(3.34)

(3.35)

.

В соответствии с формулой (3.36) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равна:

(3.36)

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее єС).

Ч Ч Вт/(м²*К).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м²; тогда:

.

После расчетов находим по формуле (3.32):

Вт/(м²*К).

Примем термические сопротивления м²*К/Вт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт/(м²*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:

м²*К/Вт.

Коэффициент теплопередачи составит:

Вт/(м²*К).

Требуемая поверхность составит:

м².

Выбранный ранее теплообменник не подходит, его площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник с учетом новой рассчитанной поверхностью: мм; мм;;; м²; м. В этом случае запас составит:

%.

Далее производим гидравлический расчет. Находим воды в трубах, принимая площадь сечения одного хода по трубам м²:

м/с.

Коэффициент трения рассчитывают по формуле:

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере м, а скорость в штуцерах равна:

м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

Ч Ч Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве:

.

Округляя в большую сторону, получим. Число сегментальных перегородок. Диаметр штуцеров к кожуху м. скорость потока в штуцерах составит:

м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью м² равна:

м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно:

Ч Ч Па.

3.2 Расчет центробежного насоса Подбираем насос для перекачивания поглотительной воды при средней температуре 55 єС из открытой емкости в абсорбер. Геометрическая высота подъема воды 17,4 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 30 м. Плотность поглотительной воды возьмем кг/м³, тогда расход воды составляет м³/с.

Выберем трубопровод. Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр по формуле равен:

(3.37)

м.

Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм и толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:

м/с.

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

Определим потери на трение и местные сопротивления.

Найдем критерий Рейнольдса:

(3.38)

где вязкость примем Па*с.

т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной м. Тогда :

м.

Далее получим:

;

.

Таким образом, в трубопроводе автомодельная зона, для которой соответствует формула:

(3.39)

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

— вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

— прямоточные вентили: для м ;

— колено с углом 90 є: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии равна:

.

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

(3.40)

м.

Для нагнетательной линии:

— прямоточные вентили: для м ;

— колено с углом 90 є: ;

— выход из трубы: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии равно:

.

Потерянный напор в нагнетательной линии по формуле (3.40):

м.

Потеря напора в теплообменнике-рекуператоре:

(3.41)

м.

Потеря напора в холодильнике для воды на абсорбцию находится по формуле (3.41):

м.

Общие потери напора находят просуммировав все известные потери:

м.

В условии дано что вода перекачивается из емкости находящейся под атмосферным давлением в абсорбер с аналогичным давлением. Таким образом формула для нахождения потребного напора насоса приводится к следующей:

(3.42)

м.

Полезную мощность насоса определим по формуле:

(3.42)

кВт.

Принимая и, найдем мощность на валу двигателя:

(3.43)

кВт.

Выбираем насос марки Х20/53 с м³/с, м,, с-¹, а электродвигатель — АО2−52−2 с мощностью 13 кВт.

3.3 Расчет газодувки Подбираем газодувку для перекачивания загрязненного воздуха при средней температуре 78,5 єС в абсорбер. Расход воздуха 2 м³/с. Длина трубопровода от точки забора воздуха до абсорбера составляет 20 м. Все остальные необходимые данные возьмем из таблицы (3.1).

По формуле (3.37) найдем диаметр трубопровода, принимая скорость в трубопроводе м/с.

м.

Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм и толщиной стенки 10 мм. Внутренний диаметр трубы мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:

м/с.

Критерий Рейнольдса для потока в трубопроводе:

Примем, что трубы были в эксплуатации, имеют незначительную коррозию. Тогда мм. Получим:

м.

Далее получим:

;

;

.

Таким образом, в трубопроводе автомодельная зона, для которой соответствует формула:

(3.44)

.

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:

— вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

— прямоточные вентили: для м ;

— колено с углом 90 є: ;

— выход из трубы: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений равна:

.

Гидравлическое сопротивление трубопровода находим по формуле:

(3.40)

Па.

Избыточное давление, которое должна обеспечить газодувка для преодоления гидравлического сопротивления аппаратов и трубопровода, равно:

(3.41)

где и — гидравлическое сопротивление абсорбера и холодильника для загрязненного воздуха соответственно.

Па.

Таким образом, находим газодувку высокого давления. Полезную мощность ее находим по формуле (3.42):

кВт.

Принимая и, найдем мощность на валу двигателя:

кВт.

Выбираем газодувку марки ТВ-150−1,12 с м³/с, Па, с-¹, а электродвигатель — АО2−82−2 с мощностью 55 кВт.

Заключение

Процесс абсорбции NH₃ из загрязненного воздуха, концентрацией 12 об % NH₃ осуществляется в насадочном абсорбере диаметром 1200 мм и высотой 17,4 м при температуре абсорбции 20 С. Производительность абсорбера по газовой фазе 2 м³/с при нормальных условиях. Для проведения процесса абсорбции в колонне установлено четыре секции насадки керамические кольца Рашига 50 505, высота всех слоев по 3 м.

Поглотитель после регенерации имеет концентрацию NH₃ 0,12 масс %. Он подается в абсорбционную колонну при помощи центробежного насоса марки Х20/53, а электродвигатель — АО2−52−2 с мощностью 13 кВт.

Поглотитель охлаждается в кожухотрубчатом теплообменнике диаметром кожуха — 600 мм, диаметром труб — 252 мм, общим числом труб — 240 шт, числом ходов — 2, длиной одного хода — 3 м, поверхностью теплообмена — 57 м².

Газовая смесь подается на абсорбцию газодувкой типа ТВ-150−1,12 с электродвигатель АО2−82−2 и мощностью 55 кВт.

Охлаждается газовая смесь при помощи кожухотрубчатого теплообменника с диаметром кожуха — 1000 мм, диаметром теплообменных труб 252 мм, числом ходов — 2, общим числом теплообменных труб — 718, с поверхностью теплообмена — 226 м² при длине труб — 4 м.

Из колонны абсорбционная вода перед тем как идти на регенерацию проходит через кожухотрубчатый теплообменник-рекуператор с диаметром кожуха — 325 мм, диаметром теплообменных труб 202 мм, числом ходов — 1, общим числом теплообменных труб — 100, с поверхностью теплообмена — 19 м² при длине труб — 3 м.

Рассчитанная очистная линия позволяет производить абсорбцию NH₃ до степени, определенной в выданном курсовом задании.

Кроме этого был произведён расчёт и выбор вспомогательного оборудования: насос и газодувка. Также произведён расчёт теплообменника для охлаждения исходной газовой смеси, теплообменника-рекуператора и теплообменника для охлаждения поглощающей воды, идущей на абсорбцию.

Библиографический список

1 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию [Текст] / Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский [и др.] - 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Ю. И. Дытнерского — М.: Химия, 1991. — 496 с.

2 Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учеб. для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. — 10-е изд., испр., доп. — СПб.: Химия, 1987. — 576 с.

3 Ветошкин, А. Г. Процессы и аппараты газоочистки [Текст]: учеб. пособие; сост. — А. Г. Ветошкин — Пенза, 2006. — 201 с.

4 Рамм, В. М. Абсорбция газов [Текст]: учеб./ В. М. Рамм — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Химия, 1976. — 656 с.

5 Стабников, В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов [Текст]: учеб./ В. Н. Стабников — Киев: Технiка, 1970. — 208 с.

6 Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]: учеб. / А. Г. Касаткин — 7-е изд., испр., доп. — М.: Химия, 1973. — 752 с.

7 Бретшнайдер, С. Свойства газов и жидкостей [Текст]: учеб./ С. Бретшнайдер — СПб.: Химия, 1966. — 536 с.

8 Лащинский, А. А. Основы конструирования и расчет химической аппаратуры [Текст]: учеб. / А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский. — СПб.: Машиностроение, 1970. — 752 с.

9 Никольский, Б. П. Справочник химика [Текст]: учеб. пособие. В 6 ч. Ч. 1. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника / Б. П. Никольский — 2-е изд., испр., доп. — СПб: Изд-во Химия, 1966. — 1072 с.