Сущность и назначение процесса абсорбции.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Процессы и аппараты»

 

Тема: Улавливание ацетона из газовой смеси водой в насадочном абсорбере

 

 

Руководитель работы___________ Л. Б. Никишева

Обучающаяся 35 группы___________ А.Д Аристова

 

 

Чапаевск 2016

Введение

В современной химической промышленности широкое применение нашли высокоэффективные технологические процессы с использованием агрегатов большой мощности, средств автоматизации и механизации.

Актуальность курсового проекта заключается в том, что насадочный абсорбер является одним из главных по значимости аппаратов в химической промышленности. Абсорбер по всему миру применяют для перемешивания смесей. Он является наиболее экономичным и простым в эксплуатации, по сравнению с его аналогами. Помимо традиционной значимости данного аппарата, я выбрала абсорбер для исследования и считаю его актуальным так как он используется на заводе моего города (АО «ПРОМСИНТЕЗ»).

Проблема исследования - установить условия преимущества процессов избирательного поглощения компонентов из газовых и парогазовых смесей жидкими поглотителями.

Объект исследования - технология абсорбционного процесса.

Предмет исследования - абсорбер насадочный.

Целью курсового проекта является:

· ознакомление с абсорбционной установкой

· принципом работы, расчёт

· выбор основного аппарата

Задачи исследования:

-ознакомится с технологией абсорбционного процесса;

- выявить условия охраны окружающей среды связанные с работой аппарата;

- сделать расчёты и подобрать насос;

- изучить схему установки с КИПиА;

-исследовать и понять принцип работы аппарата;

Описание схемы.

Газ, охлажденный в теплообменнике, подается в нижнюю часть абсорбера, где равномерно распределяется по сечению колоны и поступает на контактные элементы(тарелки). Абсорбент подается в верхнюю часть колонны центробежным насосом из сборника. В колонне осуществляется противоточные взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ выходит из колонны в атмосферу. Абсорбент стекает через гидрозатвор в сборник, откуда насосом отправляется на дальнейшую переработку. Для охлаждения газа в холодильнике из градирни подают насосом воду, которая после холодильника возвращается на охлаждение в градирню. При увеличении подаваемой в абсорбер смеси возрастает концентрация извлекаемого компонента.

Схема автоматизирована. Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса, очистки 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 в абсорбер;

3. Уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом т.е. абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газов.

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

Уровень жидкости в колонне стабилизируется путём измерения отбора жидкости из неё. Система автоматизации предусматривает стабилизацию уровня жидкости в сборниках.

В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, температура, давление технологических потоков.

 

 

Задание на проектирование.

Материальный баланс.

͞х_н= Х(100-0)

͞х_н= 0/(100-0)= 0 кг/кг воды.

͞у_н= (М_к/М)*(у/(100-у))

͞у_н= (58/29)*(10/ 100-10)= 0,22 кг/кг воздуха

Концентрация ацетона в газовой смеси на выходе из абсорбера

Y_к= Y_н(1- ε)

Y_к= 0,22*(1-0,96)= 0,0088 кг/кг воздуха

Y^*= 58/29 *(р^*/ 1,013* 10⁵- р^*)= 0,588р^*/ 1,013*10⁵- р^*

Р_н= 1,013* 10⁵ *0,10= 0,1013*10⁵

Конечная рабочая концентрация

X_к= η * х

X_к= 0,44 * 0,8= 0,352 кг/кг воды

Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку из колонны синтеза, перед подачей в колонну охлаждается в холодильнике до t= 20 С. В этом случае объём газовой смеси, поступающей в абсорбер равен:

V_г= V * T/(t +273)

V_г= 16 * 293/ (200+273)= 9,9 м³/с

Количество ацетона, поступающего в колонну:

G_с6н6о= V₁ * Y_н * p

G_с6н6о= 9, 9 * 0, 10 * 0,792= 0,78 м/с

Количество воздуха, поступающего в колонну:

G= V_г* p * 0, 9

G= 9,9 * 1,2 * 0,9= 10,692 кг/с

Где 1,2 плотность воздуха при 20 С кг/м³

Плотность газа, поступающего в колонну:

ρ= (G_с6н6о + G) / V_г

ρ= (0,92+ 10,692) / 9,9= 1,17 кг/м³

Количество поглощенного ацетона:

G'_с6н6о=(G_с6н6о * ε)

G'_с6н6о= 0,92 * 0,96 =0,8832 кг/с

Расход воды в абсорбере:

L= G_с6н6о /(Х_к – Х_н)

L= 0,8832/ 0,352= 2,5 кг/с (0,0025 м³/с)

 

 

Технологический расчёт.

Принимаем в качестве насадки керамические кольца Рашига размером 50 ˣ 50 ˣ 5 мм.

Характеристика насадки: удельная поверхность 110 м²/м³, свободный объём 0,735м³/м³, эквивалентный диаметр 0,027 м.

Lg[(ω² * 110 * 1,14)/(9,81 * 0,735³ * 1000) * 1^0,16]= 0,22- 1,75(2,5/11,612)^0,25 * (1,17/1000)^0,125

ω= 0,97 м/с

ω= 0,97 * 0,8= 0,776 м/с

Диаметр колонны:

D= [4 * V_г/(π * ωρ)]^0,5

D= [4 * 9,9 /(3,14 * 0,776)]^0,5= 4,03 м

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны D= 2 м.

Плотность орошения колонны:

U= (L * t)/ ρ_ж * D²* 0,785

U= 2,5 * 3600 / 1000 * 2² * 0,785= 2,866 м³/(м²ч).

Оптимальная плотность орошения:

U_опт= 0,158 * 110= 17,38 м³/(м²ч).

U/U_опт= 2,866/17,38= 0,16

Поверхность насадки смочена не полностью. Для увеличения U и снижения U_опт выбираем насадку 80 ˟ 80 ˟ 8 мм. Удельная поверхность 80м²/м³ свободный объём 0,72 м³/м³

d_экв= 0,036 масса 1 м³= 670 кг

Lg[(80 * 1,17) / (9,81 * 0,72 * 1000) * 1^0,16]= 0,159

Откуда ω²= 2,014 м/с.

ω= 2,014 * 0,8= 1,61 м/с.

Диаметр колонны:

D= [4 * 9,9 / 3,14 * 1,61]^0,5= 2,79 м.

Выбираем стандартный диаметр обечайки колонны D= 2 м.

U= 2,866 м³/(м²ч).

U_опт= 0,158 * 80= 12,64 м³/(м²ч).

U/U_опт= 2,866 / 12,64= 0,22

Теплотехнический расчёт.

Принимаем расстояние от слоя насадки до крышки абсорбера h₁= 1,2 м, расстояние от насадки до днища абсорбера 2,7 м.

Движущая сила внизу абсорбера на входе газа:

∆Y_Ϭ= Y_н – Y_Хк

∆Y_Ϭ= 0,22 – 0,0088= 0,2112кг/кг воздуха.

Движущая сила вверху абсорбера на выходе газа:

∆Y_м= Y_к - Y_Хн

∆Y_м= 0,0088 - 0= 0,0088

∆Y_Ϭ /∆Y_м= 0,2112/ 0,0088= 24>2

Среднюю движущую силу определим по формуле:

∆Y_ср=(∆Y_Ϭ - ∆Y_м )/ 2,303 lg(∆Y_Ϭ /∆Y_м)

∆Y_ср= 0,2112 – 0,0088 = 0,2024 = 0,0638 кг/кг воздуха.

2,3 lg24 2,3lg24

 

Коэффициент массопередачиоапределяется по формуле:

1/ К_у= 1/ β_у + m/ β_х

1/ 0,025= 1/0,051 + m/ 0,049

m= 0,996

Для определения коэффициентов массоотдачи необходимо рассчитать ряд величин.

Мольная масса газовой фазы:

М_г= У_н * М + 0,90 * М

М_г= 0,10 * 58 + 0,90 * 29= 31,9 кг/моль

Где 58 и 29 мольная масса ацетона в воздухе соответственно кг/моль

Вязкость газовой фазы:

М_г / μ_г = Y_н * М_со / μ_со + 0,90 * М / μ

31,9 = 0,10 * 58 + 0,90 * 29

μ 0,322 * 10^-3 0,018 * 10^-3 = 0,019 * 10^-3 Па с.

 

Коэффициент диффузии С₃Н₆О в воздухе при t= 20 ° С определяется по уравнению:

 

D_г= D_о(0,1/ 0,1) * [(273 + 20)/ 273)]^3/2

Где D_о= 0,078 * 10^-4 м/с коэффициент диффузии ацетона в воздухе при 0 ° С и 0,1 МПа

 

D_г= 1,8 * 10^-4 м²/с.

 

Критерий Рейнольдса

 

Re_г= 4 * W_г/(f * μ_г)

Re_г= 4 * 2 * 1,17 = 9,36

80 * 0,019 * 10^-3 0,00152 = 6158

Критерий Прандтля:

Pr_г= μ_г/ (ρ_г * D_г)

Pr_г= 0,19 * 10^-3/ (1,17 * 1,8 * 10^-4)= 0,9 м/с

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе для регулярных насадок определяется по формуле:

β_г= С * (D_г / d_э) * Re_г^0,655(Pr)^0,33

1,8 * 10^-4

β_г =0,407 * 0,036 * 6158^0,655 * 0,9^0,33= 0,03534

Выразим в выбранной для расчета размерности:

β_г = 0,035 * 1,18= 0,041 кг/(м²с)

Для определения коэффициента массотдачи в жидкой фазе рассчитаем следующие величины:

Приведённая толщина стекающей плёнки жидкости δ_пр

δ_пр= [(μ_ж/ gр_ж)]^0,33

δ_пр= [1 * 10^-3 / (1000² * 9,81)]^0,33= 0,47 * 10^-4 м.

Модифицированный критерий Рейнольдсадля стекающей по насадке жидкости:

Re_ж= 4 * W_ж / (f * μ_ж)

Re_ж= 4 * 0,00407 * 1000 / (80 * 1 * 10^-3)= 203,5

Диффузный критерий Прандля для жидкости: μ

Pr'_ж= μ_ж / ρ_ж * D_ж

Pr'_ж= 1 * 10^-3 / (1000 * 0,0012 * 10^-6)= 833,33

Коэффициент диффузии ацетона в воде D_ж= 0,0012 * 10^-6 м²/ с.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находится из уравнения:

β_ж= А * (D_ж /δ_пр) * Re_ж^m* (Pr_ж)

β_ж= 0,0021 * (0,0012 * 10^-6 / 0,47 * 10^-4) = 0,09648 * 10^-4 м/с

 

 

Выразим β_ж в выбранной для расчёта размерности:

β_ж= 0,09648 * 10^-4 *ρ_ж

β_ж= 0,09648 * 10^-4 * 1000= 0,096 кг/(м²с)

Находим коэффициент массопередачи по газовой фазе по уравнению:

К_у= 1/ (1/ β_г + 1/ β_ж)

К_у= 1/(1/ 0,041 + 1/ 0,096)= 0,0287 кг/(м²с)

Площадь поверхности массопередачи в абсорбере по уравнению равна:

F= 0,218 / (К_у * ∆Y_ср)

F= 0,218 / (0,0287 * 0,0638)= 119 м²

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

Н= F / (f * S * φ)

Н= 1191 / (80 * 6,1544 * 1) = 0,25 м.

Для определения высоты единицы переноса определяем:

1) Высоту единицы переноса для газовой фазы:

h₁=(a * V_c) / (f *φ) * Re_г^0,25 * (Pr_г)^0,67

h₁= (8,13 * 0,72) / (1 *80) * 6158^0,25 * 0,9^0,67= 0,577

2) Высоту единицы переноса для жидкой фазы:

h₂ = 119 * δ_пр*Re_ж^0,25 * (Pr_ж)^0,5

h₂ = 119 * 0,47 * 10^-4 * 203,5^0,25 * 833^0,5= 0,61 м

3) Удельный расход поглотителя:

L= L/ G= 2,5 / 10,692= 0,23 кг/кг

4) Средний наклон линий равновесий:

k = (͞у₁ – ͞у₂) / (X_к – Х_н)

k =(0,0088 – 0) / (0,352- 0)= 0,025

Высота единицы переноса:

h = h₁ + (k /1)

h = 0,57 + (0,025 / 2,2)= 0,68 м.

Высота насадки:

Н= 4 * h

H= 4 * 0,68= 2,72 м.

С запасом 25% принимаем:

Н= 1,25 * 2,72 = 3,4 м.

 

 

Расчет насоса.

Центробежный насос: Выбор диаметра трубопровода. Примем скорость воды во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковой равной 2 м /с. Тогда диаметр трубопровода равен:

D= [ 4 * 0,03 / (3,14 * 2)]^0,3 = 0,044 м/с

Уточняем скорость движения раствора:

W= 4 * 0,003 / (3,14 * 0,038²)= 2,7 м/с

Определение потерь на трение и местное сопротивление.

Определяем величину критерия Рейнольдса:

Re= ω * d_экв* ρ / μ

Re= 2,7 * 0,038 * 1000 * 10^-1 / 1 * 10^-3 = 102600

Где р- 1000 кг/м³ – плотность воды, μ= 1 * 10^-3 вязкость воды. Плотность и вязкость воды при t = 20 C.

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений:

1) для всасывающей линии:

-вход в трубу ξ= 0,5

-нормальный вентиль для d= 0,04 ξ=0,8.

∑ Ԑ_вс= 0,5 + 5,2= 5,7.

2) Для нагнетательной линии:

-выход из трубы ξ= 1

-нормальный вентиль ξ= 5,2

-дроссельная заслонка ξ= 0,9

-колесо ξ= 1,6

∑ Ԑ_н= 1+ 5,2 + 0,9 + 1,6 * 2= 10,3

Определяем потери напора:

1) во всасывающей линии:

h_н.вс= (λ * (I / d) + ∑ Ԑ_вс) * ω²/ 2g

h_н.вс= (0,031 * (3/ 0,038) + 5,7) * 2,7/ 2 * 9,81 = 3,03 м

2) в нагнетательной линии:

h_н.н= (0,031 * (20/ 0,038) + 10,3) * 2,7/ 2 * 9,81 = 9,9 м

Общие потери напора:

h=3,03 + 9,9= 12,93 м

Выбор насоса:

Н= (р₂ – р₁) / (ρ * g) + H_ξ+ h_n

H= 0,1 * 10⁶ / (1000 * 9,81 + 2,2 + 12,93)= 45,12 м.

Полезная мощность насоса: где ƞ_о= 1, ƞ_н= 0,6 для насосов малой производительности.

Nп= ρ * g * H * Q / 1000

Nп= 0,003 * 1000 * 9,81 * 45,12 / 1000= 1,328 кВт.

N_ДВ= Nп / (ƞ_{о *} ƞ_н)

N_ДВ= 1,328 * (1 * 0,6)= 2,21 кВт.

Мощность потребляемая двигателями от сети при ƞ_дв= 0,8.

N= 2,21 / 0,8 = 2,76 кВт.

С учётом коэффициента запаса мощности: N=2,76 * 1,5= 4,14 кВт устанавливаем центробежный насос марки Х8/30 следующей характеристикой: производительность 2,4* 10^-3 м³/с, напор 30 м, КПД насоса 0,9.

Заключение

Курсовой проект является завершающим этапом изучения предмета. Углублённо изучался технический процесс, основное и вспомогательное оборудование для поиска решений по бесперебойной работе и повышению эффективности производства улавливания паров ацетона из газовой смеси водой. В период работы на проектом обучающиеся приобретают навыки самостоятельной работы по выполнению расчётов химической аппаратуры и графическому оформлению объектов проектирования, знакомятся с действующей нормативно-технологической документацией, справочной литературой, приобретают навыки выбора аппаратуры и технико-экономических обоснований.

В качестве объекта исследования был рассмотрен Абсорбер насадочный.

Главным условием высокого качества выпускаемой продукции служит бесперебойная работа технологического оборудования. В курсовом проекте основное содержание отражает мероприятия по ведению и техническому обслуживанию(аппарата).

При исследовании проблемы по ведению процесса абсорбера были рассмотрены следующие основные разделы: характеристика основного сырья и готовой продукции при производстве, физико-химические основы технологического процесса производства, технология схемы производства, конструкция(аппарат), виды содержания и ремонт абсорбера.

Представлены следующие расчеты:

-материальный баланс

-технологический

-теплотехнический

-гидравлический

-расчет насоса

-графическая часть

 

Список литературы

1. Романков П.Г Курочкин М.И, Мозжерин Ю.А Процессы и аппараты химической промышленности-Л, Химия 1989 г,

2. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты,

3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологииУчебник для техникумов. Л.: Химия, 1991. - 352 с., ил.

4. https://ru.wikipedia.org

5. http://www.xumuk.ru/

6. Глинка НЛ общая химия-Л, Химия 1972 г,

7. Александров И.А Ректификационные и абсорбционные аппараты- М, Химия 1978 г

8. Рамм В.М Абсорбция газов- М, Химия 1976 г.

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Процессы и аппараты»

 

Тема: Улавливание ацетона из газовой смеси водой в насадочном абсорбере

 

 

Руководитель работы___________ Л. Б. Никишева

Обучающаяся 35 группы___________ А.Д Аристова

 

 

Чапаевск 2016

Введение

В современной химической промышленности широкое применение нашли высокоэффективные технологические процессы с использованием агрегатов большой мощности, средств автоматизации и механизации.

Актуальность курсового проекта заключается в том, что насадочный абсорбер является одним из главных по значимости аппаратов в химической промышленности. Абсорбер по всему миру применяют для перемешивания смесей. Он является наиболее экономичным и простым в эксплуатации, по сравнению с его аналогами. Помимо традиционной значимости данного аппарата, я выбрала абсорбер для исследования и считаю его актуальным так как он используется на заводе моего города (АО «ПРОМСИНТЕЗ»).

Проблема исследования - установить условия преимущества процессов избирательного поглощения компонентов из газовых и парогазовых смесей жидкими поглотителями.

Объект исследования - технология абсорбционного процесса.

Предмет исследования - абсорбер насадочный.

Целью курсового проекта является:

· ознакомление с абсорбционной установкой

· принципом работы, расчёт

· выбор основного аппарата

Задачи исследования:

-ознакомится с технологией абсорбционного процесса;

- выявить условия охраны окружающей среды связанные с работой аппарата;

- сделать расчёты и подобрать насос;

- изучить схему установки с КИПиА;

-исследовать и понять принцип работы аппарата;

Сущность и назначение процесса абсорбции.

Абсорбция- процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция)данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую.

По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химическую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионными процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции.

Поглощение компонентов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла, величина которого пропорциональна массе и теплоте растворения поглощенных компонентов.

В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент. При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления температуры и состава газовой фазы.

В состоянии равновесия при постоянной температуре и общим давлением зависимость между парциальным давлением газа и составом жидкой фазы однозначно. Эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление растворённого газа пропорционально его мольной доли в растворе или растворители газа в жидкости при данной температуре.

Абсорбционные процессы являются процессами при санитарной очистки, выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей.

В химической технологии абсорбция используется для осуществления рядов процессов, к которым относятся:

1. Получение целевых продуктов

2. Выделение ценных компонентов газовых смесей

3. Улавливание вредных примесей из газовых смесей, диктуемое ходом производственного процесса, или же необходимостью обезвреживания окружающей среды путём очистки выбросов сочетающихся часть с улавливанием ценных веществ (например фенола при переработке формалиновых смол). Абсорбция является процессом массобмена интенсивностью которого пропорционально разности конденсации поглощаемого компонента в газовой смеси и равновесном состоянии над раствором абсорбента.