Введение

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае – хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.

В промышленности абсорбция широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов, для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов и т.д.

При переходе из газовой фазы в жидкую, энергия молекул распределяемого компонента уменьшается. Поэтому процесс абсорбции сопровождается выделением тепла и повышением температуры системы. Кроме того, объем системы в процессе абсорбции уменьшается за счет уменьшения объема газовой фазы. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, растворимость газа в жидкости увеличивается при повышении давления и уменьшении температуры процесса. Статика процесса абсорбции описывается уравнением Генри, а кинетика – основными уравнениями массопередачи.

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие.

В абсорберах поверхностного типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки.

Насадочные колонны представляют собой колонны, загруженные насадкой - твердыми телами различной формы; при наличии насадки увеличивается поверхности соприкосновения газа и жидкости.

Эффективность работы насадочного абсорбера во многом зависит не только от гидродинамического режима, но и от типа выбранной насадки. Разнообразие применяемых насадок объясняется множеством предъявляемых к ним требований: большая удельная поверхность и свободный объем, малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерное распределение абсорбента, хорошая смачиваемость, коррозионная стойкость, малая насыпная плотность и низкая стоимость.

В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачкаовыми, ситчатыми или провальными тарелками. Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса (в отличие от непрерывного процесса в наса-дочных колоннах) газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата

В распыливающих абсорберах поверхность соприкосновения создается путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Такие абсорберы изготовляются обычно в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх.

Все перечисленные типы абсорберов имеют свои достоинства и недостатки. Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов.

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками – дополнительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны – наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом их является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, насадка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным преимуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных абсорберах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидкости и при больших тепловыделениях.

Для поглощения NH3 водой; V = 5000 нм3/ч; NH3 = 0,12 мас.%

Степень улавливания 96%. Температура 20 С.

Константа Генри 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа

1. Технологическая схема

Газовоздушная смесь с помощью газодувки ГД подается в барботажный абсорбер А с ситчатыми тарелками. В верхнюю часть абсорбера центробежным насосом Н подается вода. Вода стекает по насадке вниз, а навстречу ей движется газовоздушная смесь. При взаимодействии фаз аммиак растворяется в воде и воздух очищается. Вода насыщенная аммиаком самотеком поступает в приемную емкость ПЕ, а очищенный воздух выбрасывается в атмосферу.

2. Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор аммиака при температуре 20 С° является коррозионно активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600°С [4с59].

3. Материальный расчет абсорбера

3.1 Плотность газовой смеси на входе в аппарат

Мольная концентрация NH₃ в газовой смеси на входе в аппарат:

= (0,12/17)/(0,12/17 + 0,88/29) = 0,19

где М_В = 17 – мол. масса NH₃;

М_А = 29 – мол. масса воздуха.

Молекулярная масса исходной смеси:

М_см = М_B + (1–)М_A = 17∙0,19+29∙0,81 = 26,72 кг/кмоль

При нормальных условиях:

r_0Н = М_см/ 22,4 = 26,72/22,4 = 1,19 кг/м³,

при рабочих условиях: t = 20° C; Р = 0,1 МПа:

r_Н = r_ОНТ₀Р/(ТР₀) = 1,19×273/293 = 1,11 кг/м³.

3.2 Массовый расход исходной смеси на входе в аппарат

G_Н = Vr_Н = 1,39×1,11 = 1,54 кг/с.

V = 5000/3600 = 1,39 м³/с.

3.4 Расход распределяемого компонента и инертного вещества

G_ркн = G_Нн = 1,54×0,12 = 0,185 кг/с,

G_ин = G_Н(1 – _н) = 1,54×0,88 = 1,355 кг/с.

3.5 Масса распределяемого компонента поглощенного водой

М = G_ркн0,96 = 0,185×0,96 = 0,178 кг/с

Масса распределяемого компонента в газовой фазе на выходе

G_ркк = G_ркн – М = 0,185 – 0,178 = 0,007 кг/с

Расход газовой фазы на выходе:

G_К = G_н – М = 1,54– 0,178 = 1,362 кг/с.

3.6 Относительная концентрация аммиака на входе и выходе

= G_ркн / G_ин = 0,185/1,355 = 0,136 кг/кг,

= G_ркк / G_ин = 0,007/1,355 = 0,005 кг/кг.

3.7 Расход инертной фазы

С помощью уравнения Генри (1) строим диаграмму и наносим на нее рабочую линии процесса абсорбции:

,

где М_вод = 18 – молярная масса воды,

= 2070 мм рт.ст. = 0,276 МПа константа Генри для NH₃

0,136 = 17×0,276 /{29×0,1[17/18 + ×(1 – 0,276/0,1)]}.

Решая это уравнение получим = 0,069 кг/кг.

Через точку А ( = 0; = 0,005) и точку В ( = 0,136; = 0,069) проводим прямую, которая является рабочей линией при минимальном расходе воды m_min:

m_min = tga_min = = (0,136-0,005)/0,069 = 1,90 кг/кг.

Действительный расход воды

m = 1,3m_min = 1,3×1,90 = 2,47 кг/кг,

тогда уравнение рабочей линии будет:

,

отсюда конечная концентрация аммиака в воде = 0,053.

Через точки А и С (; ) проводим действительную рабочую линию процесса абсорбции.

Рис.1 Зависимость между концентрацией аммиака в газовоздушной смеси и воде .

Расход воды на входе:

L_ин = mG_ин = 2,47×1,355= 3,347 кг/с.

Расход воды на выходе:

L_K = L_ин + М = 3,347 + 0,178 = 3,525 кг/с.

Средний расход воды:

L_ср = 0,5(L_ин + L_K) = 0,5×(3,347 + 3,525) = 3,436 кг/с

4. Определение диаметра абсобера

4.1 Скорость газа в абсорбере

w = 0,05(ρ_ж/ρ_г)^0,5

где ρ_ж = 998 кг/м³ – плотность воды при 20 ºС [1c. 537];

ρ_г – плотность газовой фазы при средней концентрации.

Молярная концентрация на выходе из аппарата

y_к = М_Вк/(М_Вк+М_А) = 29×0,005/(29×0,005+17) = 0,008

Средняя мольная концентрация:

у = 0,5(0,19+0,008) = 0,099.

Средняя молекулярная масса газовой смеси:

М = М_Ау+(1 – у)М_В = 17×0,099+29×0,901 = 27,81 кг/моль.

Средняя плотность газовой фазы при рабочих условиях:

r_г = МТ₀Р/(22,4ТР₀) = 27,83×273∙0,1/(22,4×293∙01) = 1,16 кг/м³.

w = 0,05(998/1,16)^0,5 = 1,47 м/с

4.2 Диаметр абсорбера

d =

где G_ср – средний расход газовой фазы:

G_ср = 0,5(G_H + G_K) = 0,5×(1,54 + 1,362) = 1,451.

d = (4∙1,451/1,47∙π∙1,16)^0,5 = 1,04 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 1,0 м, тогда действительное значение рабочей скорости газовой фазы:

w_г = 1,47(1,04/1,0)² = 1,59 м/с.

4.4 Характеристика стандартной тарелки

Тарелка ТС-1000

Рабочее сечение тарелки – 0,713 м²;

Диаметр отверстий – 5 мм;

Шаг отверстий – 12 мм;

Относительное свободное сечение тарелки – 10%

Сечение перелива – 0,036 м²;

Периметр слива, L_c – 0,8 м;

Масса тарелки 41,5 кг.

1. Расчет высоты абсорбера

5.1 Высота светлого слоя жидкости

h₀ = 0,787q^0,2h_пер^0,56w_г^m[1 – 0,31exp(-0,11μ_x)]

где h_пер = 0,04 м – высота переливной перегородки;

q – линейная плотность орошения;

μ_х = 1,0 мПа∙с – вязкость воды при 20 ºС [1c,537]

m = 0,05 – 4,6h_пер = 0,05 – 4,6∙0,04 = -0,134

q = Q/L_c = 0,0034/0,8 = 0,0043 м³/м∙с

Q = L/ρ_ж = 3,436/998 = 0,0034 м³/с – объемный расход воды

h₀ = 0,787∙0,0043^0,2∙0,04^0,56∙1,59^-0,134[1 – 0,31exp(-0,11∙1,0)] = 0,029 м

5.2 Плотность орошения

U = L/ρ_жS_к

где S_к = 0,785d² – площадь колонны;

U = 3,436/998∙0,785∙1,0² = 0,0044 м³/м²∙с

5.3 Газосодержание барботажного слоя

ε = Fr^0,5/(1+Fr^0,5)

где Fr – критери Фруда:

Fr = w²/gh₀ = 1,59²/9,8∙0,029 = 8,9

ε = 8,9^0,5/(1+8,9^0,5) = 0,75

5.4 Вязкость газовой смеси

Вязкость воздуха при 20° С

,

где m₀ = 17,3×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513],

c = 124 – вспомогательный коэффициент.

= 17,3×10^-6×(273+124)/(293+124)×(293/273)^3/2 = 18,3×10^-6 Па×с

Вязкость аммиака при 20° С

где m₀ = 9,18×10^-6 Па×с – вязкость воздуха при 0° С [1c. 513]

c = 626 – вспомогательный коэффициент

= 9,18×10^-6×(273+626)/(293+626)×(293/273)^3/2 = 9,98×10^-6 Па×с

Вязкость газовой смеси найдем найдем из соотношения

или

27,81 / m_см = 17×0,099/9,98×10^-6 + 29×0,901/18,3×10^-6

откуда m_г = 17,4×10^-6 Па×с

5.5 Коэффициенты диффузии

Коэффициент диффузии аммиака в воздухе:

= 17,0×10^-6×0,1(293/273)^3/2/0,1 = 18,9×10^-6 м²/с,

D₀ = 17,0×10^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях.

Коэффициент диффузии аммиака в воде: D_ж = 1,8×10^-9 м²/с [1c. 540].

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

β_жf = 6,24∙10⁵D_ж^0,5[U/(1–ε)]^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(1,8×10^-9)^0,5[0,0044/(1–0,75)]^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 0,013 м/с

β_жf = 0,0013∙ρ_ж = 0,0013∙998 = 13,3 кг/м²∙с.

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

β_гf = 6,24∙10⁵D_г^0,5(w/ε)^0.5h₀[μ_г/(μ_г+μ_ж)]^0,5 =

= 6,24∙10⁵∙(18,9×10^-6)^0,5(1,59/0,75)^0.5∙0,029[17,4/(17,4+1000)]^0,5 = 14,98 м/с

β_гf = 14,98∙ρ_г = 14,98∙1,16 = 17,4 кг/м²∙с.

5.8 Коэффициент массопередачи

K_yf = 1/(1/β_гf + m/β_жf) = 1/(1/17,4+1,97/13,3) = 4,86 кг/м²∙с

где m = 1,97 – коэффициент распределения, равный тангенсу угла на-

клона равновесной линии.

5.9 Движущая сила процесса массопередачи:

Δ_м = _к = 0,005 кг/кг

Δ_б = _н – _рн = 0,136 – 0,104 = 0,032 кг/кг

Δ_ср = (_б – _м)/ln(_б/_м) =

(0,032 – 0,005)/ln(0,032/0,005) = 0,0145 кг/кг

5.10 Число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок:

F = M/K_yfΔ_cp = 0,178/4,86∙0,0145 = 2,53 м²

Рабочая площадь тарелки:

f = φ0,785d² = 0,1∙0,785∙1,0² = 0,0785 м²

где φ = 10% - доля рабочей площади тарелки.

Требуемое число тарелок:

n = F/f = 2,53/0,0785 = 32 шт

5.11 Высота колонны

Н = Н_т(n-1)+Z₁+Z₂

где Н_т = 0,5 м – расстояние между тарелками;

Z₁ = 1,6 м – высота сепарационного пространства;

Z₂ = 2,8 м – высота кубового пространства.

Н = 0,5(32-1)+1,6+2,8 = 19,9 м

6. Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

ΔР_с = ζw²ρ_г/2φ²

где ζ = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки [2c.44];

φ = 0,1 – относительное свободное сечение колонны.

ΔР_с = 1,5∙1,59²∙1,16/2∙0,1² = 220 Па

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

ΔР_σ = 4σ/d_э = 4∙0,07/0,005 = 56 Па

где σ = 0,07 Н/м – поверхностное натяжение воды;

d_э = 0,005 м – диаметр отверстий.

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

ΔР_сл = ρ_жgh₀ = 998∙9,8∙0,029 = 284 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки:

ΔР_т = ΔР_с+ΔР_σ+ΔР_сл = 220+56+284 = 560 Па.

6.5 Полное сопротивление колонны:

ΔР = 560∙32 = 17920 Па.

6.7 Подбор газодувки и насоса для подачи воды

Объемный расход газовой смеси на входе в аппарат: V = 1,39 м/с.

По полному сопротивлению колонны и объемному расходу газовой смеси выбираем газодувку ТВ-80-1,2 [3c.42], для которой V=1,67 м³/с, а ΔР = 20000 Па.

Объемный расход воды и напор развиваемый насосом:

Q = L_ин/ρ_ж = 3,347/998 = 0,0034 м³/с.

Воду необходимо подать на высоту равную высоте колонны, следовательно Н > 20 м.

По объемному расходу и напору выбираем центробежный насос Х20/31 [3c.38], для которого Q = 0,0055 м³/с и Н=25 м.

7. Конструктивный расчет

7.1 Толщина обечайки

= 1,0×0,1/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м,

где s_д = 138 МН/м² – допускаемое напряжение [3c 394],

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва,

С_к = 0,001 м – поправка на коррозию.

Согласно рекомендациям [4 c24] принимаем толщину обечайки d = 8 мм.

7.2 Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d₁ =d = 8 мм.

Масса днища m_д = 74,3 кг.

Объем днища V_д = 0,162 м³.

7.3 Фланцы

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [4c36]:

7.4 Штуцера

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для газовой смеси w = 25 м/с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода воды:

d_1,2 = (3,436/0,785×1×998)^0,5 = 0,066 м,

принимаем d_1,2 = 65 мм.

диаметр штуцера для входа и выхода газовой смеси:

d_3,4 = (1,451/0,785×25×1,16)^0,5 = 0,252 м,

принимаем d_3,4 = 250 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

dусл	D	D2	D1	h	n	d
65	160	130	110	14	4	14
250	370	335	312	21	12	18

7.5 Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5,

размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке.

Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

m_об = 0,785(D_н²-D_вн²)Н_обρ

где D_н = 1,016 м – наружный диаметр колонны;

D_вн = 1,0 м – внутренний диаметр колонны;

Н_об = 20 м – высота цилиндрической части колонны

ρ = 7900 кг/м³ – плотность стали

m_об = 0,785(1,016²-1,0²)20,0·7900 = 4000 кг

Общая масса колонны. Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

m_к = m_об + m_т + 2m_д = 1,1(4000+32∙41,5+2·74,3) = 6024 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании.

Масса воды при гидроиспытании

m_в = 1000(0,785D²H_ц.об + 2V_д) = 1000(0,785·1,0²·20 + 2·0,162) = 16024 кг

Максимальный вес колонны

m_max = m_к + m_в = 6024 +16024 =22048 кг = 0,216 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D₁ = 0.94 м, наружный диаметр опорного кольца D₂ = 1,1 м.

Площадь опорного кольца

А = 0,785(D₂² – D₁²) = 0,785(1,10² – 0,94²) = 0,256 м²

Удельная нагрузка опоры на фундамент

s = Q/A = 0,216/0,256 = 0,84 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.

2. Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. – Иваново. 1984.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

4. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели. Методические указания. – Иваново, 2004.