Расчет тарельчатого абсорбера

 

3.1 Определение скорости газа и диаметра абсорбера

Скорость газа в интервале устойчивой работы можно определить по формуле:

, где

В-коэффициент, характеризующий работу решетчатой тарелки, принимаем В=8, е=2,72

 

d_экв -эквивалентный диаметр отверстия для щели тарелки, м

Для расчета допустимой скорости паров принимаем тарелку типа ТР ( ост 26-666-72) сталь углеродистая. d_экв =2*в=2*6=12 мм=0,012 м, s-ширина щели, s=4мм, F_с- свободное сечение тарелки, при шаге t=36мм, F_с=0,2м²/м² – принимаем относительно рассчитанного насадочного абсорбера с Д=2,6 м

Находим диаметр абсорбера:

 м

Принимаем Д_станд =2,4 м

Определяем действительную скорость газа на тарелке:

 м/с

Расчет светлого слоя жидкости на тарелке

Определим уточненное значение коэффициента В

Определяем плотность орошения

Определяем критерий Фруда

С-коэффициент, определяем по формуле

Находим высоту газожидкостного слоя для абсорбера Д_ст=2,4м, F_с=0,2м²/м²

Определяем газосодержание барботажного слоя

>0,5

Высота светлого слоя жидкости

 Определим коэффициенты массоотдачи:

Выразим  в выбранной для расчета размерности:

 кг/м²с

Выразим  в выбранной для расчета размерности:

 кг/(м²с)

Коэффициент массопередачи:

 кг/м²с

 Определяем число тарелок в абсорбере

Суммарная поверхность тарелок равна:

 м²

Определяем площадь одной тарелки, -доля рабочей площади тарелки

 Требуемое число тарелок равно:

 тарелки, принимаем n=8 шт

 Определяем расстояние между тарелками

Определяем высоту сепарационного пространства

,

где е=0,1, А=1,4х10^-4, m=2,56, n=2,56

f-поправочный коэффициент, учитывающий свойства жидкости

                  

принимаем расстояние между тарелками равное 0,3 м.

Высота тарельчатой части абсорбера

Принимаем расстояние от верхней тарелки до крышки

м;

Принимаем расстояние от нижней тарелки до днища

Определяем высоту абсорбера

 Полное гидравлическое сопротивление тарелок:

;

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

;

Па

-коэффициент, зависит от конструкции тарелки, принимаем для решетчатой тарелки   табл. 5 [2]

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 Па

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелке:

 Па

 Па

 

Проводим сравнение насадочного и тарельчатого абсорбера, данные отражены в таблице 2.

                                                                                  Таблица 2

Параметр	Насадочный абсорбер	Тарельчатый абсорбер
Диаметр, м	2,6	2,4
Скорость газа, м/с	1,37	1,86
Высота, м	14,6	5,7
Сопротивление гидравлическое, Па	12484,5	3319,8
Число абсорберов	1	1
Объем абсорбера, м3	29,79	19,4

Сравнение этих данных показывает, что применение тарельчатого абсорбера позволяет значительно снизить энергетические затраты на преодоление газовым потоком сопротивления абсорбера. Поэтому выбираем для проведения процесса тарельчатый абсорбер.

 

 

    4 Расчет вспомогательного оборудования

 

4.1 Расчет теплообменника для охлаждения газовой смеси

Исходные данные:

Расход газовой смеси G₁ = 11,97 кг/с;

Температура газовой смеси на входе в теплообменник t₁′ = 110 ºС;

Температура газовой смеси на выходе из теплообменника t₁″ = 21 ºС;

Начальная температура охлаждающей воды t₂′ = 19 ºС.

 

4.1.1 Определение тепловой нагрузки теплообменника и расхода воды

 

    Найдем среднюю температуру газовой смеси

              t₁ = 0,5 (t₁′ + t₁″) = 0,5 (110 + 21) = 65,5 ºС.

Газовая смесь при средней температуре 65,5 ºС имеет следующие свойства.

;

 кг/м³.

Вязкость газовой смеси при температуре 65,5ºС

 Μ_ац = 0,85·10^-5 Па·с;(4)  μ_возд = 2,·10^-5 Па·с.(1)

 

.

Теплоемкость при средней температуре

,

где С_ац – удельная теплоемкость ацетона при t₁ = 65,5 °С ,

по [4] С_ац =1438 Дж/(кг·град),

           С_возд – удельная теплоемкость воздуха  при t₁ = 65,5 °С ,

 

по [1] С_возд = 1007 Дж/(кг·град),

 Дж/(кг·град).

Теплопроводность

,

где В = 0,25 · (9 · k - 5) [1]

k_ац= 1,26

 тогда теплоемкость газа:

k_{г. см.}= k_бУ_н+ k_в (1-У_н)  Вт/м К

                       

В = 0,25 (9 · 1,388 - 5) = 1,873

 Вт/м·К

 

Примем температуру охлаждающей воды на выходе из теплообменника равной 50 °С, тогда средняя температура воды

t₂ = 0,5 (t₂′ + t₂″) = 0,5 (19 + 50) = 34,5 ºС.

Вода при средней температуре 34,5 ºС имеет следующие физико-химические и теплофизические свойства [1].

ρ₂ = 994 кг/м³;  μ₂ = 0,7298·10^-3 Па·с, С₂ = 4190 Дж/(кг·град),

λ₂ = 0,622 Вт/м·град.

Тепловую нагрузку определим по формуле

;                                           

 Вт.

 

Определим расход охлаждающей воды из уравнения теплового баланса

.                                             

 кг/с.

    Температурная схема теплообменника

 

                                 110 ºС  21 ºС;

                                 50 ºС  19 ºС;

                                   ;

    Средняя разность температур между теплоносителями

                       ºС.

 

    4.1.2 Определение коэффициента теплоотдачи для газовой смеси

    Принимаем трубы теплообменника диаметром d_т = 25 х 2 мм. Направим газовую смесь в трубное пространство. Зададимся значением критерия Рейнольдса для газа Re = 40000 (развитое турбулентное движение) и определим требуемое число труб одного хода по формуле [2]

,                                          

    где d – внутренний диаметр трубы, d = 21 мм = 0,021 м;

.

 

    По таблице 4.12 [4] принимаем одноходовой кожухо-трубчатый теплообменник: Д_кожуха = 1200 мм, n = 1083

        Уточняем Re:

    Режим движения газа – турбулентный.

    Вычислим критерий Прандтля для газа

,                                               

.

    Определим коэффициент теплоотдачи по формуле [2]

,                               

    где  = 1, для газов отношение =1, [1].

.

Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке

 Вт/(м²·К).

 

    Определение коэффициента теплоотдачи от степени к охлаждающей воде. Критерий Прандтля для воды

                                                                        м                          

     

           

Принимаем Re = 10000

  

где С- коэффициент для перегородок, С=1,72

 Вт/м*К

Термическое сопротивление загрязнений:

-со стороны газовой смеси    м²К/Вт

-со стороны воды    м²К/Вт табл. 5.4 [4]

теплопроводность стальных труб:  Вт/м*К

   

Определим поправочный коэффициент e t

При этих значениях e t 0,8 рис.5 (1)

tут= tср* e t= 23,2*0,8 =18,56

Требуемая площадь поверхности теплообмена:

           м²                                                     

Принимаем одноходовой кожухо-трубчатый теплообменник ТН.

Диаметр кожуха          1200 мм

Число труб                  1083мм

Диаметр труб              25 х 2 мм

Площадь поверхности теплообмена 765 м²

Длина труб                 9 м

Число сегментных перегородок n = 14

Число труб по диагонали шестиугольника - 39

Запас площади теплообмена:

                     

Уточненный расчет:

Определим число перегородок

Определим площадь сечения одного хода

Уточняем скорость движения воды

    При расчете теплоотдачи в случае Rе < 10 000 определяющая температура

t_опр = 0,5 (t_ст + t). Ввиду того, что температура t_cT будет определена только в конце расчета, необходимо задаться величиной ∆t

В данном примере теплопередачи от газа к жидкости следует учесть, что коэффициент теплоотдачи от газа к стенке обычно значительно меньше коэффи­циента теплоотдачи от стенки к жидкости, поэтому примем ∆t= 0,25∆t_cp= 0,25*23,2=5,8°С.

При этом t_ст = t+ ∆t =34,5+5,8 =40,3°С, и за определяющую тем­пературу примем t_опр = 0,5 (40,3 +34,5) =37,4 °С.

При этих допущениях:

(G_rP_r)= >8*10⁵

Значения β, ρ, μ и Рг для воды взяты по табл. XXXIX. (1)

Для горизонталь­ного аппарата расчетная формула коэффициент теплоотдачи:

Принимаем по табл. 4.12(1) теплообменник с максимальной длиной труб L = 9м. Тогда:

где μ=0,657 при 40,3 °С

Коэффициент теплопередачи:

Термическое сопротивление загрязнений:

-со стороны газовой смеси    м²К/Вт

-со стороны воды    м²К/Вт табл. 5.4 [4]

теплопроводность стальных труб:  Вт/м*К

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K∆t_ср=80,66*23,2=1871,312

Проверим применимость формулы расчета коэффициента теплоотдачи и уточним расчет. Расчетное значение ∆t_ср

∆t_ср= q/α=1871,312/339,6=5,51 °С

Уточненное значение (GгРг):

(GгРг)=35,79*10⁵*(5,51/5,8)^0,1=35,6*10⁵

Формула применена верно, так как (GгРг) > 10⁶ и > 20.

Расчетное значение определяющей температуры

 а было принято t_ст= 37,4 °С.

Расчет q произведен правильно.

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена:

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Принимаем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник ТН.

Диаметр кожуха           1200 мм

Число труб                   1083мм

Диаметр труб               25 х 2 мм0

Площадь поверхности теплообмена 765 м²

Длина труб                  9 м

Определяем диаметр патрубков

 м/с; 

м

м

Принимаем трубы для патрубков и колен по ГОСТ 10704-91*диаметром

для воды- 426x10 мм

для смеси- 820x11 мм

 

4.2 Расчет центробежного насоса для подачи в колонну поглотителя

 

    Примем скорость воды во всасывающем и нагнетательном трубопроводах равной 2 м/с. Рассчитаем диаметр трубопровода по формуле

;

м.

Фактическая скорость воды в трубе   

                                        ,м/с                                                    

м/с

Принимаем абсолютную шероховатость стенок труб е = 0,2 мм, степень шероховатости d_э / е = 119/0,2 =595. По рисунку находим значение коэффициента трения λ = 0,0235.

    Вычислим критерий Рейнольдса

;

.

    Примем следующие характеристики трубопроводных линий:

линия всасывания – длина l₁ = 15 м; линия нагнетания – длина l₂ = 50 м.

    Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

На линии всасывания:

1) вход в трубу (с острыми краями) ξ₁ = 0,5;

2) отвод под углом 90° (2 шт) ξ₂ = 0,21*2=0,42;

3) вентиль нормальный (2 шт) (для диаметра 119 мм) ξ₃ = 0,47*2=0,94

.

На линии нагнетания:

1) отвод под углом 90° (3 шт) ξ₁ = 0,21*3=0,63;

2) вентиль нормальный (4 шт) (для диаметра 119 мм) ξ₃ = 0,47*4=1,88

3) диафрагма  m=0,6 ξ₃ = 2;

4) выход из трубы ξ₄ = 1.

.

Определим потери напора по формуле

.                                  

Потери напора на всасывающей линии

 м.

Потери напора на нагнетательной линии

 м.

Общие потери напора

 м.

Определим необходимый напор насоса

.

Значения величин в формуле указаны в исходных данных.

 м.

    Определим полезную мощность насоса

.

кВт.

    Мощность на валу электродвигателя

,

    где η_дв –0,8;

 кВт.

Установочная мощность сотавит:

                                  ,кВт                                     

кВт

 

Выбираем центробежный насос [2]: марка Х 90/19, производительность 0,025 м³/с, напор 13 м, частота вращения n = 48,3 с^-1, мощность 10 кВт, электродвигатель АО2-51-2. η_дв=0,88

Рассчитаем запас напора на кавитацию

.                                            

 м.

По таблицам насыщенного водяного пара[1] определим давление насыщенных водяных паров при t = 21º С Р_t = 2,4 ·10³ Па.

Определим предельную высоту всасывания по формуле

.                     

.

    Насос можно устанавливать над емкостью на высоте 4,39 м над уровнем водоема вполне допустимо.

 

    5. Расчет вентилятора к тарельчатому абсорберу для перекачки газовой смеси

 

 Определение гидравлического сопротивления аппарата

Принимаем скорость газовой смеси в трубопроводе 20 м/с и определяем диаметр трубопровода

, м

По найденному диаметру принимаем трубопровод из стали наружным диаметром 820х11 мм; d_вн =820-11*2 мм =798 м.

Фактическая скорость газа в трубе

м/с

Критерий Рейнольдса для потока газа в трубопроводе

                   >10000                  

Режим движения турбулентный.

Примем трубы стальные новые с абсолютной шероховатостью Δ = 0,2 мм

Относительная шероховатость трубы

                                        ,                                                 

По рисунку 1.5. [3] находим значение коэффициента трения λ = 0,015.

 

Примем длину нагнетательной линии l_н =50 м. На линии установлена 3 задвижки и 4 отвода под углом 90^о, диафрагма

Определяем коэффициенты местных сопротивлений [3, табл. XIII]:

- задвижка  ξ =0,15*3=0,45

- отвод 90⁰                        ξ = 0,21*4=0,42  

- диафрагма m=0,7 ξ =0,97        

-  вход в трубу (с острыми краями) ξ=0,5

-  Выход с трубы ξ=1

Σ ξ = 0,45+0,42+0,97+ 0,5+1 =3,4

Определяем гидравлическое сопротивление трубопровода

, м                                         

м

Определяем избыточное давление, которое должен обеспечить вентилятор

,

где ΔР_а – гидравлическое сопротивление в насадочном абсорбере, ΔР_а=3319,8 Па

Расчет мощности вентилятора

 

Выберем вентилятор марки ВЦ 12-49-8-01

Производительность – 12,5 м³/с

Частота вращения – 24,15 об/с

Мощность э/двигателя – 110 кВт

Тип двигателя 4А 280 М4

 

Заключение

 

В результате расчета был выбран тарельчатый абсорбер диаметром 2,4 м и высотой 5,7 м. Характеристика тарелки: ТР ( ост 26-666-72) сталь углеродистая. d_экв =2*в=2*6=12 мм=0,012 м, s-ширина щели, s=4мм, F_с- свободное сечение тарелки, при шаге t=16мм, F_с=0,2м²/м²

– Для охлаждения газовый смеси подобран  одноходовой кожухо-трубчатый теплообменник ТН.

Диаметр кожуха           1200 мм

Число труб                   1083мм

Диаметр труб               25 х 2 мм

Площадь поверхности теплообмена 765 м²

Длина труб                  9 м

Для подачи воды в абсорбер был выбран по [1] насос марки Х 90/19, производительность 2.5*10^-2 м³/с, напор 13 м, частота вращения n = 48,3 с^-1, мощность 10 кВт, электродвигатель АО2-51-2.

Для подачи охлажденной газовой смеси в абсорбер подобран вентилятор марки ВЦ 12-49-8-01

Производительность – 12,5 м³/с

Частота вращения – 24,15 об/с

Мощность э/двигателя – 110 кВт

Тип двигателя 4А 280 М4

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.:Химия,1987.- 575 с.

2. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1991.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского– М.: Химия, 1991. – 436 с.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1966. – 848 с.

5. Расчет абсорбционной установки: Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Основные процессы и аппараты химической технологии»/ГАСВУ, Уфимск. технол. ин-т сервиса. Сост. С.П. Ломакин, Уфа, 1998, 55 с.

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

 

 

Введение

 

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или паро- газовых смесей жидкости поглотителями (абсорбентами). В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую или наоборот. При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать.

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом, для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей, а так же для получения готового продукта путем поглощения газа жидкостью.

Абсорбционные методы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т.п.). кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей.

 

 

Содержание

 

Исходные данные

Введение

 Описание технологической схемы установки

1 Материальный баланс

2 Расчет насадочного абсорбера

3 Расчет тарельчатого абсорбера

4 Расчет теплообменника

5 Расчет центробежного насоса

6 Расчет вентилятора

Заключение

Литература