Курсовая работа: Проектирование абсорбционной установки

К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные, балластные и пластинчатые.

Гидродинамические режимы работы тарелок. В зависимости от скорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамических режима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный, струйный, или инжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а также поверхность контакта фаз.

Пузырьковый режим. Наблюдается при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз на тарелке невелика.

Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие из отверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления  барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газожидкостная дисперсная система – пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанном режиме контактирование газа и жидкости происходит на поверхности пузырьков и струй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа из барботажного слоя и разрушении их оболочек.

Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.

Ситчатые тарелки. Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну. Разновидностью абсорберов с ситчатыми тарелками являются пенные абсорберы.

Колпачковые тарелки. Газ барботирует через жидкость, выходя из прорезей колпачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газ дробится на мелкие струйки, которые на выходе из прорези почти сразу поднимаются вверх и, проходя через слои жидкости на тарелке, сливаются друг с другом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Колонна с колпачковыми тарелками

1 – тарелка; 2 – патрубки; 3 – колпачки; 4 – переливные трубы

В колонне с колпачковыми тарелками находятся тарелки 1, с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3. Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. Уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.

Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и выходит через отверстие между зубцами или через прорези в колпачках, барботируется в слой жидкости.

Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал, таким образом, нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены под уровень жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.

Колпачковые тарелки менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Для нормальной работы колпачковых тарелок необходимо, чтобы все прорези в колпачках были открыты для равномерного прохода газа. Это условие достигается при скорости движения газа больше чем 0,6 м/с.

Клапанные тарелки. Принцип действия состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно.

Балластные тарелки. Отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким круглым клапаном и кронштейном-ограничителем установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта.

Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренных выше, работают при одноправленном движении фаз, то есть каждая ступень работает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу и жидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз. Достоинства пластинчатых тарелок: низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными жидкостями, низкий расход металла при их изготовлении. Недостатки: трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходах жидкости.

3 Описание процесса в технологической системе

Бинарная газовая смесь с температурой 160(поток 4,9) подается турбокомпрессорами в теплообменник 9, где охлаждается до температуры 35 . Охлажденная смесь подается газодувкой 8 в нижнюю часть абсорбера 6, где равномерно распределяется по сечению колонны и поступает на контактные элементы (насадку). Абсорбент подается в верхнюю часть колонны центробежным насосом 4 из сборника 3. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ выходит из колонны в атмосферу. Абсорбент стекает через гидрозатвор в сборник 7, откуда насосом 5 отправляется на дальнейшую переработку. Для охлаждения газа в холодильник из градирни 2 подается насосом 1 вода, которая после холодильника возвращается на охлаждение в градирню. Схема автоматизирована. 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: концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера; температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию;  уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом, то есть абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастает концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличивается подача абсорбента в абсорбер, что обеспечивает стабилизацию концентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. Для оптимизации процесса абсорбции поддерживается низкая температура газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расхода охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа 9. Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора жидкости из неё. Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках. В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, температуры, давления технологических потоков.

4. Технологический расчет

4.1 Построение кривой равновесия и рабочей линии процесса

Для определения числа теоретических единиц переноса необходимо в системе координат построить рабочую линию и линию равновесия.

По начальным и конечным концентрациям поглощаемого газа и поглотителя строим рабочую линию, т.е. прямую, которая проходит через точки с координатами (, ) и (,). Она расположена выше линии равновесия, т.к. при абсорбции содержание компонента в газовой фазе выше равновесного.

Выразим начальную и найдем конечную концентрации газовой фазы в единицах массовой концентрации; для этого переведём мольные доли в массовые, воспользовавшись формулой (2.1).

                                             (2.1),

 масс долей

Используя формулу (2.2), переведём массовые доли в относительные массовые доли.

                                                                   (2.2),

 относит масс долей

По формуле (2.3) определим концентрацию газа на выходе из абсорбера колонны.

                                                                    (2.3),

 относит масс долей

Для построения кривой равновесия задаём значения “” так, чтобы принятые значения включали в заданный интервал и . Значения указаны в таблице 1.

Таблица 1

Для каждого принятого значения “” принимаем температуру (в зависимости от температуры в абсорбере). Данные указаны в таблице 2.

Таблица 2

Пользуясь формулой (2.4) определяем для каждого значения “” парциальное давление компонента в парах над жидкостью.

                                                (2.4),

 атм

 атм

 атм

 атм

 атм

атм

 атм

Для каждого значения “” (концентрация компонента в газовой смеси) определим равновесное значение “” (концентрация компонента в поглотителе). Для определения используем формулу (2.5).

                                                                         (2.5),

 относит масс долей

 относит масс долей

 относит масс долей

 относит масс долей

 относит масс долей

  относит масс долей

По значения “” и “” строим линию равновесия.

В зависимости от степени поглощения газа поглотителем строим рабочую линию. Используя значения , ,  и . Значения  и  определим по формулам (2.6) и (2.7).

                                                                       (2.6),

                                                                          (2.7),

 относит масс долей

 относит масс долей

Доводим конечную концентрацию до 3,510-6

Из графика определяем, что количество тарелок в колонне равно 20.

4.2 Материальный баланс

Определим секундный расход газа, воспользовавшись формулой (2.8).

                                                                          (2.8),

По формуле (2.9) определим массовый расход газа.

ρг                                                                         (2.9),

Используя формулу (2.10) определим плотность газа.

ρг = ρв =                                                               (2.10),

ρг

Определим расход поглотителя по формулу (2.11).

                                                                (2.11),

Используя формулу (2.12) определим объёмный расход поглотителя.

                                                                       (2.12),

4.3 Тепловой баланс

Процесс абсорбции сопровождается выделением тепла.

Определим температуру газа на выходе из абсорбера, вычислив её по формуле (2.13).

                                                 (2.13),

Определим теплоту растворения газа в воде по формуле (2.14)

                                                             (2.14),

Из справочника находим значение  

 оС

 оС

Так как разница между теплотой газа на входе и выходе незначительна, то, предусматривать отвод тепла нет необходимости.

4.4 Конструктивный расчет

Определим диаметр колонны по формуле (3.1)

                                                                (3.1),

Воспользовавшись формулой (3.2) найдём оптимальную   скорость газа в колонне.

                                                     (3.2),

Из ряда стандартных диаметров принимаем диаметр колонны, равный 2200мм.

Уточним скорость газа.

Определим высоту колонны, вычислив её по формуле (3.3).

                                                         (3.3),

при D = 2400 из справочника выписываем значения:

Высоту тарельчатой части колонны определим, используя формулу (3.4).

                                                        (3.4),

4.5 Подбор стандартных конструктивных элементов

4.5.1 Подбор крышки и днища

Внутренний диаметр равен 2400 м

Высота борта равна 50 мм

Высота эллиптической части равна 600 мм

Внутренняя поверхность равна 6,63 м2

Внутренняя емкость равна 2,037 м3

Толщина стенки равна20 мм

Масса равна 1058 кг

4.5.2 Подбор тарелок

В барботажные 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 колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками.

Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатый характер проводимого в них процесса – газ и жидкость последовательно соприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата.

В зависимости от диаметра колонные аппараты изготовляют с тарелками различных типов. В колонну диаметром 2400 мм можно установить колпачковые тарелки типа ТСК-1.

Технические характеристики колпачковых тарелок типа ТСК-1 при диаметре, равном 2400 мм.

Свободное сечение колонны – 4,52 м2

Длина линии барботажа – 52,8 м

Периметр слива – 1,775 м

Свободное сечение тарелки – 0,557 м2  

Относительная площадь для дохода паров – 12,3%

Масса - 240,8 кг

4.6 Расчет штуцеров

Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными (резьбовыми, фланцевыми, сальниковыми) и неразъемными (сварными, паяными, клеевыми). Наиболее распространены разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными за одно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонкостенными и толстостенными. Типы штуцеров зависят от номинального (условного) давления и температуры среды.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

Поскольку производительность колонны велика, поэтому для подачи и отвода газового потока предусматриваем по 3 штуцера.

 ,

,

К проектированию согласно для подачи и отвода газовой смеси примем из углеродистой стали наружным диаметром и толщиной стенки

4.7 Расчет массы аппарата. Подбор опор

Химические аппараты устанавливают на фундамент чаще всего с помощью опор. Аппараты, работающие в горизонтальном положении, независимо от того, где их монтируют (внутри помещения или вне его), устанавливают на седловых опорах. Аппараты вертикального типа, размещаемы на открытых площадках, оснащают юбочными опорами - цилиндрическими или коническими. Чаще всего юбочные опоры применяют для аппаратов колонного типа. Аппараты, устанавливаемые в помещении, могут монтироваться либо на подвесных лапах, либо на стойках.

Если аппарат устанавливают на полу того или иного этажа, то при соотношении высоты колонны к ее диаметру меньшим 5 используют опорные стойки, которые могут быть вертикальными или наклонными, круглого или некруглого сечения. Опорные стойки круглого сечения применяют, как правило, для аппаратов малых объемов. Чтобы сохранить прочность обечаек и днищ аппаратов при воздействии на них опорных нагрузок, между опорой и элементами аппарата иногда помещают специальную прокладку.

Число опор, определяемое конструктивными соображениями, проверяют расчетным путем: стоек должно быть не менее трех.

Масса колонны рассчитывается по формуле 

Масса тарелок рассчитывается по формуле

Масса максимальной загрузки колонны рассчитывается по формуле

Масса максимальной нагрузки на опоры рассчитывается по формуле

Переведем нагрузку в Мега Ньютоны

Химические аппараты устанавливают на фундаменты чаще всего с помощью опор.

Аппараты вертикального типа с соотношением , размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными опорами – цилиндрической или конической формы.

Так как соотношение  , то мы вынуждены применить в качестве опоры юбочную цилиндрическую.

Юбочные опоры бывают цилиндрические или конические. Чаще всего цилиндрические юбочные опоры применяют для аппаратов колонного типа.

Конструкция юбочных опор позволяет устанавливать вертикальные колонны большой высоты и надежно фиксировать

Заключение

В данной работе была спроектирована абсорбционная установка с разработкой тарельчатой колонны для извлечения сероводорода из его смеси с воздухом. Целью проекта является подбор контактных устройств, обеспечивающих непрерывное взаимодействие стекающей вниз жидкости и поднимающегося вверх газа.

Для извлечения сероводорода из его смеси с воздухом в качестве поглотителя была использована вода, так как вода является наиболее выгодным с экономической и химической точки зрения поглотителем.

В ходе проектирования были выполнен технологический расчет, а именно:

– материальный баланс тарельчатой колонны;

– тепловой баланс колонны;

– конструктивный расчет аппарата.

В материальном балансе данной абсорбционной установки был определен расход поглотителя, общий и удельный.

В тепловом балансе в ходе расчетов была найдена температура жидкости на выходе из абсорбера, а также приращение температуры на выходе потока из аппарата, вследствие чего было установлено, что предусматривать отвод тепла нет необходимости.

В конструктивном расчете осуществлен подбор стандартных элементов: выбор днища и крышки, масса которых 842 кг, подбор тарелок (в данном случае колпачковые типа ТСК-Р), расчет штуцеров, диаметр которых   700 и 250мм, рассчитана масса колонны и выбрана опора для неё, определено число реальных тарелок, равное 27. А также определены основные габаритные размеры аппарата: диаметр колонны – 2800 мм, высота цилиндрической части равна 19800 мм.

Курсовой проект включает 2 чертежа: 1 – Технологическая схема установки; 2 – Общий вид аппарата.

Список использованной литературы

1 Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок / Л.З. Альперт. – М.: Высшая школа, 1989. – 304 с.

2 Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие для техникумов / Н.И. Гельперин. – М.: Химия, 1981. – 812 с.

3  Доманский И.В. Машины и аппараты химических производств / И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский, В.Н. Соколов: под ред. В.Н. Соколова. – Ленинград: Машиностроение, 1982 г. – 384 с.

4 Захарова А.А. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие для вузов / А.А. Захарова, Л. Т. Бахшиева, Б. П. Кондауров: под ред. А.А Захаровой. – М. : Издательский центр «Академия», 2006 г. – 528 с.

5 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для техникумов / И. Л. Иоффе. – Ленинград: Химия, 1991. – 351 с.

6 Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – М.: Машиностроение, 1963. – 572 с.  

7 Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Ленинград:  Химия, 1987. – 575 с.

8 Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие для техникумов / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. – М.: Госхимиздат, 1962. – 844 с.

9 Романков П.Г. Процессы и аппараты химической промышленности: учеб. пособие для техникумов / П.Г. Романков, М.И. Курочкина, Ю.Я. Мозжерин. – Ленинград: Химия, 1989. – 560 с.

10 Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств / В.Н. Соколов. – Ленинград: Машиностроение, 1982. – 453 с.