Расчет тарельчатого абсорбера (стр. 1 из 3)

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_Н

_н = 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.