Адсорбция

Содержание

С.

Аннотация              

Введение              

1 Характеристика оборудования

1.1 Технологическая схема установки

2 Материальный баланс              

3 Технологические расчёты аппарата             

   3.1 Гидродинамический расчёт тарелки             

   3.2 Определение геометрических параметров             

4 Расчет и подбор вспомогательного оборудования

   4.1 Расчёт теплообменника

   4.2 Подбор насоса             

Заключение              

Библиографический список              

Введение

Адсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей твёрдым поглотителем – адсорбентов. Если поглощаемый газ - адсорбтив - химически не взаимодействует с адсорбентом, то такую адсорбцию называют физической (не поглощаемую составную часть газовой смеси называют
инертом, или инертным газом). Если же адсорбтив образует с адсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией, В технике часто встречается сочетание обоих видов адсорбции.

Физическая адсорбция (или просто адсорбция) обычно обратима. На этом свойстве адсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из твёрдого вещества - десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над адсорбентом. Отработанные после хемосорбции адсорбенты обычно регенерируют химическими методами или нагреванием.

В промышленности адсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1) для получения готового продукта (например, абсорбция S03
в производстве серной кислоты, абсорбция НС1 с получением хлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты и т. д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа и т.д.); при этом адсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

           3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от S03, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т. д.). Очистку газов вредных примесей адсорбцией используют также применительно к технологическим газам, когда присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа (наример, очистка коксового и нефтяного газов от Н2S, очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО2 и СО и т. д.). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

4) для осушки газов, когда в адсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая – и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую или наоборот.

Аппараты, в которых проводят процессы адсорбции, называют адсорберами.

1 Характеристика оборудования

Как и другие процессы массопередачи, адсорбция протекает на границе раздела фаз. Поэтому адсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между твёрдым поглотителем и газом. По способу образования этой поверхности адсорберы можно условно разделить на следующие группы: поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные (тарельчатые), распыливающие.

1.1 Поверхностные и пленочные адсорберы

В адсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

Поверхностные адсорберы. Эти адсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или  медленно движущейся жидкости. Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемешивалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при адсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуд с проточной водой.

Пленочные адсорберы. Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные адсорберы. В пленочных адсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости.

1.2 Насадочные адсорберы

Широкое распространение в промышленности в качестве адсорберов получили колонны, заполненные насадкой –– твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка  укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя  равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом –– большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости.

В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах –– только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

            1.1 Технологическая схема установки

Данная технологическая для выделения паров бутанола приведена на

рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема абсорбционной установки

Газ на адсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент, тарелку. Адсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению
абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после адсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Адсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из адсорбента производится в кубе 8. обогреваемом, как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны
абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике,5.

Регенерация может осуществляться также другими методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышением температуры. Выбор метода регенерации существенно сказывается на технико-экономических показателях абсорбционной установки в целом.

3 Материальный баланс

Количество паров бутанола переходящего из газовой смеси в поглотитель – уголь, определяют из уравнения материального баланса.

Определим начальные относительные массовые составы газовой и твёрдой фаз по формуле

              ,               (3.1)

где - начальная массовая концентрация, %.

Подставляя числовые значения, получим

              ,               (3.2)

где у – начальная объемная концентрация бутанола в газовой фазе.

Подставляя числовые значения, получим

Вычислим концентрацию бутанола в газовой смеси на выходе из адсорбера

,

где ε – степень извлечения, %.

Подставляя числовые значения, получим

.

Для определения равновесной концентрации и построения линии равновесия выполняем расчет в такой последовательности. Задаваясь рядом значений Х – конечных концентраций бутанола в жидкости, вытекающей из адсорбера, рассчитываем температуру жидкости t2

              .               (3.3)

и соответствующие величины ψ

              .               (3.4)

Далее пересчитываем относительные массовые концентрации Х и мольные доли х  и определяем р*

              .               (3.5)

Относительную массовую концентрацию вычислим по формуле

              ,               (3.6)

где Мк – молярная масса бутанола, кг/кмоль,

       Мвоз – молярная масса воздуха, кг/кмоль,

       ро – атмосферное давление.

Результаты расчета приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Результаты определения равновесной концентрации бутанола

По полученным данным строим кривую равновесия и рабочую линию процесса абсорбции (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Кривая равновесия и рабочей линии процесса

Определим движущую силу процесса

,

где

,

.

Подставляя числовые значения, получим

.

Вычислим конечную концентрацию бутанола в жидкости

              ,               (3.7)

где - равновесная концентрация бутанола в активированном угле в адсорбере, кг/кг.

Подставляя числовые значения, получим

Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку из колонны синтеза, перед подачей в колонну охлаждается в холодильнике до t=20 оС.

Определим объем газовой смеси, поступающей в абсорбер

              ,               (3.8)

где tг – температура газовой смеси, оС.

Подставляя числовые значения, получим

Вычислим количество бутанола поступающего в колонну

              ,               (3.9)

- плотность оксида углерода при 20 оС, кг/м3.

Подставляя числовые значения, получим

.

Определим количество воздуха поступающего в колонну

              ,               (3.10)

где - плотность воздуха при 20 оС, кг/м3.

подставляя числовые значения, получим

.

Определим плотность газа поступающего на адсорбцию

              ,               (3.11)

Вычислим количество поглощенного бутанола

              ,               (3.12)

Определим расход воды в адсорбере

              ,               (3.13)

Физические параметры вещества

В абсорбционной установке участвует бутанол.

            3 Технологические расчеты аппарата

            3.1 Гидродинамический расчет

Исходные данные приведены  в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Исходные данные

Определим диапазон устойчивой работы тарелки

                                                                                                     (3.14)

Определим коэффициент, зависящий от поверхностного натяжения

                                                                                            (3.15)

Определим вспомогательные комплексы

                                                                                              (3.16)

                                                    .                                             (3.17)

Подставляя числовые значения, получим

Определим объемную нагрузку по пару

                                                                                                        (3.18)   

м3/с.

Определим объемную нагрузку по жидкости

                                                                                                        (3.19)

м3/с.

Определим допустимую скорость пара в колонне

                                         м/с.                                   (3.20)

Определим расчетный диаметр тарелки

                                                                                           (3.21)

м.

Принимаем D=2,4 м для того, чтобы выполнялось условие удельной нагрузки, на единицу длинны периметра слива.

Определим свободное сечение колонны

                                                                                                (3.22)

м2.

Определим скорость пара в колонне

                                                                                                                    (3.23)

м/с.

Определим фактор паровой нагрузки

                                                                                                 (3.24)

кг0,5/(м0,5·с).

Определим относительное рабочее сечение тарелки

                                                                                           (3.25)

где, S2 – относительное сечение перелива S2 = 10,6 м.

Подставив данные, получим

м.

Определим удельную нагрузку на единицу длины периметра слива

                                                                                                     (3.26)

где, L2 – величина периметра слива L2 = 1,775 м,

м2/с.

Определим подпор жидкости над сливным порогом

                                                                                           (3.27)

м.

Определим высоту газожидкостного слоя на тарелке

                                                                                 (3.30)

где, h3 – высота прорези капсульного колпачка,  h3 = 0,015 м;

        h4 – зазор капсульного колпачка h4 = 0,014.

Подставляя числовые значения. получим

м.

Определим высоту сливного порога

                                                                                                 (3.31)

м.

Определим градиент уровня жидкости

                                                          (3.32)

где, n – количество рядов колпачков n = 12.

Подставляя числовые значения, получим

м.

Определим динамическую глубину барботажа

                                                              (3.33)

м.

Определим коэффициент, зависящий от глубины барботажа

                     (3.34)

.

Определим максимально допустимую скорость пара в свободном сечении тарелки

                                                                        (3.35)

Выбираем стандартное относительное сечение тарелки f3 = 12,5 м, количество колпачков n = 168 шт.

Определим коэффициент запаса сечения

                                                                                         (3.36)

где, f3 – относительное свободное сечение тарелки f3 = 12,5 м.

Подставляя числовые значения, получим

Определим расчетное количество капсульных колпачков

                                                                                                (3.37)

где, КL – стандартное количество колпачков KL = 43.

Подставляя числовые значения, получим

.

Определим рабочее сечение тарелки

                                                                                                    (3.38)

м.

Определим скорость пара в прорезях капсульного колпачка

                                                                                                (3.39)

м/с.

Определим коэффициент формы прорези

                                                                               (3.40)

.

Определим максимальную скорость пара в прорезях капсульного колпачка

                                                                           (3.41)

м/с.

Определим коэффициент паровой нагрузки капсульного колпачка

                                                                                                   (3.42)

Определим фактор аэрации

                                                                                  (3.43)

Определим гидравлическое сопротивление тарелки

                                                             (3.44)

где, ζкч – коэффициент гидравлического сопротивления ζкч = 2.

Па.

Выполним проверку условия ΔР<ΔРд, ΔРд = 750 Па.

625 < 750 Па, верно.

Определим высоту сепарационного пространства

                                                                          (3.45)

где, Н – расстояние между тарелками Н = 0,6 м;

        К5 – коэффициент вспениваемости  К5 = 1.

Подставляя числовые значения, получим

м.

Определим межтарельчатый унос жидкости

                                                                                   (3.46)

Определим скорость жидкости в переливе

                                                                                                (3.47)

м/с.

Определим допустимую скорость жидкости в переливе

                                                                       (3.48)

Условие Uд > U, выполняется.

3.2 Определение геометрических параметров

Определим коэффициент массопередачи

              ,               (3.49)

где m – коэффициент распределения;

        βх, βу – коэффициенты массоотдачи для жидкой и газовой фазы, кг/(м2·с)

              ,               (3.50)

              ,               (3.51)

где Dх,  Dу – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента соответственно в жидкости и газе, м2/с;

       (U/(1-ε)), (ω/ε)– средние скорости жидкости и газа в барботажном слое, м/с;

       hо – высота слоя светлой жидкости, м

              .               (3.52)

Подставляя числовые значения, получим

Произведем перерасчет данных величин. Определим коэффициент массопередачи

              ,               (3.53)

где  m – коэффициент распределения;

        βх, βу – коэффициенты массоотдачи для жидкой и газовой фазы, кг/(м2·с)

              ,               (3.54)

              ,               (3.54)

где Dх,  Dу – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента соответственно в жидкости и  газе, м2/с;

       (U/(1-ε)), (ω/ε)– средние скорости жидкости и газа в барботажном слое, м/с;

       hо – высота слоя светлой жидкости, м

              .               (3.55)

Подставляя числовые значения, получим

Произведем перерасчет данных величин

,

Подставляя числовые значения в формулу (6.1), получим

Определим поверхность массопередачи

              ,               (3.56)

Вычислим необходимое количество тарелок

              ,               (3.57)

Определим высоту абсорбера

              ,               (3.58)

где Нк – расстояние между верхней тарелкой и крышкой,  Нк=2,5 м;

       Нд – расстояние между нижней тарелкой и днищем, Нд=4,0 м;

       Нт – высота тарельчатой части

Подставляя числовые значения, получим

Диаметр штуцеров определим из уравнения расхода

              .              (3.59)

Расходы потоков берем из материальных и тепловых расчетов.

Подставляя числовые значения, получим

,

,

,

.

Согласно расчетам принимаем стандартные штуцера следующих размеров

Вход газа dг = 600 мм.

Вход питания dв.п = 200 мм.

Выход газа dвых г = 400 мм.

Выход флегмы dф = 200 мм.

4 Подбор вспомогательного оборудования

4.1 Расчет теплообменника

Определим тепловую нагрузку

              .               (4.1)

Подставляя числовые значения, получим

Вычислим расход холодного теплоносителя

              .               (4.2)

Подставляя числовые значения, получим

Определим среднелогарифмическую нагрузку

              .               (4.3)

Подставляя числовые значения, получим

.

По табличным данным определим физические параметры веществ

Для воды при t = 20 оС

ρ2 = 998 кг/м3, с2 = 4,19·103 Дж/(кг·К), λ2 = 0,599 Вт/(м·К), μ2 = 10-3 Па·с,    Pr = 7,02.

Для оксида серы, при t = 200 oC

ρ1 = 1,11 кг/м3, с1 = 0,25·103 Дж/(кг·К), λ1 = 0,039 Вт/(м·К), μ1 = 301·106 Па·с.

Для стенки при t = 20 oC

Prст = 7,02.

По табличным значениям ориентировочно принимаем Кор = 30 Вт/(м2·К)

Вычислим поверхность теплообмена

              .               (4.4)

              .               (4.5)

Подставляя числовые значения, получим

,

.

По табличным данным выбираем стандартный кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами: Fст =532 м2, D=1200 мм, dт =25×2 мм, z = 2, l = 6 м, fтр = 0,042 м2.

Определим количество труб

              ,               (4.6)

Рассчитаем коэффициент теплопередачи

Для газовоздушной смеси в межтрубном пространстве

              ,               (4.7)

Вычислим скорость движения среды в трубопроводе

              ,               (4.8)

.

Определим критерий Рейнольдса

              ,               (4.9)

.

Определим число Нуссельта

              ,               (4.10)

              ,               (4.11)

.

.

Подставляя числовые значения в формулу, получим

При движении воды в трубном пространстве

              .                

Вычислим скорость движения среды в трубопроводе

              ,              

Определим критерий Рейнольдса

              ,              

.

Т.к. Re>104, то число Нуссельта определим по формуле

              ,                (4.12)

где Pr – критерий Прандтля, для SO2 и стенки трубопровода.

Подставляя числовые значения в формулу, получим

Подставляя числовые значения в формулу, получим

.

Определим уточненный коэффициент теплоотдачи

              ,               (4.13)

где δст – толщина стенки, мм;

       λст – коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м2·К);

       r31, r32 – термическое сопротивление загрязнения.

Подставляя числовые значения, получим

.

              ,               (4.14)

.

Определим коэффициент запаса

              .               (4.15)

.

Т.о. рассчитанный теплообменник применим для работы при данных условиях и параметрах.

4.2 Подбор насоса

Подбираем центробежный насос, применяемый для откачки водной среды в канализацию из абсорберов А-1, А-2 по каталогу [6].

Исходные данные приведены в таблице3.1 [1], [3], [4].

Таблица 3.1 - Исходные данные

Определим мощность насоса по формуле

                                        (4.16)

где η – коэффициент полезного действия насоса, η = 0,4 ÷ 0,7.

Подставив значения, получим

.

По полученным значениям мощностей выбираем стандартные насосы по каталогу (таблица 3.2) [6].

Таблица 3.2 – Характеристика насоса

Заключение

В курсовом проекте выполнен расчет адсорбционной установки.

Проведен материальный и тепловой расчет.

Выполнен гидродинамический расчет тарелки. Определен диаметр тарелки,      

D = 2,4 м. Высота тарельчатого адсорбера составила, Н = 66,5 м.

Выполнен расчет вспомогательного оборудования и подобран кожухотрубча- 

тый теплообменник с площадью теплообмена F = 523 м2.

Выполнены необходимые чертежи.

Библиографический список

1 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии.- Л: Химия 1991. – 352 с.

2 Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ.- М: Химия, 1988. - 416 с.

3   Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1995. - 400 с.

4   Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии пособие по проектированию.- М.: Химия, 1991. - 496 с.

5   Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- М.: высшая школа, 1987. –  576 с.

6   Рабинович Г.Г. Расчет основных процессов и аппаратов нефтепереработки.- М.: Химия, 1979. - 568 с.