Проектування установки для абсорбції оксиду вуглецю водою

 

                                               РЕФЕРАТ

 

Курсова робота: 37 с., 5 табл., 3 рис., 5 посилань, 3 додатки

 

Об'єктом  проектування є установка для  абсорбції оксиду вуглецю водою.

Метою розрахунку абсорбера є визначення витрати  поглинача, температури процесу, вибір  швидкості газу, типу тарілок, розмірів і потужності газового насосу.

У курсовій роботі наведено літературний огляд, в  якому описана конструкція і  принцип дії апаратів, що використовуються для абсорбції, основи процесу, а  також наведені обгрунтування та розрахунок апарату, застосовуваного для оксиду вуглецю - тарілчастого абсорбера з клапанними тарілками.

У результаті роботи була теоретично обгрунтована і розрахована установка абсорбції оксиду вуглецю.

 

АБСОРБЕР, ТАРІЛКА  КЛАПАННА, ОКСИД ВУГЛЕЦЮ, КОЛОНА, ГІДРАВЛІЧНИЙ ОПІР

 

 

ABSTRACT

 

Course work: 37 p., 5. tab., 3 fig., 5 references, 3 applications

 

The object of designing is a plant for removal of carbon oxide water.

The aim of the calculation is to determine the costs absorber temperature process gas velocity range, type plates, size and power of the gas pump.

In the term paper the literature review which described the design and principle of the apparatus used for absorption, basic process and given justification and calculation apparatus, used for removal of carbon oxide - plate absorber with valve plates.

As a result, the work was theoretically grounded and calculated plant absorption of carbon oxide.

 

ABSORBER, VALVE PLATES, CARBON OXIDE, COLUMNS, HYDRAULIC RESISTANCE

 

ЗМІСТ

 

Вступ 4

1 Фізико-хімічні основи процесу 5

2 Опис технологічної схеми 7

3 Обгрунтування конструкції апарату 8

4 Опис конструкції апарата 9

5 Розрахункова частина 11

5.1 Матеріальний баланс 11

5.2 Тепловий баланс 18

5.3 Середня рушійна сила процесу 19

5.4 Розрахунок коефіцієнта масопередачі 20

5.5 Розрахунок швидкості газу і діаметра абсорбера 22

5.6 Розрахунок висоти абсорбера 25

5.7 Розрахунок гідравлічного опору тарілок 27

5.8 Обрані параметри колони і тарілок абсорбера 31

Висновок 32

Перелік посилань 33

Додаток А  Технологічна схема абсорбції. Специфікація..........................34

Додаток Б Абсорбційна  колона....................................................................36

Додаток В  Клапанна тарілка.........................................................................37

 

 

 

ВСТУП

 

Абсорбція - це метод поглинання всім об΄ємом абсорбенту компонентів, у тому числі відділення з газів небажаних домішок, забруднювачів атмосфери і навколишнього середовища. За допомогою абсорбції можна домогтися ефективності очищення 95%, чого цілком достатньо для таких речовин як ацетон, аміак, кислі гази, оксиди азоту та інші речовини, вміст яких у відхідних газах нормується у вигляді гранично допустимого викиду забруднюючої речовини.

Абсорбція за допомогою тарілок замість насадки  є більш технологічною, більш  стабільною, до того ж гідравлічний опір колони значно менше, ніж у випадку  застосування насадки.

Абсорбція СО з газів – це завдання збереження навколишнього середовища від впливу людини, а також забеспечення безпеки людей, шо пов΄яані з виробництвом, де виділяється СО.

Природний рівень CO в атмосфері 0,01-0,9 мг/м³; 90% атмосферного CO утворюється в результаті природних процесів. Однак чадний газ дуже небезпечний у великих концентраціях, тому як не має запаху і викликає отруєння і навіть смерть. Ознаками отруєння служать головний біль, запаморочення та втрата свідомості. Токсичність монооксиду вуглецю заснована на тому, що він зв'язується з гемоглобіном крові міцніше, ніж кисень (при цьому утворюється карбоксигемоглобін), таким чином, блокуючи процеси транспортування кисню і клітинного дихання.

Гранично  допустима концентрація монооксиду вуглецю в повітрі промислових підприємств складає 20 мг/м³. 

1 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ  ОСНОВИ ПРОЦЕСУ

 

Абсорбцією  називають процес поглинання газу або  пари рідким поглиначем (абсорбентом). Поглинання газу може відбуватися або  за рахунок його розчинення в абсорбенти, або в результаті його хімічного  взаємодій-наслідком з абсорбентом. У першому випадку процес називають  фізичною абсорбцією, а в другому  випадку - хемосорбції. Можливо також  поєднання обох механізмів процесу.

У промисловості  абсорбція широко застосовується для  виділення з газових сумішей  цінних компонентів, для очищення технологічних  і горючих газів від шкідливих  домішок, для санітарної очистки  газів і т.д.

Тому процес абсорбції супроводжується виділенням тепла і підвищенням температури  системи. Крім того, обсяг системи  в процесі абсорбції зменшується  за рахунок зменшення обсягу газової  фази. Отже, згідно з принципом Ле-Шательє, розчинність газу в рідині збільшується при підвищенні тиску і зменшенні  температури процесу. Процес абсорбції  описується рівнянням Генрі:

 

x * = E ∙ Р,           (1.1)

 

де x* - вміст  компонента в рідкій фазі;

Р - парціальний  тиск компонента над рідиною;

Е - константа  Генрі, яка розраховується за формулою:

 

E = lnP / R ∙ T + c,         (1.2)

 

де R - універсальна газова постійна, 8,31441 Дж / (моль ∙ К);

Т - абсолютна  температура системи;

с - постійна рівняння.

Значення  коефіцієнта Генрі для даного газу залежать від природи поглинача  і газу і від температури, але  не залежать від загального тиску  в системі.

Основне рівняння масопередачі, яке описує кінетику процесу абсорбції має вигляд:

 

G = K ∙ F ∙  Δcp ,         (1.3)

 

де G – масова витрата компонента, який поглинається, кг/с;

F – площа  контакту фаз, через яку здійснюється  масопередача, м2;

K – коефіцієнт  масопередачі;

Δcp – середня рушійна сила процесу (різниця масових концентрацій, парціальних тисків, тощо)

Монооксид вуглецю - безбарвний газ без смаку і запаху. Горючий. Токсичний. Основними типами хімічних реакцій, в яких бере участь монооксид вуглецю, є реакції приєднання і окислювально-відновні реакції, в яких він проявляє відновні властивості.

ГДК становить 20 мг/м³; відноситься до другого класу  небезпеки.

Гранично  допустимий викид оксиду вуглецю  становить 5000 г/год при концентрації у відхідних газах 250 мг/м³.

Оксид вуглецю  погано поглинається водою, його розчинність  складає 0,026 г/1 кг води.

 

2 ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ

 

Газ, охолоджений  в теплообміннику 9, подається газодувкою 8 в нижню частину абсорбера 6, де рівномірно розподіляється по перерізу колони і надходить на контактні  елементи (тарілку). Абсорбент подається  у верхню частину колони відцентровим насосом 4 зі збірника 3. У колоні здійснюється взаємодія газу і рідини. Режим: протитечія газу і рідини. Очищений газ виходить з колони в атмосферу. Абсорбент  стікає через гідрозатвор у збірник 7, звідки насосом 5 відправляється на подальшу переробку. Для охолодження газу в холодильник з градирні 2 подається насосом 1 вода, яка після холодильника повертається на охолоджування в градирню.

Схема автоматизована. Мета системи автоматичного регулювання  визначається призначенням процесу: очищення газу, що надходить в абсорбер або  одержання готового продукту. У даній  роботі розглядається перша задача, відповідно до якої основними регульованими  параметрами є:

1) концентрація  компонента в газовій суміші  на виході з абсорбера;

2) температура  газової суміші, що надходить  на абсорбцію;

3) рівень  рідини в абсорбері.

У більшості  випадків витрата газової суміші визначається технологічним режимом, тобто абсорбційна установка  повинна переробити весь потік газу, що поступає на абсорбцію. Тому, наприклад, при збільшенні кількості подаваної  в абсорбер газової суміші зростає  концентрація компонента, що витягується, в газовій суміші на виході з абсорбера. За допомогою регулятора концентрації збільшується подача абсорбенту в абсорбер, що забезпечує стабілізацію концентрації компонента в газовій суміші на виході з абсорбера.

     Для поліпшення процесу абсорбції  підтримується низька температура  газової суміші, що надходить  у абсорбер, шляхом зміни витрати  охолоджуючої води, яка подається  в холодильник газу 9.

Рівень рідини в колоні стабілізується шляхом зміни  відбору рідини з неї. 

 3 ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ АПАРАТУ

 

Як видно  з таблиці 3.1, клапанна тарілка має наступні переваги:

1. добре працює при великих навантаженнях по витраті води;
2. велика область стійкої роботи, малий рівень реагування на зміну навантажень;
3. невелика відстань між тарілками;
4. високий рівень ефективності та інтенсивності масопередачі;
5. невеликі капітальні затрати та витрата металу;
6. легкість монтування;
7. легкість запуску та зупинки.

Таблиця 3.1 – Порівняльна  характеристика тарілок [1]

 

Використання клапанних  тарілок у випадку абсорбції  оксиду вуглецю доцільне через велику витрату води в абсорбер. Також  велике значення мають мала відстань між тарілками і низький рівень капітальних затрат на тарілку, легкість в експлуатації.

4 ОПИС КОНСТРУКЦІЇ АПАРАТА

 

Барботажні (тарілчасті) абсорбери являють собою вертикальні колони, всередині яких розміщені горизонтальні перегородки - тарілки. За допомогою тарілок здійснюється спрямований рух фаз і багаторазова взаємодія рідини і газу. У барботажних абсорберах газ виходить з великого числа отворів і барботує через шар рідини або у вигляді окремих бульбашок (при малих швидкостях газу), або у вигляді струменів (при підвищених швидкостях газу).

Тарілчасті  колони зручні для великотоннажних  виробництв при відносно малих витратах рідини, недостатніх для рівномірного змочування насадки, а також для  процесів, що супроводжуються коливаннями  температури, так як періодичне розширення і стиснення корпусу може зруйнувати крихку насадку. На тарілках простіше встановити змійовики для підведення і відведення теплоти. Тарілчасті колони також застосовуються при обробці  потоків з твердими домішками  або при виділенні твердого осаду.

За способом зливу рідини з тарілок барботажні абсорбери можна розділити на колони з тарілками зі зливними пристроями і без них.

До тарілках із зливними пристроями відносяться: сітчаті, колпачкові, клапанні, баластні і пластинчасті.

В залежності від швидкості газу і щільності  зрошення розрізняють три основних гідродинамічних режиму роботи барботажних тарілок: бульбашковий, пінний, струменевий, або інжекційні. Четвертий режим - режим виносу рідини. Оптимальною швидкістю, при якій спостерігається максимальна поверхню масопередачі, є швидкість трохи більше 1 м / с.

Клапанна  тарілка представляє собою тарілку, у якій над циліндричними отворами диска (клапанна тарілка виконується  у вигляді диска з циліндричними  отворами) встановлені ковпачки, з  відбортованими гребінчастими краями, що виконують роль клапанів, зуби яких мають трапецієподібну форму. Для обмеження руху ковпачків по вертикалі і виключення їх переміщення в горизонтальній плоскості ковпачки можуть бути вільно надіті відбортованою частиною на вертикальні шпильки, укріплені на диску, або пов'язані між собою спільною для кожного ряду скобою. Робота клапанної тарілочки здійснюється, таким чином: при певному тиску пар піднімає ковпачки й проникає в рідину, що знаходиться під диском тарілки. При проходженні через зуби ковпачків пар піддається дробленню, а рідина барботує тим сильніше, чим краще відбулося дроблення пара. При зменшенні подачі пари ковпачки поступово опускаються, а при припиненні подачі пари повністю опускаються на диск, закриваючи отвори і не даючи рідині стікати в парову частину колони.

Схематичне  зображення клапанної тарілки наведено в додатку В.

 

5 РОЗРАХУНКОВА  ЧАСТИНА

 

Методику розрахунку параметрів абсорбера викладено в [1, с.204], [4].

5.1 Матеріальний баланс

 

Перерахуємо концентрацію у газовій фазі з  процентної в мольну:

 

 ,       (5.1)

 

де Yн – початкова мольна концентрація компонента у газовій фазі, кмоль/кмоль повітря. ;

y – об΄ємна доля компонента.

А також у  масову:

 

 ,      (5.2)

 

де М(СО) – молярна маса оксиду вуглецю, кг/кмоль;

М(возд.) – середня молярна маса повітря, кг/кмоль.

Перерахуємо початкову масову долю компонента у  рідкій фазі в масову концентрацію:

 

,        (5.3)

 

де  – початкова масова концентрація компонента у рідкій фазі, кмоль/кмоль води;

x̅ - масова  доля компонента у поглиначі.

А також у  мольну концентрацію:

 ,      (5.2)

 

де М(СО) – молярна маса оксиду вуглецю, кг/кмоль;

М(H₂O) – молярна маса води-поглинача, кг/кмоль.