Абсорбция аммиака

Спецификация1.cdw

Ведомость1.cdw

Пояснительна записка
Технологическая схема
Абсорбционная колонна

Абсорбер.cdw

Аппарат предназначен для очистки воздуха от NH
Емкость номинальная 569 м
Производительность - 2 кг
Температура среды - 20
испытании и поставке аппара-
та должны выполняться следующие требования:
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование произ
водственное. Общие требования безопас-
б) ГОСТ 26.291-79 "Сосуды и аппараты сталь-
ные сварные. Технические требования".
Аппарат испытать на прочность и плотность гид-
равлически в горизонтальном положении давлением
в вертикальном положении наливом.
Аппарат подлежит контролю "ПРОМАТОМНАДЗОРА".
Сварные соединения должны соответствовать тре-
бованиям ГОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическом
Сварные швы в объме 100 % контролировать
рентгенопросвечиванием.
Действительное расположение штуцеров
штырей см. на схеме.
Колонна абсорбционная
Схема расположения штуцеров
Техническая характеристика
Давление в колонне - атмосферное.
Среда в аппарате - агрессивная.
Тип колонны-насадочная.
Высота насадки - 3 м.
Технические требования

тех схема.cdw

Условное обозначение
Наименование среды в
Вода оборотная (подача)
Смесь поглотителя с NH
Вода оборотная (возврат)
Колонна ректификационная
Технологическая схема

КУРСОВОЙ.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра биотехнологии
РАСЧЕТ АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Пояснительная записка
Курсовой проект по дисциплине
«Процессы и аппараты ресурсосберегающих производств»
Шустов А.В. Расчет абсорбционной установки: ТПЖА.066231.051 ПЗ: Курсовая работа ВятГУ каф. БТ; рук. К.О. Камалов. - Киров 2012. Гр. ч. 2 л. ф. А1; ПЗ 46 с. 6 рис. 3 табл. 9 источников 1 прил. специф. 1 л.
АБСОРБЕР НАСАДКА АММИАК ПОГЛОТИТЕЛЬ АБСОРБЕНТ АБСОРБАТ КОЛОННА ТЕПЛООБМЕННИК НАСОС КОМПРЕССОР.
Объект исследования и разработки – установка для очистки воздуха от аммиака.
Цель работы – выбор аппаратов для осуществления процесса очистки воздуха от аммиака и их расчет.
В курсовой работе приведены обоснование и расчет аппарата применяемого для абсорбции аммиака – насадочного абсорбера с насадкой: керамические кольца Рашига осуществлен подбор вспомогательного оборудования: теплообменников насосов и вентилятора.
В результате проектирования была теоретически обоснована и рассчитана линия абсорбции аммиака.
Принципиальная схема установки2
Расчет насадочного абсорбера2
1поглощаемого вещества и расход поглотителя2
2 Движущая сила массопередачи2
3 Коэффициент массопередачи2
4 Скорость газа и диаметр абсорбера2
5 Плотность орошения и активная поверхность насадки2
6 Расчет коэффициентов массоотдачи2
7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера2
8 Гидравлическое сопротивление абсорберов2
Расчет вспомогательного оборудования2
1 Расчет теплообменников2
1.1 Расчет холодильника для газовой смеси2
1.2 Расчет холодильника2
1.3 Расчет теплообменника-рекуператора2
2 Расчет центробежного насоса2
Приложение А (справочное). Библиографический список2
В последнее время с ускорением научно-технического прогресса непрерывно растёт значение химической промышленности в жизни человечества. Особую роль здесь играют физико-химические процессы – массообмен и теплообмен. Получение тех или иных продуктов химической промышленности связано с проведением процессов абсорбции ректификации. Перед данными процессами стоят широкие перспективы особенно перед абсорбцией. Абсорбция – один из эффективных методов очистки газов. Особенно это актуально в наше время когда экологическая обстановка на планете становится всё хуже. Внедрение абсорбции во все отрасли народного хозяйства в качестве метода очистки газов вызывает немедленное улучшение экологической обстановки. Получение таких веществ как ацетон аммиак и других органических соединений идёт с применением процесса абсорбции. Перед последним открываются большие возможности улучшения интенсификации процесса.
Абсорбционные процессы являются основной технологичекой стадией ряда важнейших производств: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты абсорбция HCl с получением соляной кислоты абсорбция NH3 паров C6H6 H2S и других компонентов из коксового газа и т.д.
Принципиальная схема установки
На рисунке (1.1) представлена принципиальная схема абсорбции.
Рисунок 1.1 – принципиальная схема процесса
Газ на абсорбцию перед тем как пройти через газодувку 2 попадает в холодильник 1. После газодувки газ направляется в нижнюю часть колонны 3 где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент – насадку. Абсорбент из промежуточной емкости 10 насосом 11 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 5. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие газа и жидкости. Газ после абсорбции пройдя брызгоотбойник 4 выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 14 откуда насосом 13 направляется на регенерацию в десорбер 8 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 12. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 9 обогреваемом насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент пройдя теплообменник-рекуператор 12 дополнительно охлаждается в холодильнике 6.
Расчет насадочного абсорбера
Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи необходимой для проведения данного процесса и скоростями фаз.
Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи [1]:
где — коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам кг(м2*с).
1поглощаемого вещества и расход поглотителя
Массу NH3 переходящего в процессе абсорбции из загрязненного воздуха в поглотитель за единицу времени находят из уравнения материального баланса:
где – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа кгс;
– начальная и конечная концентрация аммиака воде кг NH3кг
– начальная и конечная концентрация аммиака в газе кг NH3кг воздуха.
Выразим составы фаз нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчета размерности:
где – молярная масса аммиака;
– молярная масса воздуха.
Конечная концентрация аммиака в поглотительной воде обуславливает его расход а также часть энергетических затрат связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают исходя из оптимального расхода поглотителя. Заданный коэффициент избытка поглотителя имеет значение . В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса используя данные по равновесию (см. рис. 2.1 и 2.2):
Уравнение равновесной линии имеет вид [2]:
где – коэффициент распределения кг H2Oкг воздуха;
– молярная масса воды;
– коэффициент Генри Па;
– общее давление смеси газов Па.
Известно что равновесная линия проходит через начало координат. Найдем значение при и построим равновесную линию по двум точкам:
– равновесная линия: 2 – рабочая линия
Рисунок 2.1 – Зависимость между содержанием аммиака в воздухе Y кг NH3кг воздуха и поглощающей воде X кг NH3кг H2O
Рисунок 2.2 – Схема распределения концентраций в газовом и жидкостном потоках в абсорбере
где – концентрация аммиака в жидкости равновесная с газом начального состава.
Расход инертной части газа:
где – средняя плотность аммиака при нормальных условиях;
– объемная доля аммиака в газе равная:
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:
Расход поглотителя (воды) равен:
Тогда соотношение расходов фаз или удельный расход поглотителя составит:
2 Движущая сила массопередачи
Движушая сила в соответствии с уравнением (2.1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз. принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз определим движущую силу в единицах концентраций газовой фазы:
где и – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него кг NH3кг воздуха (рис. 2.1 и 2.2).
где и – концентрации аммиака в воздухе равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него (см. рис. 2.1):
3 Коэффициент массопередачи
Коэффициент массопередачи находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:
где и – коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах кг(м2*с).
Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:
во-первых конкретными условиями проведения процесса – нагрузками по пару и жидкости различиями в физических свойствах систем наличием в потоках жидкости и газа механических примесей поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;
во-вторых особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне широкий интервал изменения устойчивости работы малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.;
в-третьих особыми требованиями к аппаратурному оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды создание условий повышенной надежности и т.д.
В промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера возможность устойчивой работы при сильно изменяющихся нагрузках по газу возможность быстро и дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т. д. Таким требованиям отвечают широко используемые деревянная хордовая и металлическая спиральные насадки.
В рассматриваемом примере выберем насадку – керамические кольца Рашига размером 50×50×5 мм. Удельная поверхность насадки a = 90 м2м3 свободный объем = 0785 м3м3 эквивалентный диаметр dэ = 0035 м насыпная плотность = 530 кгм3.
4 Скорость газа и диаметр абсорбера
Предельную скорость газа выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов можно рассчитать по уравнению:
где – предельная фиктивная скорость газа мс;
и – плотность поглощающей воды и смеси воздуха с аммиаком кгм3;
– вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 20°С Па*с;
А В – коэффициенты зависящие от типа насадки;
L и G – расходы фаз кгс.
Для колец Рашига внавал значения коэффициентов А = –0073 и В = 175.
Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:
По правилу аддитивности рассчитаем :
где и – плотность чистых аммиака и воды при 20°С кгм3;
– вязкость жидкого аммиака Па*с.
Предельную скорость находим из уравнения (2.18) принимая при этом что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:
Решая это уравнение получим мс.
Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Обычно рабочую скорость принимают равной 075–09 от предельной т.о. мс.
Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:
где — объемный расход газа при условиях в абсорбере м3с.
Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера м. При этом действительная рабочая скорость газа в колонне:
5 Плотность орошения и активная поверхность насадки
Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле:
где — площадь поперечного сечения абсорбера м2.
При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости поверхность насадки может быть смочена не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости (особенно в абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по сечению колонны.
Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения Umin находят по соотношению [4]:
где – эффективная линейная плотность орошения м2с.
Для колец Рашига размером 75 мм и хордовых насадок с шагом более 50 мм м2с; для всех остальных насадок м2с.
Коэффициент смачиваемости насадки для колец Рашига при заполнении колонны внавал можно определить из следующего эмпирического уравнения [5]:
где – поверхностное натяжение мНм;
– диаметр насадки см;
По правилу аддитивности рассчитывается и имеет вид:
где и – поверхностное натяжение аммиака и воды соответственно мНм.
При абсорбции водой и водными растворами хорошо растворимых газов смоченная поверхность насадки уменьшается [3]. Поэтому полная смачиваемость достигается при более высоких значениях Г. Для таких систем значение может быть рассчитано по уравнению:
где А – коэффициент который зависит от краевого угла смачивания и изменяется в пределах 012–017;
– разница между поверхностным натяжением жидкости подаваемой на орошение колонны и жидкости вытекающей из нее;
– критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;
Вязкость газов находится по правилу аддитивности:
Поверхностное натяжение жидкости вытекающей из колонны рассчитывается по формуле (2.27) используя концентрацию поглотительной воды на выходе:
Зависимость вязкости от температуры для аммиака и воздуха можно выразить формулой [6]:
где и – вязкости газа при заданной температуре и 0°С;
– константа зависящая от свойств газа для аммиака и воздуха соответственно равны 626 и 122.
Разница между поверхностным натяжением жидкости подаваемой на орошение колонны и жидкости вытекающей из нее имеет вид:
Доля активной поверхности насадки может быть найдена по формуле [4]:
где и – коэффициенты зависящие от типа насадки [4]. Подставив численные значения получим:
Как видим не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения который обеспечивает требуемое число точек орошения n на 1 м2 поперечного сечения колонны [4]. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства [4].
6 Расчет коэффициентов массоотдачи
Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи в газовой фазе можно найти из уравнения:
где – диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы.
где – средний коэффициент диффузии аммиака в газовой фазе м2с;
– диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы Па*с.
Коэффициент диффузии аммиака в газе можно рассчитать по уравнению [1 2 4 6]:
где и – мольные объемы аммиака и загрязненного воздуха в жидком состоянии при нормальной температуре кипения см3моль [7];
Выразим в выбранной для расчета размерности:
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе находят из обобщенного уравнения пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых) так и для неупорядоченных насадок [4 6]:
где – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.
Отсюда (в мс) равен:
где – средний коэффициент диффузии аммиака в поглотительной воде м2с;
– приведенная толщина стекающей пленки жидкости м;
– модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;
– диффузионный критерий Прандтля для жидкости.
В разбавленных растворах коэффициент диффузии может быть достаточно точно вычислен по уравнению [2 4]:
где – мольная масса поглотительной воды кгкмоль;
— температура воды К;
– вязкость поглотительной воды мПа*с;
– мольный объем аммиака см3моль;
– параметр учитывающий ассоциацию молекул для воды [4].
Молярная масса поглотительной воды рассчитывается по правилу аддитивности и равна:
По уравнению (2.17) рассчитаем коэффициент массопередачи в газовой фазе:
7 Поверхность массопередачи и высота абсорбера
Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (2.1) равна:
Высоту насадки необходимую для создания этой поверхности массопередачи рассчитаем по формуле
Подставив численные значения получим:
Обычно высота скрубберов не превышает 40–50 м в нашем случае это условие выполняется.
С учетом того что высота слоя насадки в одной секции м общее число секций в колонне составляет 4.
Общую высоту абсорбционной установки определяют по формуле:
где – высота насадки в одной секции;
– высота промежутков между секциями насадки в которых устанавливают распределители жидкости м;
и – соответственно расстояние от верха насадки до крышки и расстояние между днищем и низом насадки.
Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Согласно [1] примем эти расстояния равными соответственно 25 и 14 м. Тогда общая высота абсорбера:
8 Гидравлическое сопротивление абсорберов
Гидравлическое сопротивление обусловливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле [4]:
где – гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки Па;
U – плотность орошения м3(м2*с);
b – коэффициент значения которого для колец Рашига внавал равен [3].
Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению:
где – скорость газа в свободном сечении насадки мс;
– коэффициент сопротивления.
Коэффициент сопротивления для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок рассчитывается по формуле для турбулентного режима движения ():
Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении обратное перемешивание неизотермичность процесса и др.). которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по-разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно пользуясь рекомендациями приведенными в литературе [2 4].
Расчет вспомогательного оборудования
После расчета абсорбционной колонны приступают к расчетам вспомогательного оборудования: теплообменников вентилятора насосов.
1 Расчет теплообменников
1.1 Расчет холодильника для газовой смеси
Так как газовую смесь необходимо охладить от 137 ºС до 20 ºС то мы охладим её охлаждающей водой. В трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом т.е. газовую смесь. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.
Примем что вода в теплообменнике нагревается от 8 ºС до 29 ºС.
Рисунок 3.1 – температурная схема процесса
Из рисунка видно что:
то среднелогарифмическая разница температур ºС определяется по формуле:
Средние температуры воды и газовой смеси рассчитываются по формуле:
где и – начальная и конечная температуры компонента.
Индексами 1 и 2 обозначим газовую смесь и воду соответственно.
Средняя температура воды:
Средняя температура газовой смеси:
Тепловая нагрузка определяется по формуле:
где – массовый расход газовой смеси кгс;
и – соответственно начальная и конечная температуры газовой смеси ºС;
– теплоёмкость газовой смеси при .
– массовый расход охлаждающей воды кгс;
и – соответственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды ºС;
– теплоёмкость охлаждающей воды при t2.
В таблице (3.1) представлены физико-химические характеристики при температурах и .
Таблица 3.1 – физико-химические характеристики
Переведем расход по формуле (3.4) в требуемую размерность.
Рассчитаем расход охлаждающей воды по уравнению:
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.1) и примем ориентировочное значение что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно такой режим возможен в теплообменнике у которого число труб приходящееся на один ход равно:
где – внутренний диаметр трубы.
для труб диаметром мм:
Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи соответствующее турбулентному течению: Вт(м2*К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 1000 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов имеют соотношения близкие к 450.
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше чем в одноходовых вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по формуле:
где – поправка для среднелогарифмической разности температур;
– средняя температура;
и – параметры зависящие от начальных и конечных температур охлаждающей воды и газовой смеси.
С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:
Теперь проводим уточненный расчет следующего варианта:
Находим и по формулам (3.15-3.16) необходимые значения возьмем из таблицы (3.1):
В соответствии с формулой (3.17) коэффициент теплоотдачи к жидкости движущейся по трубам турбулентно равна:
Поправкой здесь можно пренебречь так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее ºС).
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м2; тогда:
После расчетов находим по формуле:
Примем термические сопротивления м2*КВт м2*КВт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт(м2*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:
где – толщина стенки м.
Коэффициент теплопередачи составит:
Требуемая поверхность составит:
Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости газа в трубах принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
Коэффициент трения рассчитывают по формуле:
где – относительная шероховатость труб;
– высота выступов шероховатостей принимаем мм.
Диаметр штуцеров в распределительной камере м а скорость в штуцерах равна:
В соответствии с формулой (3.28) гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:
Число рядов труб омываемых потоком в межтрубном пространстве:
Округляя в большую сторону получим . Число сегментальных перегородок . Диаметр штуцеров к кожуху м. скорость потока в штуцерах составит:
Скорость жидкости в наиболее узком сечении трубного пространства площадью м2 равна:
В соответствии с формулой (3.32) сопротивление межтрубного пространства равно:
1.2 Расчет холодильника
По аналогичной схеме с формулам произведем расчет холодильника который охлаждает поглощающую воду идущую на абсорбцию.
Вода на абсорбцию поступает с ºС и охлаждается до ºС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем теплоноситель с меньшим расходом т.е. воду на абсорбцию. Это позволит выровнять скорости движения теплогасителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи увеличивая таким образом коэффициент теплоотдачи.
Примем что охлаждающая вода в теплообменнике нагревается от 8 ºС до 27 ºС.
то среднелогарифмическая разница температур ºС равна:
Индексами 1 и 2 обозначим воду идущую в абсорбционную установку и охлаждающую воду соответственно.
Средняя температура охлаждающей воды:
Средняя температура воды на абсорбцию:
Массовый расход воды на абсорбер принимаем полученное ранее при расчете колонны т.е. кгс.
В таблице (3.2) представлены физико-химические характеристики при температурах и .
Таблица 3.2 – физико-химические характеристики
Тепловая нагрузка получится:
Рассчитаем расход охлаждающей воды:
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.2) и примем ориентировочное значение что соответствует переходному режиму течения в трубах. Такой режим возможен в теплообменнике у которого число труб приходящееся на один ход равно:
Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 325 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов .
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше чем в одноходовых вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Найдем поправку для среднелогарифмической разности температур и определим среднюю температуру:
Получили что коэффициент теплоотдачи к жидкости будет равен:
После расчетов находим по формуле (3.32) где поправкой здесь можно пренебречь так как разность температур газовой смеси и стенки не велика (менее ºС):
Примем термические сопротивления м2*КВт. Повышенная коррозионная активность требует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем Вт(м2*К). Сумма теоретических сопротивлений стенки загрязнений равна:
Выбранный ранее теплообменник не подходит его площадь поверхности оказалась меньше ориентируемой. Выберем новый теплообменник с учетом новой рассчитанной поверхностью: мм; мм; ; ; м2; м. В этом случае запас составит:
Далее производим гидравлический расчет. Находим скорости воды в трубах принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:
Сопротивление межтрубного пространства равно:
1.3 Расчет теплообменника-рекуператора
Индексами 1 и 2 обозначим воду на абсорбцию и воду на регенерацию соответственно.
Поток воды на абсорбцию поступает с ºС и из расчетов выше охлаждается до ºС. В трубное пространство с меньшим проходным сечением направляем воду на регенерацию а в межтрубном пространстве с необходимым расходом кгс будет вода на абсорбцию соответственно. Вода выходящая из абсорбера имеет заданную температуру в колонне т.е. ºС зададимся что после теплообменника-рекуператора выходить будет при ºС.
Составим температурную схему.
Рисунок 3.3 – температурная схема процесса
то среднеарифметическая разница температур ºС определяется по формуле:
Средняя температура воды на регенерацию:
Вычислим тепловую нагрузку:
Рассчитаем расход воды на регенерацию:
В таблице (3.3) представлены физико-химические характеристики при температурах и .
Таблица 3.3 – физико-химические характеристики
Необходимые значения возьмем из таблицы (3.3) и примем ориентировочное значение что соответствует переходному режиму режиму течения в трубах. Очевидно такой режим возможен в теплообменнике у которого число труб приходящееся на один ход равно:
Теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 273 мм. При этом выбрать можно только одноходовой аппарат.
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше чем в одноходовых т.е. при расчете теплообменника-рекуператора находить и учитывать поправку не будем.
Рассчитаем параметры в трубном пространстве.
Находим и необходимые значения возьмем из таблицы (3.3):
Находим критерий для выбора плотности кгм3 и кгм3 соответственно при ºС и ºС:
В соответствии с формулой (3.36) коэффициент теплоотдачи к жидкости движущейся по трубам турбулентно равна:
После расчетов находим по формуле (3.32):
Далее производим гидравлический расчет. Находим воды в трубах принимая площадь сечения одного хода по трубам м2:
2 Расчет центробежного насоса
Подбираем насос для перекачивания поглотительной воды при средней температуре 55 ºС из открытой емкости в абсорбер. Геометрическая высота подъема воды 174 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м на линии нагнетания 30м. Плотность поглотительной воды возьмем кгм3 тогда расход воды составляет м3с.
Выберем трубопровод. Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды равную 2 мс. Тогда диаметр по формуле равен:
Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм и толщиной стенки 2 мм. Внутренний диаметр трубы мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:
Примем что коррозия трубопровода незначительна.
Определим потери на трение и местные сопротивления.
Найдем критерий Рейнольдса:
где вязкость примем Па*с.
т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной м. Тогда :
Таким образом в трубопроводе автомодельная зона для которой соответствует формула:
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.
Для всасывающей линии:
– вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;
– прямоточные вентили: для м ;
– колено с углом 90 º: .
Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии равна:
Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:
Для нагнетательной линии:
– колено с углом 90 º: ;
Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии равно:
Потерянный напор в нагнетательной линии по формуле (3.40):
Потеря напора в теплообменнике-рекуператоре:
Потеря напора в холодильнике для воды на абсорбцию находится по формуле (3.41):
Общие потери напора находят просуммировав все известные потери:
В условии дано что вода перекачивается из емкости находящейся под атмосферным давлением в абсорбер с аналогичным давлением. Таким образом формула для нахождения потребного напора насоса приводится к следующей:
Полезную мощность насоса определим по формуле:
Принимая и найдем мощность на валу двигателя:
Выбираем насос марки Х2053 с м3с м с–1 а электродвигатель – АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.
Подбираем газодувку для перекачивания загрязненного воздуха при средней температуре 785 ºС в абсорбер. Расход воздуха 2 м3с. Длина трубопровода от точки забора воздуха до абсорбера составляет 20 м. Все остальные необходимые данные возьмем из таблицы (3.1).
По формуле (3.37) найдем диаметр трубопровода принимая скорость в трубопроводе мс.
Выбираем стальную трубу наружным диаметром мм и толщиной стенки 10 мм. Внутренний диаметр трубы мм. Из формулы (3.37) выразим и сосчитаем фактическую скорость в трубе:
Критерий Рейнольдса для потока в трубопроводе:
Примем что трубы были в эксплуатации имеют незначительную коррозию. Тогда мм. Получим:
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:
Сумма коэффициентов местных сопротивлений равна:
Гидравлическое сопротивление трубопровода находим по формуле:
Избыточное давление которое должна обеспечить газодувка для преодоления гидравлического сопротивления аппаратов и трубопровода равно:
где и – гидравлическое сопротивление абсорбера и холодильника для загрязненного воздуха соответственно.
Таким образом находим газодувку высокого давления. Полезную мощность ее находим по формуле (3.42):
Выбираем газодувку марки ТВ-150-112 с м3с Па с–1 а электродвигатель – АО2-82-2 с мощностью 55 кВт.
Процесс абсорбции NH3 из загрязненного воздуха концентрацией 12 об % NH3 осуществляется в насадочном абсорбере диаметром 1200 мм и высотой 174 м при температуре абсорбции 20С. Производительность абсорбера по газовой фазе 2 м3с при нормальных условиях. Для проведения процесса абсорбции в колонне установлено четыре секции насадки керамические кольца Рашига 50505 высота всех слоев по 3 м.
Поглотитель после регенерации имеет концентрацию NH3 012 масс %. Он подается в абсорбционную колонну при помощи центробежного насоса марки Х2053 а электродвигатель – АО2-52-2 с мощностью 13 кВт.
Поглотитель охлаждается в кожухотрубчатом теплообменнике диаметром кожуха – 600 мм диаметром труб – 252 мм общим числом труб – 240числом ходов – 2 длиной одного хода – 3 м поверхностью теплообмена – 57 м2.
Газовая смесь подается на абсорбцию газодувкой типа ТВ-150-112 с электродвигатель АО2-82-2 и мощностью 55 кВт.
Охлаждается газовая смесь при помощи кожухотрубчатого теплообменника с диаметром кожуха – 1000 мм диаметром теплообменных труб 252 мм числом ходов – 2 общим числом теплообменных труб – 718 с поверхностью теплообмена – 226 м2 при длине труб – 4 м.
Из колонны абсорбционная вода перед тем как идти на регенерацию проходит через кожухотрубчатый теплообменник-рекуператор с диаметром кожуха – 325 мм диаметром теплообменных труб 202 мм числом ходов – 1 общим числом теплообменных труб – 100 с поверхностью теплообмена – 19 м2 при длине труб – 3 м.
Рассчитанная очистная линия позволяет производить абсорбцию NH3 до степени определенной в выданном курсовом задании.
Кроме этого был произведён расчёт и выбор вспомогательного оборудования: насос и газодувка. Также произведён расчёт теплообменника для охлаждения исходной газовой смеси теплообменника-рекуператора и теплообменника для охлаждения поглощающей воды идущей на абсорбцию.
Библиографический список
Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию [Текст] Г.С. Борисов В.П. Брыков Ю.И. Дытнерский [и др.] - 2-е изд. перераб. и доп. под ред. Ю.И. Дытнерского - М.: Химия 1991. - 496 с.
Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учеб. для вузов К.Ф. Павлов П.Г. Романков А.А. Носков. - 10-е изд. испр. доп. - СПб.: Химия 1987. - 576 с.
Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки [Текст]: учеб. пособие; сост. – А.Г. Ветошкин - Пенза 2006. - 201 с.
Рамм В.М. Абсорбция газов [Текст]: учеб. В.М. Рамм - 2-е изд. испр. и доп. - М.: Химия 1976. - 656 с.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов [Текст]: учеб. В.Н. Стабников - Киев: Технiка 1970. - 208 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]: учеб. А.Г. Касаткин - 7-е изд. испр. доп. - М.: Химия 1973. - 752 с.
Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей [Текст]: учеб. С. Бретшнайдер - СПб.: Химия 1966. - 536 с.
Лащинский А.А. Основы конструирования и расчет химической аппаратуры [Текст]: учеб. А.А. Лащинский А.Р. Толчинский. - СПб.: Машиностроение 1970. - 752 с.
Никольский Б.П. Справочник химика [Текст]: учеб. пособие. В 6 ч. Ч. 1. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника Б.П. Никольский – 2-е изд. испр. доп. - СПб: Изд-во Химия 1966. – 1072 с.