Расчет абсорбционной установки

Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет им.С. Торайгырова
Биолого-химический факультет
Кафедра химии и химических технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Пояснительная записка
По дисциплинеОсновн. проц. и аппар. хим. пр-ва
Тема Расчет абсорбционной установки
Студент Быков Ю.А.
2009

Содержание
Введение
1.Физико-химические основы процесса
1.1 Устройство абсорбционных аппаратов
1.2 Технологическая схема установки
2.Технологический расчет
2.1 Построение линии равновесий и рабочей линии процесса
2.2 Материальный баланс
2.3 Тепловой баланс
3.Конструктивный расчёт
3.1 Расчет диаметра колонны
3.2 Расчет высоты колонны
3.3 Подбор стандартных конструктивных элементов
3.3.1 Подбор крышки и днища
3.3.2 Подбор тарелок
3.4 Расчет штуцеров
3.5 Расчет массы аппарата
3.6 Подбор опор
Заключение
Список использованной литературы
 
Введение
Абсорбцией называется процесс избирательного поглощениякомпонентов из газовой или паровой смеси жидким поглотителем, в котором данныйкомпонент растворим.
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физическойабсорбции растворение газа (пара) не сопровождается химической реакцией. Абсорбцияпротекает до тех пор, пока парциальное давление поглощаемого компонента вгазовой (паровой) фазе остаётся выше равновесного давления над раствором. Прихемосорбции (абсорбции, сопровождаемой химической реакцией) поглощаемыйкомпонент вступает в необратимую химическую реакцию с поглотителем и образуетхимическое соединение.
Физическая абсорбция обычно обратима. На этом свойствеабсорбционных процессов основано выделение поглощаемого газа из раствора — десорбция.Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара вусловиях подогрева абсорбента или снижении давления над абсорбентом. Отработанныепосле хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами илинагреванием.
Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократноприменять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбциюпроводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции растворявляется конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.
Протекание абсорбционных процессов характеризуется ихстатикой и кинетикой. Статика абсорбции, т.е. равновесие между жидкой и газовойфазами, определяет состояние, которое устанавливается при весьмапродолжительном соприкосновении фаз. Кинетика абсорбции определяется движущейсилой процесса, т.е. степенью отклонения системы от состояния равновесия, свойствамипоглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз.
В промышленности абсорбцию применяют для решения следующихосновных задач:
1) для получения готового продукта (например, абсорбция /> в производстве сернойкислоты, абсорбция /> с получениемхлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотнойкислоты и т.д.); при этом десорбцию проводить не обязательно;
2) для выделения ценных компонентов из газовых смесей (например,абсорбция бензола из коксового газа, абсорбция ацетилена из газов крекинга илипиролиза природного газа и т.д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании сдесорбцией;
3) для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например,очистка топочных газов от />,очистка газов от фтористых соединений, выделяющихся при производствеминеральных удобрений и т.д.) Очистку газов от вредных примесей абсорбциейиспользуют также при очистке технологических газов, когда присутствие примесейнедопустимо для дальнейшей переработки газа (например, очистка коксового инефтяного газов от />, очисткаазотоводородной смеси, используемую для синтеза аммиака от /> и/> и т.д.). В этих случаяхизвлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяютдесорбцией;
4) для осушки газов, когда в абсорбционных процессах участвуютдве фазы — жидкая и газовая — и происходит переход вещества из газовой фазы вжидкую (при абсорбции) или наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции),причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонентасоответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе неучаствуют.
Аппараты, в которых проводят процессы абсорбции, называютабсорберами.
Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционныеустановки, основным элементом которых являются абсорбционные аппараты.
Абсорбционные аппараты классифицируются в зависимости оттехнологического назначения, давления и вида внутреннего устройства,обеспечивающего контакт газа (пара) и жидкости.
По технологическому назначению абсорбционные аппаратыподразделяются на аппараты установок осушки, очистки газа, газораспределения и т.д.
В зависимости от внутреннего устройства различаюттарельчатые, насадочные, распылительные, роторные (механические), поверхностныеи каскадные абсорберы. Наиболее широко распространены тарельчатые и насадочныеаппараты.
В зависимости от применяемого давления аппаратыподразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением вышеатмосферного.
При выборе типа аппарата следует учитывать технологическиетребования к процессу и его экономические показатели.
Плёночные аппараты, к которым относятся также абсорберы срегулярной насадкой, незаменимы при проведении процесса в условиях разложения,поскольку их гидравлическое сопротивление самое низкое. Плёночные и насадочныеколонны предпочтительнее также для обработки коррозионных сред и пенящихсяжидкостей.
Тарельчатые колонны удобны для крупнотоннажных производствпри относительно малых расходах жидкости, недостаточных для равномерногосмачивания насадки, а также для процессов, сопровождающихся колебаниямитемпературы, так как периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушитьхрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отводатеплоты. Тарельчатые колонны также применяются при обработке потоков с твёрдымипримесями или при выделении твёрдого осадка.
Тарельчатые абсорберы обычно представляют собой вертикальныецилиндры — колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга повысоте колонны размещаются горизонтальные перегородки — тарелки. Тарелки служатдля развития поверхности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкостьтечет сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействиижидкости и газа.
Таким образом, процесс массопереноса в тарельчатых колоннахосуществляется в основном в газожидкостных системах, создаваемых на тарелках,поэтому в таких аппаратах процесс проходит ступенчато, и тарельчатые колонны вотличие от насадочных, в которых массоперенос проходит непрерывно, относят кгруппе ступенчатых аппаратов. На каждой тарелке, в зависимости от ее конструкции,можно поддерживать тот или иной вид движения фаз, обычно перекрестный ток илиполное перемешивание жидкости.
Насадочные абсорберы получили наибольшее применение впромышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка укладывается наопорные решетки, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стокажидкости. Которая достаточно равномерно орошает насадку с помощьюраспределителя и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленкивниз.
В распылительных абсорберах контакт между фазами достигаетсяраспыливанием или разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. Эти абсорберыподразделяют на следующие группы:
1) форсуночные распыливающие абсорберы, в которых жидкостьраспыливается на капли форсунками;
2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которыхраспыливание жидкости осуществляется за счет кинетической энергии газовогопотока;
3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкостьраспыляется вращающимися деталями.
В нефтяной и газовой промышленности процесс абсорбцииприменяется для разделения, осушки и очистки углеводородных газов. Из природныхи попутных нефтяных газов путем абсорбции извлекают этан, пропан, бутан икомпоненты бензина; абсорбцию применяют для очистки природных газов от кислыхкомпонентов — сероводорода, используемого для производства серы, диоксидауглерода, серооксида углерода, сероуглерода, тиолов (меркаптанов) и т.п.; спомощью абсорбции также разделяют газы пиролиза и каталитического крекинга иосуществляют санитарную очистку газов от вредных примесей.
В качестве абсорбентов при разделении углеводородных газовиспользуют бензиновые или керосиновые фракции, а в последние годы и газовыйконденсат, при осушке — диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ). Дляабсорбционной очистки газов от кислых компонентов применяютN-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; вкачестве химического поглотителя используются моно — и диэтаноламины.
В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает восновном однонаправленно, т.е. абсорбент можно считать практически нелетучим. Вслучае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадииотдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемыми компонентами. Врезультате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичнойдесорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов междугазовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами.
Абсорбция (десорбция) — диффузионный процесс, в которомучаствуют две фазы: газовая и жидкая. Движущей силой процесса абсорбции (десорбции)является разность парциальных давлений поглощаемого компонента в газовой ижидкой фазах, который стремится перейти в ту фазу, где его концентрация меньше,чем это требуется по условию равновесия.
Обозначим парциальное давление поглощаемого компонента в газовойфазе через рг, а парциальное давление того же компонента в газовой фазе,находящейся в равновесии с абсорбентом, через рр. Если рг > рр, то компонентгаза переходит в жидкость, т.е. протекает процесс абсорбции (рис. VI-1, а). Еслирг
Чем больше величина рг — рр, тем интенсивнее осуществляетсяпереход компонента из газовой фазы в жидкую. При приближении системы ксостоянию равновесия движущая сила уменьшается, и скорость перехода компонентаиз газовой фазы в жидкую замедляется.
Поскольку парциальное давление компонента пропорциональноего концентрации, то движущая сила процесса абсорбции или десорбции может бытьвыражена также через разность концентраций компонента в газовой Dу = y — ур илижидкой фазе Dх = хр — х.
Количество вещества М, поглощаемого в единицу времени приабсорбции или выделяемого при десорбции, прямо пропорционально поверхностиконтакта газовой и жидкой фаз F, движущей силе процесса и коэффициентупропорциональности К, зависящему от гидродинамического режима процесса ифизико-химических свойств системы.
1. Физико-химическиеосновы процесса
В процессе абсорбции содержание газа в растворе зависит отсвойств газа и жидкости, температуры, давления и состава газовой фазы.
В результате растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемыйкомпонент А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф = 2), число компонентовравно трем (К = 3) и, согласно правилу фаз, число степеней свободы системыравно трем.
В системе газ — жидкость переменными являются температура,давление и концентрации в обеих фазах. Таким образом, в состоянии равновесияпри постоянных значениях температуры и общего давления зависимость междупарциальным давлением газа (или его концентрацией) и составом жидкой фазыоднозначна. Данная зависимость выражается через закон Генри, согласно которомупарциальное давление растворенного газа пропорционально его мольной доле врастворе или растворимость газа (поглощаемого компонента) в жидкости при даннойтемпературе пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью:
/>
Значения коэффициента Генри для данного газа зависят отприроды поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления всистеме.
Для идеальных растворов на диаграмме зависимость равновесныхконцентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равныйкоэффициенту Генри. С повышением температуры увеличивается значениекоэффициента Генри и соответственно уменьшается растворимость газа в жидкости. Такимобразом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления иснижением температуры.
Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, законуГенри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
Закон Генри применим к растворам газов, критические температурыкоторых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов.Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальнымрастворам, приближающимся по свойствам к идеальным, то есть соблюдается прималых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Дляхорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе,растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихсяэтому закону, линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычнопо опытным данным.
 1.1 Устройство абсорбционных аппаратов
Абсорберы — аппараты, в которых осуществляются абсорбционныепроцессы. Подобно другим процессам массопередачи, абсорбция протекает на поверхностираздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхностьсоприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этойповерхности абсорберы условно разделяются на следующие 4 группы:
поверхностные и пленочные;
насадочные;
барботажные (тарельчатые);
распыливающие.
Поверхностные абсорберы. Эти абсорберы используют дляпоглощения хорошо растворимых газов. В указанных аппаратах газ проходит надповерхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости. Так как поверхностьсоприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколькопоследовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутсяпротивотоком друг к другу. Для того, чтобы жидкость перемещалась по абсорберамсамотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколькониже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратахустанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либопомещают абсорберы в сосуды с проточной водой.
Пленочные абсорберы. Эти аппараты более эффективны икомпактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностьюконтакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующиеразновидности аппаратов данного типа: трубчатые абсорберы, абсорберы с плоско — параллельной или листовой насадкой, абсорберы с восходящим движением пленкижидкости.
Насадочные абсорберы. Одним из наиболее распространенныхабсорберов поверхностного типа является насадочный колонный аппарат. Онотличается простотой устройства и пригодностью к работе с агрессивными средами.Его применение допустимо как в тех случаях, когда массообмен контролируетсядиффузионным сопротивлением жидкой фазы, так и тогда, когда решающим являетсясопротивление газовой фазы. Насадочные абсорберы представляют собой колонны,загруженные насадкой — твердыми телами различной формы; при наличии насадкиувеличивается поверхность соприкосновения газа и жидкости. В насадочной колонненасадка укладывается на опорные решетки, имеющие отверстия или щели дляпрохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителяравномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. В насадочной колоннежидкость течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностьюконтакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочныеаппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последнихпленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочныхабсорберах — только по высоте элемента насадки.
Барботажные (тарельчатые) абсорберы. Тарельчатые абсорберыпредставляют собой вертикальные колонны, внутри которых размещеныгоризонтальные перегородки — тарелки. С помощью тарелок осуществляетсянаправленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа. Вбарботажных абсорберах газ выходит из большого числа отверстий и барботируетсячерез слой жидкости либо в виде отдельных пузырьков (при малых скоростях газа),либо в виде струй (при повышенных скоростях газа), переходящих все же в потокпузырьков на некотором расстоянии от точки истечения газа. В результате образуетсягазожидкостная (гетерогенная) система нижняя часть, которой состоит из слояжидкости с распределенными в ней газовыми пузырьками, средняя — из слояячеистой пены, а верхняя — из зоны брызг, возникающих при разрыве оболочекуходящих газовых пузырей. Высоты этих слоев изменяются со скоростью газа; с ее возрастанием уменьшается нижний слой и увеличивается средний (впределах зависящих от физических свойств жидкости).
Структуру газожидкостного слоя можно охарактеризовать еговысотой, газосодержанием и размером газовых пузырьков. При истечении газа изодиночного затопленного отверстия с определенным диаметром, скорость которогониже известного предела образуются одиночные свободно всплывающие пузырьки, диаметркоторых, в рассматриваемом режиме, не зависит от расхода газа. Заметим, однако,что при интенсивном истечении газа образуются пузырьки различных размеров,которые при подъеме обычно деформируются, приобретая эллипсоидальную иполусферическую форму. Кроме того, газовые пузырьки имеют вертикальнуютраекторию движения (иногда даже спиральную).
Уровень жидкости при ее движении вдоль барботажной тарелкина пути от входа до перетока понижается на некоторую величину, вследствиегидравлического сопротивления. Это приводит к неравномерному распределениюгазового потока по сечению абсорбера; большие количества газабудут проходить там, где высота слоя жидкости меньше.
Площадь живого сечения переточного устройства(трубы, сегмента) определяется по объемному расходу жидкости и ее скорости,принимаемой во избежании захвата газа не выше 0,10 — 0,12м/с.
Тарельчатые колонны удобны для крупнотоннажных производствпри относительно малых расходах жидкости, недостаточных для равномерногосмачивания насадки, а также для процессов, сопровождающихся колебаниямитемпературы, так как периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушитьхрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отводатеплоты. Тарельчатые колонны также применяются при обработке потоков с твердымипримесями или при выделении твердого осадка.
По способу слива жидкости с тарелок барботажные абсорберыможно подразделить на колонны с тарелками со сливными устройствами и без них.
Тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннахперелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальныхустройств — сливных трубок, карманов и др. Нижние концы трубок погружены встакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы,исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.
К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые,колпачковые, клапанные, балластные и пластинчатые.
Гидродинамические режимы работы тарелок. В зависимости отскорости газа и плотности орошения различают три основных гидродинамическихрежима работы барботажных тарелок: пузырьковый, пенный, струйный, илиинжекционный. Эти режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая восновном определяет его гидравлическое сопротивление и высоту, а такжеповерхность контакта фаз.
Пузырьковый режим. Наблюдается при небольших скоростях газа,когда он движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхностьконтакта фаз на тарелке невелика.
Пенный режим. С увеличением расхода газа выходящие изотверстия и прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая наопределенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивлениябарботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом натарелке возникает газожидкостная дисперсная система — пена, которая являетсянестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. В указанномрежиме контактирование газа и жидкости происходит на поверхности пузырьков иструй газа, а также на поверхности капель жидкости, которые в большомколичестве образуются над барботажным слоем при выходе пузырьков газа избарботажного слоя и разрушении их оболочек.
Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличениискорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхностьбарботажного слоя, не разрушаясь и образуя большое количество крупных брызг. Поверхностьконтакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.
Ситчатые тарелки. Газ проходит сквозь отверстия тарелки ираспределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Газ должендвигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того,чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стеканиежидкости через отверстия тарелки. Ситчатые тарелки отличаются простотойустройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивлениеэтих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в широком интервалескоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости этитарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелкичувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. Вслучае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения егодавления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновленияпроцесса требуется вновь запускать колонну. Разновидностью абсорберов сситчатыми тарелками являются пенные абсорберы.
Колпачковые тарелки. Газ барботирует через жидкость, выходяиз прорезей колпачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газ дробитсяна мелкие струйки, которые на выходе из прорези почти сразу поднимаются вверхи, проходя через слои жидкости на тарелке, сливаются друг с другом (рисунок 1).
/>
1 — тарелка; 2 — патрубки; 3 — колпачки; 4 — переливныетрубы
Рисунок 1 — Колонна с колпачковыми тарелками
В колонне с колпачковыми тарелками находятся тарелки 1, спатрубками 2, закрытые сверху колпачками 3. Нижние края колпачков снабженызубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает старелки на тарелку через переливные трубы 4. Уровень жидкости на тарелкесоответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают надтарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не черезпатрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижниекрая колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верхапрорезей.
Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками ивыходит 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 концыпереливных труб опущены под уровень жидкости. Благодаря этому создаетсягидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.
Колпачковые тарелки менее чувствительны к загрязнениям, чемколонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивойработы колонны с колпачковыми тарелками. Колпачковые тарелки устойчиво работаютпри значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткамследует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельныенагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудностьочистки. Для нормальной работы колпачковых тарелок необходимо,чтобы все прорези в колпачках были открыты для равномерного прохода газа. Этоусловие достигается при скорости движения газа больше чем 0,6 м/с.
Клапанные тарелки. Принцип действия состоит в том, чтосвободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расходагаза своим весом автоматически регулирует величину площади зазора междуклапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживаетпостоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом сувеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапаннойтарелки увеличивается незначительно.
Балластные тарелки. Отличаются по устройству от клапанныхтем, что в них между легким круглым клапаном и кронштейном-ограничителемустановлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чемклапан, балласт. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. Сдальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затемподнимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномернойработой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.
Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительновысокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость,постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнеедостоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению старелками других конструкций. К недостаткам этих тарелок следует отнести ихповышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана илибалласта.
Пластинчатые тарелки. Эти тарелки, в отличие от тарелок, рассмотренныхвыше, работают при однонаправленном движении фаз, то есть каждая ступеньработает по принципу прямотока, что позволяет резко повысить нагрузки по газу ижидкости, в то время как колонна в целом работает с противотоком фаз. Достоинствапластинчатых тарелок: низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы сзагрязненными жидкостями, низкий расход металла при их изготовлении. Недостатки:трудность отвода и подвода тепла, снижение эффективности при небольших расходахжидкости.
 1.2 Технологическая схема установки
Газ, охлажденный в теплообменнике 9, подается газодувкой 8 внижнюю часть абсорбера 6, где равномерно распределяется по сечению колонны ипоступает на контактные элементы (тарелку). Абсорбент подается в верхнюю частьколонны центробежным насосом 4 из сборника 3. В колонне осуществляетсяпротивоточное взаимодействие газа и жидкости. Очищенный газ выходит из колонныв атмосферу. Абсорбент стекает через гидрозатвор в сборник 7, откуда насосом 5отправляется на дальнейшую переработку. Для охлаждения газа в холодильник изградирни 2 подается насосом 1 вода, которая после холодильника возвращается наохлаждение в градирню.
Схема автоматизирована. Цель системы автоматическогорегулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего вабсорбер или получение готового продукта. В данной работе рассматриваетсяпервая задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрамиявляются:
1) концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси навыходе из абсорбера;
2) температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию;
3) уровень жидкости в абсорбере.
В большинстве случаев расход газовой смеси определяетсятехнологическим режимом, т.е. абсорбционная установка должна переработать весьпоступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемойв абсорбер газовой смеси возрастает концентрация извлекаемого компонента вгазовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрацииувеличивается подача абсорбента в абсорбер, что обеспечивает стабилизациюконцентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера.
Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкаятемпература газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расходаохлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа 9.
Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем измененияотбора жидкости из неё.
Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровнейжидкости в сборниках.
В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы,температуры, давления технологических потоков.
2. Технологическийрасчет
Целью расчетов абсорберов является определение расходапоглотителя, температуры процесса и количество отводимой теплоты, выборскорости подачи газа и поглотителя, подбор типа тарелок, размеров аппарата.
При проектировании абсорбционных установок, из которых газотводится в атмосферу, необходимо учитывать вопросы охраны окружающей среды. Концентрацияпоглощаемого компонента в газовой фазе на выходе из абсорбера не должнапревышать предельно — допустимой. Если это не достигается в одном аппарате,необходимо устанавливать дополнительные аппараты.
 2.1 Построение линии равновесий и рабочей линиипроцесса
Для определения числа теоретических единиц переносанеобходимо в системе координат построить рабочую линию и линию равновесия.
По начальным и конечным концентрациям поглощаемого газа ипоглотителя строим рабочую линию, т.е. прямую, которая проходит через точки скоординатами (/>, />) и (/>,/>). Она расположена вышелинии равновесия, т.к при абсорбции содержание компонента в газовой фазе вышеравновесного. Выразим начальную и найдем конечную концентрации газовой фазы вединицах массовой концентрации; для этого переведём мольные доли в массовые,воспользовавшись формулой (2.1).
/> (2.1)
/> масс долей
Используя формулу (2.2), переведём массовые доли вотносительные массовые доли.
/> (2.2)
/> относит масс долей
/>
По формуле (2.3) определим концентрацию газа на выходе изабсорбера колонны.
/> (2.3) ,
/>
Для построения кривой равновесия задаём значения “/>" так, чтобы принятыезначения включали в заданный интервал />и/>. Значения указаны втаблице 1.
Таблица 1
/>
/>
/>
/>
/> 0,005 0,055 0,105 0,155 0, 205
Для каждого принятого значения “/>"принимаем температуру (в зависимости от температуры в абсорбере). Данные указаныв таблице 2.
Таблица 2
t, o C 40 45 50 55 60
Eатм 1060 1205 1350 1575 1800
Пользуясь формулой (2.4) определяем для каждого значения “/>" парциальное давлениекомпонента в парах над жидкостью.
/> (2.4)
/> />,
/> />,
/> />,
/> />,
/> />.
Для каждого значения “/>"(концентрация компонента в газовой смеси) определим равновесное значение “/>" (концентрациякомпонента 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,
По значения “/>"и “/>" строим линиюравновесия.
В зависимости от степени поглощения газа поглотителем строимрабочую линию. Используя значения />, />, /> и />. Значения /> и /> определим по формулам (2.6)и (2.7).
/> (2.6), /> (2.7).
/> относит масс долей,
/> относит масс долей.
Из графика определяем, что количество единиц переноса вколонне равно 5. Принимая, что КПД одной тарелки равен 55%, уточняем количествопрактических тарелок.
/> тарелок.2.2 Материальный баланс
Определим секундный расход газа, воспользовавшись формулой(2.8).
/> (2.8), /> />
По формуле (2.9) определим массовый расход газа.
/> (2.9)
Используя формулу (2.10) определим плотность газа.
/> (2.10)
/> />,
/> />.
 
Определим расход поглотителя по формулу (2.11).
/> (2.11)
/>/>
Используя формулу (2.12) определим объёмный расходпоглотителя.
/> (2.12)
/> />2.3 Тепловой баланс
 
При растворении газа в жидкости выделяется некотороеколичество теплоты. При отсутствии отвода теплоты температура повышается, чтоведет к возрастанию равновесного парциального давления компонента, изменениюположения линии равновесия, уменьшению движущей силы процесса, ухудшениюусловий абсорбции.
Практически процесс абсорбции проводится с интенсивнымотводом теплоты, чтобы температура раствора в аппарате повышалась незначительно.
/>
Определим температуру газа на выходе из абсорбера, вычисливеё по формуле (2.13).
/> (2.13)
Определим теплоту растворения газа в воде по формуле (2.14).
/> (2.14)
Из справочника находим значение /> />
/> />,
/> />,
/> />.
В ходе расчета выяснилось, что разница между теплотой газана входе и выходе незначительна, следовательно, предусматривать отвод тепла нетнеобходимости.
3. Конструктивныйрасчёт3.1 Расчет диаметра колонны
Определим диаметр колонны по формуле (3.1)
/> (3.1)
Воспользовавшись формулой (3.2) найдём оптимальную скоростьгаза в колонне.
/> (3.2)
/> />,
/> />.
Из ряда стандартных диаметров принимаем диаметр колонны,равный 2200мм.
Уточним скорость газа.
/> />3.2 Расчет высоты колонны
 
Определим высоту колонны, вычислив её по формуле (3.3).
/> (3.3)
при D = 2200 из справочникавыписываем значения:
/> />
/> />
/> />
Высоту тарельчатой части колонны определим, используяформулу (3.4).
/> (3.4)
/> />,
/> />.3.3 Подбор стандартных конструктивных элементов3.3.1 Подбор крышки и днища
Для данной колонны из ряда стандартных элементов подберёмкрышку и днище. Технические характеристики данных элементов указаны в таблице 4.
Таблица 4Параметры крышка днище
Внутренний диаметр />, /> 2200 2200
Высота борта />, /> 50 50
Высота эллиптической части />, /> 550 550
Внутренняя поверхность />, /> 5,6 5,6
Внутренняя ёмкость />, /> 1,585 1,585
Толщина стенки />, /> 20 20
Масса />, /> 895 895 3.3.2 Подбор тарелок
В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фазразвивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков иструек. Такое движение газа, называемое барботажем, осуществляется втарельчатых колоннах с колпачковыми, ситчатыми или провальными тарелками.
Особенностью тарельчатых колонн является ступенчатыйхарактер проводимого в них процесса — газ и жидкость последовательносоприкасаются на отдельных ступенях (тарелках) аппарата.
В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают старелками различных типов. В данную колонну диаметром 2200 /> можно установитьколпачковые тарелки типа ТСК-1 (ост 26-808-73).
В колпачковых тарелках газ барботирует через жидкость,выходя из прорезей колпачков, расположенных на каждой тарелке. В прорезях газдробится на мелкие струйки, которые по выходе из прорези почти сразуподнимаются вверх и, проходя через слой жидкости на тарелке, сливаются друг сдругом.
В колоннах с колпачковыми тарелками (рисунок 2) находятсятарелки 1 с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3. Нижние края колпачковснабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкостьпротекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. Уровень жидкости натарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных трубвыступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекла только по переливным трубам, ане через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижниекрая колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верхапрорезей.
Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и,выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботируетчерез слой жидкости.
Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовалтаким образом нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концыпереливных труб опущены под уровень жидкости. Благодаря этому создаетсягидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через трубы.
/>
Рисунок 2 — Колонна с колпачковыми тарелками
Технические характеристики колпачковых тарелок типа ТСК-1при диаметре колонны 2200 /> указаныв таблице 5.
Таблица 5
Свободное сечение колонны, /> 3,81
Длина линии барботажа, /> 44,6
Периметр слива />, /> 1,606
Свободное сечение тарелки, /> 0,471
Относительная площадь для отхода паров />, /> 12,3
Масса, /> 211
 3.4 Расчет штуцеров
Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратамосуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могутбыть разъемными (резьбовыми, фланцевыми, сальниковыми) и неразъемными (сварными,паяными, клеевыми). Наиболее распространены разъемные соединения с помощью фланцевыхштуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб сприваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке,либо с фланцами, откованными за одно со штуцером. В зависимости от толщиныстенок патрубки штуцеров могут быть тонкостенными и толстостенными. Типыштуцеров зависят от номинального (условного) давления и температуры среды.
Присоединение фланцевых штуцеров к корпусу аппарата, днищуили крышке выполняется с определенным вылетом, который зависит от условногодиаметра и условного давления, а также от толщины изоляции аппарата, если онтаковую имеет.
По назначению все фланцевые соединения в химическомаппаратостроении подразделяют на фланцы для трубной арматуры и труб (сюда жеотносятся все фланцы штуцеров и аппаратов) и фланцы для аппаратов (с их помощьюосуществляется крепление крышек, днищ и т.д.)
Диаметр штуцеров рассчитываем по формуле (3.5).
/> (3.5)
Производительность колонны велика, поэтому для подачи иотвода газового потока со скоростью 25 /> предусмотримпо три штуцера.
/> />, /> />.
Для подачи поглотителя и отвода насыщенного поглотителя соскоростью 3 /> предусмотрим по четырештуцера.
/> />, /> />.
Уточняем по справочным данным диаметры штуцеров и толщинустенок. Данные представлены в таблице 6.
Таблица 6Номер штуцера 1 2 3 4
Толщина стенки />, /> 16 16 16 16
Наружный диаметр />, /> 426 426 650 650 3.5 Расчет массы аппарата
Массу данной колонны определяем по формуле (3.6).
/> (3.6), /> />
Массу тарелок определим по формуле (3.7)
/> (3.7) /> />
Пользуясь формулой (3.8) определим массу максимальнойзагрузки колонны.
/> (3.8)
/> />
Массу максимальной нагрузки на опоры определим, пользуясьформулой (3.9).
/> (3.9)
/> />
Переведем массу максимальной нагрузки в мега ньютоны,используя формулу (3.10).
/> (3.10)
/> />3.6 Подбор опор
 
Химические аппараты устанавливают на фундамент чаще всего спомощью опор. Аппараты, работающие в горизонтальном положении, независимо оттого, где их монтируют (внутри помещения или вне его), устанавливают наседловых опорах. Аппараты вертикального типа, размещаемы на открытых площадках,оснащают юбочными опорами — цилиндрическими или коническими. Чаще всего юбочныеопоры 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, топри соотношении высоты колонны к ее диаметру меньшим 5 используют опорныестойки, которые могут быть вертикальными или наклонными, круглого илинекруглого сечения. Опорные стойки круглого сечения применяют, как правило, дляаппаратов малых объемов. Чтобы сохранить прочность обечаек и днищ аппаратов привоздействии на них опорных нагрузок, между опорой и элементами аппарата иногдапомещают специальную прокладку. Число опор, определяемое конструктивнымисоображениями, проверяют расчетным путем: стоек должно быть не менее трех. Т.к.соотношение высоты данной колонны к ее диаметру меньше 5, то данную колоннунеобходимо установить на опорные стойки некруглого, в количестве четырех штук.
Заключение
Вданном курсовой проекте спроектированаабсорбционная установка непрерывного действия для поглощения углекислого газаиз его смеси с воздухом, используя в качестве поглотителя воду.
В ходе проектирования выполнен материальный баланс, вкотором произведены расчеты массовых расходов основных материальных потоков (газовойсмеси, поглотителя).
В ходе расчета теплового баланса, определено, что в ходепроцесса абсорбции происходит незначительное выделение тепла, следовательно нетнеобходимости предусматривать отвод тепла.
В конструктивном расчете определена габариты аппарата (высота,диаметр колонны). В соответствии с габаритами аппарата практически рассчитаны иподобраны диаметры штуцеров, подобраны днище и крышка аппарата, выполнен подбортарелок, рассчитана масса колонны и осуществлен подбор опоры.
Список использованной литературы
1. Плановский А.Н.,Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебникдля вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. / А.Н. Плановский. — М.: Химия, 1987. — 496с.
2. Иоффе И.Л. Проектированиепроцессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для техникумов / И.Л.Иоффе. — Л.: Химия, 1991. — 351 с.
3. Дытнерский Ю.И. Основныепроцессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Ю.И.Дытнерский. — М.: Химия, 1991. — 496с.
4. Соколов В.Н.Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи. Учеб. пособие длястудентов вузов/ В.Н. Соколов — Л.: Машиностроение, 1982.- 384с.
5. Рабинович В.А., ХавинЗ.Я. Краткий химический справочник.3-е изд., перераб. и доп. / В.А. Рабинович. — Л.: Химия, 1991. -432с.
6. Лащинский А.А., ТолчинскийА.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. / А.А. Лащинский.- Л.: Химия, 1970. — 974с.
7. Кувшинский М.Н.,Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппаратыхимической промышленности»: Учеб. пособие для учащихся техникумов.2-е изд.,перераб. и доп. / М.Н. Кувшинский. — М.: Высшая школа, 1980. — 223с.