Расчет насадочного абсорбера

В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно  работать, если повышение гидравлического  сопротивления не имеет существенного  значения (например, в процессах  абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.

 

 

Рисунок 3.    Эмульгационная насадочная колонна

1 – колонна, 2 – гидравлический  затвор, 3 – вентиль, 4 – распределительная  тарелка.

 

В обычных насадочных колоннах поддержание режима эмульгирования представляет большие трудности. Имеется специальная конструкция насадочных колонн с затопленной насадкой, называемых эмульгационным. В колонне 1 режим эмульгирования устанавливают и поддерживают с помощью сливной трубы, выполненной в виде гидравлического затвора 2. Высоту эмульсии в аппарате регулируют посредством вентилей 3. Для более равномерного распределения газа по сечению колонны в ней имеется тарелка 4. Эмульгационные колонны можно рассматривать как насадочные лишь условно. В этих колоннах механизм взаимодействия фаз приближается к  барботажному.

Четвертый режим —  режим уноса, или обращенного  движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется.

 

 

Рисунок 4.    Принципиальная система абсорбционной установки:

1- вентилятор (газодувка); 2 – абсорбер; 3 – брызгоотбойник; 4, 6 – оросители; 5 – холодильник; 7 – десорбер; 8 – куб десорбера; 9, 13 – емкости дл абсорбента; 10, 12 – насосы; 11 – теплообменник-рекупелятор

 

На рисунке  дана схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или тарелки). Абсорбент 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. Очищенный газ, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент 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 абсорбента 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.

 

 

2. Выбор конструкционных материалов аппарата

 

Специфические условия  эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

- высокая химическая  и коррозионная стойкость материалов  в агрессивных средах при рабочих параметрах;

- высокая механическая  прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;

- хорошая свариваемость  материалов с обеспечением высоких  механических свойств сварных соединений;

- низкая стоимость и недефицитность материалов.

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:

- стали;

- чугуны;

- цветные металлы и  сплавы;

- неметаллические материалы.

Стали по химическому  составу делятся на несколько групп:

- углеродистые обыкновенного  качества;

- углеродистые конструкционные;

- легированные конструкционные  и др.

Сталь углеродистую обыкновенного  качества изготавливают 20 марок химического  состава, приведенных в ГОСТ 380-88, ГОСТ 16523-88.

Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1, 2, 3, 4, 5, 6, чем больше номер, тем  выше механическая прочность стали  и ниже ее пластичность. По степени  раскисления стали всех категорий  изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

- хром (Х) - повышает твердость,  прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;

- никель (Н) - повышает  прочность, пластичность и вязкость  сталей;

- вольфрам (В) - повышает  твердость стали, обеспечивает  ее самозакаливание;

- молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении вязкости, улучшает свариваемость;

- марганец (Г) - повышает  твердость, увеличивает коррозионную  стойкость, понижает теплопроводность;

- кремний (С) - повышает  твердость, прочность, пределы  текучести и упругости, кислотостойкость;

- ванадий (Ф) - повышает  твердость, предел текучести при  растяжении, вязкость, улучшает свариваемость  стали и увеличивает стойкость  к водородной коррозии;

- титан (Т) - увеличивает  прочность и повышает коррозионную  стойкость стали при высоких (>800°С) температурах.

 

Для нашего аппарата выбираем сталь 20.

Нормативное допускаемое  напряжение σ^* = 147 МПА

 

Выбираем ручную дуговую  сварку.

φ - коэффициент прочности  сварных соединений,

φ = 0,95;

 

Таблица 1 - Выбор сварных швов

 

	Вид соединения материала	Тип шва	Вид сварки, тип электрода	Коэффициент прочности сварного шва	Обоснование
1	2	3	4	5	6
	Штуцер для выхода газовой смеси  с верхней крышкой аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	6 соединений фланцев к крышке  и обечайкам аппарата	Двух-сторонний, круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,95	Для увеличения прочности
	Корпус с днищем аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Штуцер для входа жидкости скорпусом  аппрата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	2 соединения штуцера для термометра  с корпусом аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	2 соединения люков с корпусом  аппарата	Односторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Штуцер для входа жидкости с  корпусом аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
1	2	3	4	5	6
	Штуцер для выхода жидкости с  корпусом аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Штуцер для термометра с корпусом аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	2 штыря с корпусом аппарата	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Днище аппарата с опорой	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Штуцер для выхода трубы из опоры	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	Опора аппарата к фундаментному  кольцу	Одно-сторонний круговой по замкнутой  линии	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,8	Расположение в неудобном месте
	4 косынки для укрепления опоры  аппарата с фундаментным кольцом	Двух-сторонний	Электродуговая сварка, ручная, электрод типа 342 ГОСТ 9467-75	0,95	Для придания большей жесткости  и устойчивости всего аппарата

 

 

 

 

3. Расчет на прочность основных конструктивных элементов аппарата
1. Определение расчетного давления, расчетной температуры, допускаемого напряжения, коэффициентов прочности сварных швов, конструктивных прибавок на коррозию и эрозию.

 

Различают рабочее, расчетное, пробное и условное давление.

Рабочее давление (р) - это  максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса, без учета гидростатического давления среды и без учета кратковременного его повышения, например, за счет срабатывания предохранительного клапана.

Согласно исходным данным

 

р = 0,2 МПа

 

Расчетное давление (p_р) - максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему давлению или выше.

Расчетное давление определяется по формуле

 

p_р = р + р_г

где р_г – гидростатическое давление среды

р_г = g∙ρ_c∙H = 9,81∙700∙1,2=0,0082МПа

 

Так как 

(р_г/р)∙100%=(0,0082/0,2)∙100=4,1 меньше 5%

 

тогда

p_р = р =0,2 МПа

 

Пробное давление (р_И) - это избыточное давление, при котором аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и периодически в процессе эксплуатации.

При р= 0,2 МПа<0,5 пробное давление определяют по формуле([6]см. табл1.1)

 

 

Допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках:

- для рабочего состояния

где σ^* - нормативное допускаемое напряжение; выбираем углеродистую сталь 20,   σ^* = 147 МПА

η – поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, для  листового проката, η =1 ([6]см. табл1.2)

- при гидравлических  испытаниях

где σ_Т20 – минимальное значение предела текучести при температуре +20⁰, для стали 20 σ_Т20 =220 МПа

 

 

Условное давление (р_у) - это избыточное рабочее давление при температуре 20°С без учета гидростатического давления среды. Применяется при стандартизации элементов аппаратуры, например фланцев. Ряд условных давлений в МПа имеет вид: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6,4; 10; 16; 20.

 

Различают рабочую и  расчетную температуру.

Рабочая температура (t) - это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура (t_R) - это температура для определения физико-химических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений. Определяется на основании теплового расчета или результатов испытаний. При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение температуры стенки. При отрицательной температуре стенки элемента сосуда или аппарата за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений следует принимать температуру 20°С. В случае невозможности проведения расчетов или испытаний расчетная температура принимается равной температуре среды, но не менее 20° С.

Расчетное значение модуля продольной упругости определяем в  зависимости от температуры ([6]см. приложение VII)

 

Е = 1,99∙10⁵ МПа

 

Коэффициент прочности  сварных соединений φ характеризует прочность соединения в сравнении с прочностью основного металла([6]см. табл. 1.7).

Сварка с двухсторонним  сплошным проваром выполняется вручную

φ = 0,95

 

Прибавка к расчетным  толщинам конструктивных элементов  определяется по формуле

с = с₁ + с₂ + с₃

где с₁ –прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

с₁ = Пτ_в+с_э =0,01∙10=0,1 мм

где П – проницаемость среды в материал (скорость коррозии),

П = 0,01мм/год (из задания)

τ_в – срок службы аппарата, τ_в =10 лет (из задания)

с_э – прибавка для компенсации эрозии, с_э =0

с₂ – прибавка для компенсации минусового допуска; с₂ =0;

с₃ – технологическая прибавка, с₃ = 0

Кроме того, при П≤0,05/год  прибавку на коррозию примем 1 мм, а  если П не известно и материал достаточно стоек к среде Пτ_в= 2 мм

с = 1 + 0 + 0 = 1 мм

Значит прибавка к  расчетным толщинам конструктивных элементов составит 1 мм

 

2. Расчет корпуса, днища и крышки

      Абсорбер состоит из цилиндрического корпуса и сферических днища и крышки

Определим исполнительную толщину стенки цилиндрического  корпуса по формулам