Определение конструктивных характеристик насадочного абсорбера

Министерство  топлива и энергетики Украины

Севастопольский национальный университет ядерной  энергии  
и промышленности

 

 

 

                                                  

Кафедра радиоэкологии и экобезопасности

 

 

 

 

 

 

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Инженерные средства защиты окружающей среды»

на тему: «Определение конструктивных характеристик насадочного абсорбера»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                         Выполнил: студент   ___    класса

 

Проверил: преподаватель  кафедры радиоэкологии и экобезопасности: Ленивенко Н.Н.

Оценка_____

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Севастополь 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

РАЗДЕЛ 1 3

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНЬЯ 3

1.1. Общие сведения 3

1.2. Устройство абсорбционных аппаратов 4

РАЗДЕЛ 2 7

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА 7

2.1. Исходные данные для расчета 7

2.2. Расчет насадочного абсорбера 7

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 14

ПРИЛОЖЕНИЕ А 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 1

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНЬЯ

 

 

 

1. Общие сведения

 

Абсорбционные методы санитарной очистки  газов основаны на способности жидкостей  растворять газы. В процессе абсорбции участвуют две фазы – жидкая и газовая. При абсорбции происходит переход вещества из газовой в жидкую фазу. Таким образом, абсорбция – процесс избирательного поглощения газа жидкостью. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции переходит в жидкую фазу, называют абсорбционным компонентом или абсорбтивом. Вещество, которое содержится в газовой фазе и при абсорбции не переходит в жидкую фазу, называют газом-носителем, или инертным газом. Вещество, в котором происходит растворение абсорбируемых компонентов, называют растворителем,  поглотителем или абсорбентом.  Абсорбционные процессы являются одним из видов процессов массопередачи. Аппараты, в которых осуществляется процесс абсорбции, называют абсорберами.

Различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).

При физической абсорбции  растворение газа не сопровождается химической реакцией( или, по крайней мере , эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). Поглощение газа происходит лишь до тех пор пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Раствор газа в жидкости существует совместно с находящимся над жидкостью газом. При этом содержание газа в растворе зависит не только от рода газа и жидкости, а также от давления, температуры и состава газовой фазы. В состоянии равновесия между концентрациями газа в обеих фазах устанавливается некоторое соотношение, характеризуемое константой фазового равновесия (коэффициентом распределения) m. Последняя равна отношению концентрации газа в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе. В самом общим случае связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью  у*=f (х), х*= f(у). Конкретный вид закона равновесного распределения различен для разных процессов массопередачи.  График зависимости называется линией равновесия. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого компонента в фазах изображается линией, которая называется рабочей. Направление переноса распределяемого вещества можно определить с помощью линии равновесия и рабочей линии (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1. Определение направления массопередачи по y-x диаграмме.

 

2. Устройство  абсорбционных аппаратов

 

При абсорбции  процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонные аппараты, заполняемые насадкой. Контакт  газа с жидкостью в таких аппаратах  происходит в основном на смоченной  поверхности насадки, по которой  стекает орошающая жидкость.

Насадочный  абсорбер выполнен в виде цилиндра, в нижней части которого установлена  опорная решетка. На решетку в навал или правильными рядами укладывают насадку (см. рис.1.3). Орошающая жидкость подается на насадку сверху с помощью специальных оросительных устройств. В нижней части аппарата имеются штуцера для подачи газа и отвода жидкости. Штуцера для подачи жидкости и отвода газа расположены в верхней части аппарата. Жидкость, подаваемая сверху, имеет тенденцию растекаться к периферии. При этом насадка в центре аппарата остается не смоченной, образуя так называемый сухой конус. Для равномерного стекания жидкости по насадке ее укладывают правильными рядами по всей высоте аппарата, уменьшая размер насадки снизу вверх. Для этой же цели насадку разбивают на секции, между которыми устанавливают перераспределительные устройства для жидкости.

От правильного  выбора типа насадки и ее укладки  зависят гидравлический режим и  эффективность работы абсорбера. Наибольшее применение получила цилиндрическая кольцевая  насадка – кольцо Рашига (см. рис.1.2), представляющая собой тонкостенные тела, наружный диаметр которого обычно равен высоте. Насадку чаще всего изготовляют из керамики или фарфора, реже – из металлов, углеграфитовых и пластических масс.

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 2

РАСЧЕТ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА

 

2.1. Исходные данные для расчета

 

Спроектировать  насадочный  абсорбер для очистки  газа от азота при следующих условиях:

Таблица 2.1.

Исходные данные к расчету

Количество воздушной смеси
Температура
Начальная концентрация	,
Температура раствора на орошение
Атмосферное давление
КПД	=0,95
Молярная масса азота (N2)
Плотность азота (N2)
Коэффициент диффузии  газов и  паров в воздухе при нормальных условиях (Р= азота (N2)

 

2.2. Расчет насадочного абсорбера

 

1. Концентрация  газа-загрязнителя на входе в объемных процентах и в кг/м³

; ;  ( )

2. Концентрация  газа-загрязнителя на выходе в объемных процентах:

             

  3. Массовый и объемный расход газа-загрязнителя на входе в абсорбер:

, где

 V_с-м³/ч количество поступающей воздушной смеси.

( )

г

( )

4. Количество инертного газа (массовый и объемный расход):

 

 

5. _{Концентрация газа-загрязнителя в поступающем газе на входе в килограммах на 1 кг инертного газа:}

         6. _{Концентрация газа-загрязнителя в газе-носителе на выходе в килограммах на 1 кг инертного газа:}

 

7. Количество поглощаемого газа-загрязнителя:

(кг/ч)

8. Полный расход поглотительного раствора составит:

L= l * М_ин.г=2*12880,65=25761,3 ( кг/ч), где

удельный расход поглотителя  (2÷5  кг/кг).  Выбираем =2 кг/кг.

          9. Содержание аммиака в уходящем поглотителе на 1 кг раствора

( )

10. Уравнение материального  баланса абсорбера имеет вид:

,т.е. проверить

11. Решение уравнений массопередачи: из уравнения рабочей линии

,

Принимаем L/G = ℓ , тогда ,                                                                        

Ограничимся определением в точке, соответствующей среднему значению У:

(кг/кг)

Для этой точки:

 (кг/кг)

12. Для построения линии равновесия на входе газа принимаем:

=0,00067 (кг/кг);      = 0,0014 (кг/кг);

13. Для  азота m_рх= 936 кПа при t=30˚ (данные взяты из  таблицы А.2)

(Па).

14. Равновесное значение на входе газа определяется:

(кг/кг)

Аналогично  на выходе газа определяем:

Па.

Равновесное значение на выходе газа определяется:

=1310,4/1,0133*10^-5=0,000012 кг/кг

  У*_к=0.

Таким образом, рассчитав необходимые величины, строим график линии равновесия и рабочей линии. График представлен в приложении А.

Распишем  все необходимые значения для  графика:

( _н=0,0014 кг/кг, =0,00061 кг/кг, =0,00067 кг/кг, _к=0,000057 кг/кг, , =У_к*=0)

Линия равновесия: .  

  Рабочая линия А ( _н=0,0014; =0,00067);

      В ( _к=0,000057; =0);

      С( );

Из графика  можем определить:

 (кг/кг), (AD).

  (кг/кг) ,(OB).

Находим среднюю движущую силу процесса:

;    (кг/кг)

15. Число единиц переноса:

;

  16. В качестве насадки выбираем кольца Рашига размером 100х100х10 мм. Характеристики неупорядоченных колец Рашига (размеры даны в мм) (см. табл. 1.1.).

 

 

 

 

Таблица 1.1

Характеристика насадки

 

Керамические кольца Рашига, мм	Удельная поверхность А, м2/м3	Свободный объем ε, м3/м3	Эквивалентный диаметр dэ, м	Насыпная плотность ρ, кг/м3	Число штук в м3
100х100х10	60	0,72	0,048	670	1050

 

;

(кг/м³)

17. Площадь сечения абсорбера определяется из условия скорости к свободному сечению аппарата v_г = 1 – 2 м/с. Принимаем v_г = 1,8 м/с.

18. Диаметр аппарата:

;

По таблице  А6 принимаем    .   Площадь поперечного сечения  =1,53 .                                             

19. Высота единицы переноса:

• для газовой фазы: h_г = 0.615*d_э*Rе_г^0,345 * ; 
• для жидкой фазы: h_ж = 119*Q_прив * * ,                                    

где Q_прив. – приведенная толщина пленки жидкости, м:

Q_прив. = (m_ж / r_ж² * g)^1/3 , где r_ж = 998,2 кг/м³ ; m = 10^-3 Па*с.

м

  20. Коэффициент диффузии диоксида углерода в газе – носителе (воздухе) при 20°С определяется по формуле:

 (м/²с), где

D₀ – коэффициент диффузии азота в воздухе при нормальных условиях P =10 ⁵ Па и 0°С (D₀ = 13,2·10^-6 м²/ч ,см .таблицу А4).

Т₀ – абсолютная температура газа.

Т – температура, при которой определяется  коэффициент диффузии.

(м^2/с).

Если неизвестен коэффициент диффузии газа-загрязнителя, можно воспользоваться формулой:

, (м²/с),где

и –  мольные массы газа-загрязнителя и инертного газа;

υ_{А ,} υ_В – мольные объемы соответственно ( см. таблицу А3). Мольные объемы определяются как суммы атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

21. Критерий Рейнольдса для газа:

Re_г = 4*v_г/(а*m_г) , где

 v_г – массовая скорость газа.

v_г = G_см/(3600*S_a) = 12898,65/(3600*1,53) = 2,34 (кг/м²*с),

Re_г = 4*2,34/(60*18,2*10^-6) =8578.

22. Коэффициент диффузии в жидкой фазе при 20°С определяется по формуле:

 (м²/с)

 м²/с

где μ_ж = 1 мПа·с, υ_а = 18,9 (для воды), υ_в = 31,2 (для азота) – мольные объемы мольного вещества и растворителя (см. приложение А3). μ_а = 28, μ_в = 18 – молекулярные массы вещества и растворителя. А₁=1, В₁=4,7 (см.приложение А7).

23. Коэффициент диффузии D₃₀ при 30°С определяется из уравнения:

D_ж30 = D₂₀[1+b_t(t-20)],

D_ж30 = 0,001674*10^-6[1+0,02(25-20)] = 1,1*0,001674*10^-6 = 0,001841*10^-6 (м²/с),где

b_t – температурный коэффициент, который определяется по формуле:

b_t =

    , b_t = .

24. Критерий Рейнольдса для жидкости:

Re_ж = 4*v_ж/(а*m_ж) ,  где