Разработка абсорбционной установки для очистки газовой смеси от диоксида серы

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

“Чувашский государственный  университет им. И. Н. Ульянова”

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра химической технологии и защиты окружающей среды

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 по дисциплине: «процессы и аппараты»

на тему:

Разработка  абсорбционной установки для очистки

газовой смеси  от диоксида серы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы х-21-08

Гордеева А.В

 

Руководитель проекта:

Доцент, к.т.н. Козлов А.И.

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2012г.

 

Задание на проектирование

Рассчитать насадочный абсорбер для улавливания аммиака  из газовой смеси водой.

Исходные данные:

1 Поглощаемое вещество – диоксид серы;

2 Количество газовой смеси, поступающей на установку V, м³/с – 9;

3 Начальная объемная концентрация вещества в газовой смеси у, % - 11, остальное воздух;

4 Степень извлечения ε, % - 95;

5 Начальная массовая концентрация вещества в поглотителе (воде) , %  - 0,14;

6 Степень насыщения поглотителя (воды) парами сероводорода η – 0,72;

7 Начальная    температура     охлаждающей    воды,   поступающей в холодильник  t_вн ,^оС – 16;

8 Температура поглотителя t_п, ^оС – 28.

9 Абсорбер работает под атмосферным давлением

10 в установке предусмотреть насос для подачи воды в абсорбер, холодильник для охлаждения газа и газодувку для подачи газовой смеси в абсорбер.

 

 

Содержание

 

Введение.......................................................................................................................4

1 Общие сведения об абсорбционных аппаратах.....................................................5

2 Устройство и принцип действия  абсорберов.........................................................6

2.1 Пленочные абсорберы...........................................................................................7

2.2 Насадочные абсорберы.........................................................................................9

2.3 Тарельчатые абсорберы......................................................................................13

2.3.1 Тарельчатые колонны со сливным  устройством...........................................14

2.3.2 Колонны с тарелками без сливных устройств...............................................17

2.4 Распыливающие абсорберы................................................................................18

3 Расчет абсорбера.....................................................................................................21

3.1 Материальный баланс.........................................................................................21

3.2 Определение скорости газа и диаметра абсорбера..........................................24

3.3 Определение высоты насадочной колонны......................................................26

3.4 Расчет гидравлического  сопротивления насадки.............................................29

3.5 Анализ результатов.............................................................................................30

Заключение.................................................................................................................40

Литература..................................................................................................................41

Приложение А............................................................................................................42

Приложение Б............................................................................................................43

 

Введение

 

 В химической промышленности  осуществляются разнообразные процессы, в которых исходный материал в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, обычно включают и многочисленные физические (в том числе механические) и физико-химические процессы.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом. Если поглощаемый газ – абсорбтив - химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.

Абсорбционные методы очистки позволяют в основном комплексно извлечь загрязнения. К их преимуществам относится возможность глубокой очистки значительного количества газа при невысоком расходе адсорбента. Кроме того, отпадает опасность вторичного загрязнения  очищаемых газов [1].

Целью проекта является выработка навыков к ведению  технического расчета и проектирования химического оборудования стадии абсорбции.

 

 

1 Общие сведения об  адсорбционных аппаратах

 

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом. Если поглощаемый газ – абсорбтив - химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют инертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции.

Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами или нагреванием.

Сочетание абсорбции  и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования.

В промышленности абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1)  для получения  готового продукта (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция НС1 с получением хлороводородной кислоты, абсорбция оксидов азота водой в производстве азотной кислоты и т. д.); при этом абсорбцию проводят без десорбции;

2)  для выделения  ценных компонентов из газовых  смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа; абсорбция ацетилена из газов крекинга или пиролиза природного газа и т. д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

3)  для очистки газовых  выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO₂, очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений и т. д.). Очистку газов от вредных примесей адсорбцией используют также применительно к технологическим газам, когда присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа  (например,   очистка  коксового  и  нефтяного   газов  от  H₂S, очистка азотоводородной смеси для синтеза аммиака от СО₂ и СО и т. д.). В этих случаях извлекаемые из газовых смесей компоненты обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

4) для осушки газов,  когда в абсорбционных процессах  (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы - жидкая и газовая - и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (при абсорбции) или наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции), причем инертный газ и поглотитель являются только носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не участвуют [1].

Аппараты, в которых  проводят процессы абсорбции, называют абсорберами [1].

 

2 Устройство  и принцип действия абсорберов

 

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает  на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорбционные аппараты - абсорберы - должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами. По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: 1) пленочные; 2) насадочные; 3) тарельчатые; 4) распыливающие [1].

2.1 Пленочные абсорберы

 

В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

По устройству трубчатый  абсорбер аналогичен кожухотрубчатому теплообменнику. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. В абсорберах с большим числом труб для улучшения распределения абсорбента по трубам применяют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой пленке. В случае необходимости отвода теплоты абсорбции в межтрубное пространство абсорбера подают охлаждающий агент (обычно воду).

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой представлен на рис.1. Пакет листовой насадки 1 в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластические массы, натянутая на каркас ткань и др.) помещают в колонну (абсорбер). В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства 2 для обеспечения равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон [1].

Пленочные противоточные  колонны работают при скоростях  газа, не превышающих скорости захлебывания. Начало захлебывания (подвисания) характеризуется  резким возрастанием гидравлического  сопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости. При небольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполняться жидкостью, через которую барботирует газ. При дальнейшем повышении скорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку. Гидравлическое сопротивление этих абсорберов мало, поскольку в пленочных абсорберах практически отсутствуют потери напора на преодоление местных сопротивлений. Поэтому пленочные противоточные аппараты   целесообразно   применять при больших производительностях по газу, необходимости малых гидравлических сопротивлений и сравнительно невысокой степени извлечения компонентов.

Рис. 1 Пленочный абсорбер с плоскопареллельной (листовой) насадкой: 1 – пакеты листовой насадки; 2-распределительное устройство.

Пленочный абсорбер с  восходящим движением пленки состоят из пучка труб, закрепленных в трубных решетках. Газ проходит через распределительные патрубки, расположенные соосно с трубами. Абсорбент поступает в трубы через щели. Движущийся с достаточно высокой скоростью газ увлекает жидкую пленку снизу вверх, т.е. абсорбер работает в режиме восходящего прямотока. По выходе из труб жидкость сливается на верхнюю трубную решетку и выводится из абсорбера. Для снижения брызгоуноса с отходящим газом в абсорбере устанавливаются брызгоотбойники. С целью охлаждения абсорбента в межтрубное пространство подают охлаждающий агент. Для повышения эффективности процесса применяют многоступенчатые абсорберы подобного типа [1].

В аппаратах с восходящим потоком жидкости можно создавать  очень высокие скорости газа (порядка  десятков метров в секунду), коэффициенты массопередачи при этом существенно  возрастают, но одновременно с этим сильно растет их гидравлическое сопротивление. Последнее обстоятельство затрудняет широкое применение этих аппаратов для проведения процессов абсорбции при невысоких давлениях в системе [1].

 

 

 

2.2 Насадочные абсорберы

 

Насадочные абсорберы  получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне 1 (рис. 2) насадка 3 укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз. Однако равномерного распределения жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Из этого следует, что жидкость практически полностью оттесняется от места ввода абсорбента к периферии колонны на расстоянии, равном четырем-пяти ее диаметрам. Поэтому часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять диаметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 2), назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны к ее оси [1].

Рис.2  Насадочные абсорберы: а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1-корпуса; 2 -распределители жидкости; 3-насадка; 4-опорные решетки; 5-перераспределитель жидкости; б-гидравлические затворы; в - эмульгационная насадочная колонна: 1-насадка; 2-сетка, фиксирующая насадку; 3-гидравлический затвор; 4-опорная решетка; 5-распределитель газа