Расчет насадочного абсорбера

Широкое распространение  в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы.

В насадонной колонне  жидкость течет по элементу насадки  главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется Новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

 

 

Рисунок    Насадочный абсорбер:

1 – насадки, 2 – опорная  решетка, 3 – распределитель жидкости, 4 – перераспределитель жидкости.

 

В насадочной колонне  насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом — большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

Гидродинамические режимы. Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Эти режимы видны из графика (рис. XI-13), выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне.

Первый режим —  пленочный — наблюдается при  небольших плотностях орошения и  малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка А, рис. XI-13), называемой точкой подвисания.

 

 

 

Рисунок   Зависимость  гидровлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне

1 – сухая насадка, 2 – орошаемая насадка

 

Второй режим —  режим подвисания. При противотоке  фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения  фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно — интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке В, причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.

Третий режим —  режим эмульгирования — возникает  в результате накопления жидкости в  свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью  и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ — дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает, этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС.

Режим эмульгирования соответствует  максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.

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    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    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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 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