Абсорбционная установка для извлечения NH3 из смеси с воздухом

W_факт = 4*h/π*d²,      (45)

W_факт = 4*6,158*10^-3/3,14*(0,052)² = 2,944 м/с.

      Определение потерь на трение и местные сопротивления.

      Критерий  Рейнольдса определяется по формулам: 

      (46)

где ρ  – плотность воды, кг/м³;

μ –  вязкость воды, Па*c.

Re = 0,052*2,944*998/0,0013*10^-3 = 117524,48.

      Следовательно режим течения турбулентный. Принимаем  абсолютную шероховатость Δ = 0,1 мм. Относительная шероховатость определяется по формуле:

,        (47)

e = 10^-4/0,052 = 0,00192.

      Далее получим: 1/е = 521; 560/е = 291667 и 10/е = 5208.

5208 <Re< 291667.

      Таким образом, в трубопроводе имеет место  смешанное трение.

      Коэффициент трения рассчитываем по формуле:

      Определяем  сумму коэффициентов местных  сопротивлений. Для всасывающей  линии:

1. Вход в трубу с острыми краями, ξ = 0,5;
2. Прямоточный вентиль, d = 0,052, ξ = 0,77;
3. Отвод под углом 90о, А = 1,0; В = 0,21; ξ = 1*0,21 = 0,21.

     Сумма местных сопротивлений во всасывающей  линии считаем по формуле:

     (49)

      Для нагревательной линии:

1. Выход из трубы: ξ₁ = 1;
2. Прямоточный вентиль: ξ₂ = 0,77.

     Сумма местных сопротивлений в нагревательной линии:

_н = 1+ 0,77 = 1,77.

      Найдем  потерянный напор во всасывающей  и нагнетательной линиях по формуле:

hп = ,      (50)

hпвсас = ((0,025/0,052) + 2,25)*(2,944)²/2*9,81 = 1,206 м/с;

hпнагн = ((0,025/0,052) + 1,77)*(2,944)²/2*9,81 = 0,99 м/с.

      Общие потери напора:

hп = hпвсас + hп начн = 1,206 + 0,99 = 2,196 м/с.

6.1.2 Трубопровод для  газовой смеси

      Примем  скорость газовой смеси w = 15 м/с. Тогда диаметр трубопровода по формуле (44):

м = 409 мм.

      Выбираем  стальной трубопровод наружным диаметром  d = 426 мм и толщиной стенки 11мм, тогда внутренний диаметр равен 404 мм. Сталь марки 40Х.

      Фактическая скорость в трубе находится по формуле (45):W = 4*5,125/3,14*(0,404)² = 40 м/с.

6.1.3 Трубопровод для  смеси NH3 с водой.

      Так как в смеси содержится больше жидкости, чем газа, то трубопровод  рассчитываем как для жидкой фазы. Диаметр трубопровода для смеси  аналогичен диаметру трубопровода для  абсорбента и равен 0,0626 м. Следовательно  выбираем трубу из углекислой стали  с наружным диаметром 57 мм и толщиной стенки 2,5 м, тогда внутренний диаметр  будет равен 0,052 м. Материал – сталь 40Х.

      Фактическая скорость аналогична и равна 2,944 м/с.

      Критерий  Рейнольдса определяем по формуле:

Re = d*w*ρ_cм/μ_см,      (51)

где ρ_cм – плотность смеси, равная 1253 кг/м³;

μ_см– вязкость смеси, равная 0,971 Па*c.

      Re = 0,052*2,944*1253/0,971*10^-3 = 197548

      Режим течения турбулентный. Относительная  шероховатость е = 0,00192, 1/е = 521, 560/е = 291667, 10/е = 5208. Тогда 5208<197548<291667. В трубопроводе смешанное трение.

      Коэффициент трения рассчитывается по формуле (48):

α = 0,11*(1,29*10^-3+ 68/197548)^0,25 = 0,0239.

      Далее аналогично как для расчета трубопровода для абсорбента. То есть сумма местных  сопротивлений во всасывающей линии: , на нагнетательной линии н = 1,77, потерянный напор во всасывающей линии hп всас = 0,63 м/с, на нагнетательной hп нагн = 0,99 м/с. Общие потери напора hп = 2,196 м/с.

6.1.4 Трубопровод для  водяного пара

     Для расчета диаметра трубопровода примем расход пара равный расходу смеси  NH₃ и H₂O равного 6,158*10^-3 м/с. Скорость пара при насыщенном давлении 1,01*10⁵ Па примем 25 м/с.

     Диаметр трубопровода рассчитывается по формуле (44):

м = 17 мм.

      Выбираем  трубу из углеродистой стали с  наружным диаметром 18 мм и толщиной стенки 2 мм, тогда внутренний диметр равен 14 мм. Сталь марки – Ст.3.

      Фактическая скорость пара в трубе определяется по формуле (45):

w_факт = м/с.

6.1.5 Трубопровод для  конденсата

      По  диаметру условного прохода конденсатоотводчика  Dy=50мм из таблицы "Рекомендуемой сорбент бесшовных труб (ГОСТ 8734-75 и ГОСТ 8732-78) для технологических трубопроводов" выбираем трубопровод для конденсата:наружный диаметр 57мм и толщина стенки 3 мм, тогда внутренний диаметр будет равен 0,051м. Материал - сталь Х8.

      Фактическая скорость пара в трубе определяется по формуле (45):

wфакт = м/с.

      Определение потерь на трение и местные сопротивления.

      Критерий  Рейнольдса определяется по формуле (46):

     Следовательно режим течения турбулентный. Принимаем  абсолютную шероховатость Δ = 0,1 мм. Относительная шероховатость определяется по формуле:

е = 10^-4 /0.051 = 0.00196  

     Далее получим: 1/е = 510, 560/е = 285714 и 10/е = 5102.

5102<Re<285714.

Таким образом, в трубопроводе имеет место  смешанное трение. Коэффициент трения рассчитываем по формуле (48):

а = 0,11(1,96*10^-3 + 68/11784,84)^0,25= 0,0022.

     Далее аналогично как для расчёта трубопровода для абсорбента. То есть сумма местных  сопротивлений во всасывающей линии , на нагнетательной линии н = 1,77, потяренныйнапорвовсасывающейлинииhп всас = 1,206 м/с, на нагнетательной hп = нагн = 0,99 м/с. Общие потери напора: hп = 2,196 м/с.

6.2 Подбор вентилятора

     По  заданной производительности выбираем газодувку для подачи исходной газовой  смеси в абсорбер с объёмной производительностью 16000 м³/ч или 4,44 м³/с. Из таблицы "Технические характеристики газодувок" [2, с. 42] выбираем газодувку марки ТГ – 300 - 1,18, рассчитанную на производительность 4,44 м³/с, pgh = 18000 Па, п = 50,0с^-1. Тип электродвигателя: ВАО - 315М - 2, мощностью N_h = 160кВт. 
 

6.3 Подбор насосов

     В данной технологической схеме необходимы 3 насоса: первый для перекачки воды, обогащённый NH₃, из абсорбера в десорбер; второй - для перекачки регенерированной воды из десорбера в ёмкость; третий — для подачи воды из ёмкости в абсорбер.

     Сначала подберем насос для подачи воды в  абсорбер. Определим напор насоса:

Hг + hп,     (52)

где р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость;

р₂ - давление в аппарате в который подаётся жидкость;

Н_г - геометрическая высота подъёма жидкости;

hn — суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линии.

      Геометрическая  высота подъема воды – самая большая  по сравнению с другими линиями. Примем ее 10 м.

      Тогда:

м. вод. ст.

     Такой напор при заданной производительности обеспечивает одноступенчатый центробежный насос. По таблице "Технические характеристики центробежных насосов" [1, с.38] выбираем насос марки Х20/31, рассчитанный на производительность 5,5*10^-3 м²/с, с напором равным 25 м.ст. жидкости, n = 48,3 с^-1, η_н = 0,55, с типом электродвигателя А02-41-2, мощностью Nн = 5,5 кBт, η_дв = 0,87.

6.4 Подбор емкостей

      Для расчёта и выбора ёмкостного аппарата необходимо знать запас хранения жидкости и физические свойства жидкости (плотность, коэффициент объёмного  расширения).

     Необходимо  определить объём заливаемой жидкости (м³) по уравнению [5, с.61].

Vж = Gж/р,      (53)

где Gж - масса жидкости, кг;

р - плотность жидкости, кг/м³.

     Условный  объём аппарата:

Vу=Vж/φ,        (54)

гдеφ - коэффициент заполнения (при спокойном состоянии жидкости:

φ=0,7-0,85, при вспенивании и кипении:φ = 0,4-0,6).

     Нам понадобится ёмкость для сбора  воды.

     По  расчётам определён расход поглотителя  L = 6,158кг/с и плотность воды 998 кг/м³.

     Можем найти рабочую ёмкость, определив  предварительно секундный объём  материалов, протекающих через аппарат: Vсек = 6,158/998 = 0,0062м³/с.

     Рабочая ёмкость аппарата (м³):

V_раб = Vсек*τ,      (55)

где V_сек – секундный объем;

τ –  время, с.

     Целесообразно брать время равное продолжительности  одной рабочей смены, то есть 8 часов  или 28800 секунд.

     Тогда рабочий объём: Vраб = 0,0062*28800=178,56 м³.

     

     

     Рассчитываем  условный объём аппарата с учётом коэффициента заполнения, который примемφ = 0,75.

Vy = 178,56/0,75 = 238,08 м³.

     Из  таблицы приведённой [5, с.76, 7, с.373] выбираем ёмкость представляющую сварной  горизонтальный аппарат с двумя  отбортованными днищами.

     Габариты  ёмкости: начальная ёмкость V_ном = 200 м³. Внутренний диаметр D_вн = 4000мм, длина аппарата h =16600мм, длина цилиндрической обечайки равна 14500мм.

     Материал  из которого изготавливается ёмкость  – сталь, марка - Ст 3.

6.5 Подбор ректификационной  колонны

     Примем  ориентировочный диаметр колонны, равный диаметру абсорбера, и высоту, равную высоте абсорбера.

     Площадь сечения абсорбера рассчитываем по формуле [5, с. 133].

S = G_см / w_газа,     (56)

где G_cм - расход инертной части газа;

w_газа - скорость газа.

S = 5,125/5,11 = 0,9 м².

     Так как:

,       (57)

то диаметр  колонны:

,       (58)

м.

     Из  стандартного ряда колонн, принятых в  химической промышленности выбираем колонну диаметром 1000мм.

6.6 Подбор подогревателя

      Обогрев воды, обогащенной NH₃, ведем водой из ректификационной колонны с температурой 100 ^оС. Воду направляем в трубное пространство, а воду с NH₃ – в межтрубное пространство.