Розрахунок та проектування абсорбційної установки

                             Міністерство освіти і науки , спорту і молоді України

                              Національний університет  “ Львівська політехніка ”

                                                                                                       Кафедра хімічної інженерії

                   Пояснювальна записка до курсового проекту

                                  з  курсу ПАФВ на тему:

                          “ Розрахунок та проектування

                                    абсорбційної установки ”

Проектувала

студ. гр. ФР-32

                                                                                                                 Живчин М.О.

Керівник проекту

проф. Дубинін А.І.

Проект захищений

                                                                                                  з  оцінкою

              Комісія :

                                                    Львів 2011

Завдання на проектування.

Розрахувати та запроектувати тарілчастий абсорбер для вловлювання H2S з повітряної суміші водою, продуктивністю 500 м3/год. по газовій суміші за нормальних умов. Вміст H2S в суміші на вході в абсорбер становить 7.8 % об., ступінь вловлювання с0= 90 %. Абсорбція проводиться при середній температурі Тсер = 150С. Тиск газу, який надходить на абсорбцію необхідно вибрати та обґрунтувати. Тип тарілок тарілчастої колони – решітчасті.

                                                           ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………….

1.      Літературний огляд…………………………………………………………..

1.1.           Теоретичні основи абсорбції…………………………………………

1.2.           Порівняльна характеристика апаратів для здійснення

          процесу абсорбції……………………………………………………...

1.3.           Конструкція апарату та його робота…………………………………

1.4.           Основні властивості робочих середовищ……………………………

2.      Опис технологічної схеми установки………………………………………

3.      Технологічний розрахунок…………………………………………………..

3.1.           Маса сірководню, яка поглинається за одиницю часу, і

         витрата води на абсорбцію……………………………………………

3.2.           Рушійна сила масопередачі…………………………………………..

3.3.           Швидкість газу і діаметр абсорбера…………………………………

3.4.           Розрахунок висоти колони…………………………….......................

3.4.1.     Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної

          площі тарілок і числа тарілок…………………………………..

3.4.2.     Вибір відстані між тарілками й визначення висоти

абсорбера…………………………………………………………

4.      Гідравлічний розрахунок……………………………………………………

4.1.           Гідравлічний опір сухої тарілки…………………………………….

4.2.           Гідравлічний опір газорідинного шару на тарілці…………………..

4.3.           Гідравлічний опір, обумовлений силами поверхневого натягу……

4.4.           Повний гідравлічний опір тарілки і колони в цілому………………

5.      Конструктивний розрахунок……………………………………………….

5.1.           Товщина обичайки…………………………………………………….

5.2.           Днище………………………………………………………………….

5.3.           Фланці………………………………………………………………….

5.4.           Штуцери……………………………………………………………….

5.5.           Опора…………………………………………………………………..

6.      Заходи для охорони довкілля………………………………………………

7.      Висновки……………………………………………………………………….

Список використаної літератури………………………………………………

                                               ВСТУП

   В хімічній промисловості проводяться різноманітні процеси, в яких вхідні матеріали в результаті хімічної взаємодії проходять через різні перетворення, які супроводжуються зміною агрегатного стану, внутрішньої структури і складу речовини. Поруч з хімічними реакціями, які є основою хіміко-технологічних процесів є і фізико-хімічні процеси. До таких процесів відносяться : перемішування рідин і твердих матеріалів , подрібнення, стиснення і транспорт газів, нагрівання і охолодження рідин, їх перемішування, розподіл рідких і газових неоднорідних сумішей, випаровування  сумішей, сушка матеріалів , а також багато інших. При цьому спосіб проведення вказаних процесів  часто обирається по можливості виконання, ефективності і рентабельності промислового процесу в цілому.

Одним із основних процесів є абсорбція. Області застосування абсорбційних процесів в промисловості досить поширені: одержання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною ( наприклад, абсорбція SO3  при одержанні сірчаної кислоти, при цьому абсорбцію проводять без десорбції ), видалення цінних компонентів із газових сумішей ( наприклад, абсорбція бензолу із коксового газу, при цьому поєднується абсорбція з десорбцією ), очищення газів від шкідливих включень, сушка газів, коли в абсорбційних процесах беруть участь дві фази  ( рідка і газова ) і проходить перехід речовини із газової фази в рідку або навпаки, при цьому інертний газ і поглинач в масообміні не беруть участь.

   Апарати, в яких проходять процеси абсорбції, називають абсорберами.

1. Літературний огляд

1.1.Теоретичні основи абсорбції.

    Абсорбція –  фізико-хімічний процес поглинання речовин з розчинів чи сумішей газів твердими тілами або рідинами з утворенням розчинів.

При абсорбції поглинання речовини відбувається всім об’ємом поглинача. Абсорбція знаходить широке застосування в техніці, головним чином для розділення газоподібних сумішей на складові частини шляхом розчинення одного чи декількох компонентів цієї суміші в рідині, яка називається   абсорбентом. Фізична сутність процесу абсорбції пояснюється плівковою теорією, згідно з якою при стиканні рідини і газоподібних речовин  на поверхні розділення обох фаз утворюються рідинна і газова плівки. Розчинний в рідині компонент газоподібної суміші проникає шляхом дифузії спочатку крізь газову плівку,  а потім крізь рідинну і надходить у внутрішні шари адсорбенту. Для здійснення дифузії необхідно, щоб концентрація розчиненого компоненту в газовій суміші перевищувала його рівноважну концентрацію над рідиною.

Якщо концентрація розчинного компонента в газоподібній суміші менша його рівноважній концентрації над рідиною, дифузія відбувається у зворотному напрямку. В цьому випадку замість поглинання розчиненого компоненту відбувається виділення його з розчину в газоподібному стані. Такий процес називається десорбцією і застосовується в техніці для витягання поглинених речовин з абсорбенту.

Протікання абсорбційних процесів характеризується їх статикою і кінетикою.

  Статика абсорбції: рівновага між  рідкою і газовою фазами  створюється за допомогою тривалого контакту фаз. Рівновага між фазами встановлюється термодинамічними властивостями компонента і поглинача, і залежить від складу однієї із фаз, температури і тиску.

  Кінетика абсорбції: швидкість процесу масообміну встановлюється рушійною силою процесу( ступінь відхилення системи від рівноважного стану), властивостями  поглинача, компонента і інертного газу, а також способом  контакту фаз ( схемою абсорбційної установки і гідродинамічним режимом його роботи). В абсорбційних апаратах рушійна сила, як правило, змінюється по довжині і залежить від характеру взаємного руху фаз. В абсорберах з непереривним контактом характер руху фаз не міняється по довжині апарату і зміни рушійної сили проходять безперервно. Абсорбери із ступінчастим контактом складаються із декількох ступенів, послідовно з’єднаних по  газу і рідині, при цьому переході із ступеня на ступінь відбувається скачко подібні зміни рушійної сили.

Розрізняють фізичну абсорбцію і хемосорбцію. При фізичній абсорбції розчинення газу не супроводжується хімічною реакцією ( або ця реакція не має помітного впливу на процес ). В даному випадку над сумішшю існує більш менш нормальна рівновага тиску компонента і поглинання його проходить лише до того часу, поки його парціальний тиск в газовій фазі вище рівноважного тиску над сумішшю. Повне вилучення компоненту із газу при цьому можливе тільки при протилежному потоці і подачі в абсорбер чистого поглинача, який не містить в своєму складі компонента.

  При хемосорбції ( абсорбція супроводжується хімічною реакцією) компонент, що абсорбується, зв’язується в рідкій фазі у вигляді хімічного з’єднання. При необоротній реакції рівновага тиску компонента над сумішшю дуже мала і можливе його повне поглинання. При оборотній реакції над сумішшю існує значний  тиск компонента, хоча і менший, ніж  при фізичній абсорбції.

  Промислове проведення абсорбції може бути  пов’язане або не пов’язане з десорбцією. Якщо десорбцію не проводять, то поглинач використовується однократно. При цьому в результаті абсорбції дістають готовий продукт, напівпродукт .

Області використання абсорбційних процесів в хімічній і суміжних видах промисловості доволі поширені. Деякі з цих областей вказані нижче:

1.      Отримання готового продукту шляхом поглинання газу рідиною. Прикладами можуть  служити: абсорбція SO3 при виготовлені сірчаної кислоти; абсорбція HCl із одержанням соляної кислоти і т.д. При цьому абсорбція проводиться без застосування десорбції.

2.      Розділення газових сумішей для виділення одного або декількох цінних компонентів суміші. В цьому випадку поглинач повинен  володіти більшою поглинаючою властивістю по відношенню до видаляю чого компоненту і меншою по відношенню до других частин газової суміші. При цьому зазвичай абсорбцію поєднують  з десорбцією в круговому процесі. В якості приклада можна привести абсорбцію бензолу із коксового газу і т.п.

3.      Вловлювання цінних компонентів із газової суміші для того щоб протистояти їх втраті, а також із огляду на санітарію. [1]

1.2. Порівняльна характеристика апаратів для здійснення процесу        абсорбції.

       При абсорбційних процесах масообмін проходить на поверхні контакту фаз. Тому абсорбційні апарати повинні мати розвинуту поверхню контакту між газом і рідиною. Виходячи із способу створення цієї поверхні абсорбційні апарати можна поділити на наступні групи:

  а)  Поверхневі абсорбери, в яких поверхня контакту між фазами являє собою дзеркало рідини  або поверхню текучої плівки рідини. До цієї ж групи відносяться насадкові абсорбери, в яких рідина стікає по поверхні загруженої в абсорбер насадки із тіл різноманітної форми ( кільця, кусковий матеріал і т.п.) , і механічні плівкові абсорбери. Для поверхневих абсорберів поверхня контакту встановлюється геометричною поверхнею елементів абсорбера ( наприклад, насадки) , хоча в багатьох випадках і не рівна їй.

б) Барботажні абсорбери, в яких поверхня контакту розвивається потоками газу, який розприділяється в рідині у вигляді бульбашок. Такий рух газу (барботаж ) здійснюється шляхом пропускання  його через заповнений рідиною апарат, або в апаратах колонного типу з різноманітними видами тарілок. В цю ж групу входять барботажні абсорбери з перемішуванням рідини механічними мішалками. В барботажних абсорберах поверхня контакту визначається гідродинамічним режимом ( розходами газу і рідини).

в) Розпилюючі абсорбери, в яких поверхня контакту створюється шляхом розпилення рідини в масі газу на маленькі краплі. Поверхня контакту визначається гідродинамічним режимом ( розходом рідини). До цієї групи відносяться абсорбери, в яких розпилення рідини проводиться форсунками, або механічними пристроями, які обертаються.

   Приведена класифікація абсорбуючих апаратів являється умовною, оскільки відображає не стільки конструкцію апарату, а характер поверхонь контакту. Один і той же тип апарату в залежності від умов роботи може опинитися при цьому в різних групах. Наприклад: насадкові абсорбери можуть працювати як в плівковому, так і в барботажному режимах.

  Із різноманітних типів апаратів в наш час найбільш розповсюдженими є насадкові і барботажні тарілкові абсорбери. При виборі типу абсорбера  необхідно в кожному конкретному випадку виходити із фізико-хімічних умов проведення процесу з врахуванням техніко-економічних факторів. [5] 

1.3. Конструкція апарату та його робота.

1.4. Основні властивості робочих середовищ.

Сірководень — безбарвний газ із неприємним за­пахом. Важчий за повітря. Розчиняється у воді. Його па­ра утворює з повітрям вибухонебезпечні суміші.

Сірководень трохи важчий за повітря, суміш H2S і повітря — вибухонебезпечна. Сірководень у кисні горить синім полум'ям, з утворенням SO2 і води. Загалом сірководень діє як відновник. При високій температурі або в присутності каталізатора, сірководень розкладається на елементарну сірку та воду. Ця реакція відома процес Клауса, основний спосіб перетворення сірководню в елементарну сірку.

Молекулярна маса H2S = 34,1 кг/моль

Знаходження в природі

Сірководень зустрічається у вулканічних газах, а також у воді деяких мінеральних джерел — П'ятигорська і Мацести (на Кавказі), Любеня Великого (Львівська область) і інших. Природні сірководневі води використовуються для лікування. Сірководень завжди утворюється при гнитті залишків рослинних і тваринних організмів і розкладі інших органічних речовин, до яких входить сірка. Тому неприємний запах сірководню поширюється від вигрібних ям, стічних вод і особливо від тухлих яєць. Але у великих кількостях у природі сірководень не накопичується, бо він легко окиснюється киснем повітря і розкладається. Гази, що містять сірководень, можуть бути присутні в шахтній атмосфері, при видобуванні і переробці сірчистих нафт і в ряді інших випадків. Особливо треба бути уважними при роботі   у вигрібних ямах та каналізаційних колодязях, місцях видобутку нафти та газу, де ймовірність накопичення цієї речовини максимальна.