На засіданні кафедри процесів

На засіданні кафедри процесів

та апаратів хімічної технології.

Протокол №10 від 30.05.2009.

Дніпропетровськ ДВНЗ УДХТУ 2010

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з курсу “Основні процеси та апарати хімічної технології”. Розділ «Абсорбція» для студентів ІІІ-V курсів усіх спеціальностей і форм навчання / Укл.: О.О. Тертишний, С.О. Опарін, П.В. Рябік. – Дніпропетровськ: ДВНЗ УДХТУ, 2010. – 45 с.

Укладачі: О.О. Тертишний, канд. техн. наук

С.О. Опарін, канд. техн. наук

П.В. Рябік, канд. техн. наук

Відповідальний за випуск П.Г. Сорока, доктор техн. наук

В методичних вказівках на прикладі розрахунку абсорбційної установки для одержання аміачної води з газової суміші, розглянуто особливості процесу абсорбції у випадку, коли він не підкоряється закону Генрі і супроводжується значним тепловиділенням. Звернуто увагу на особливості конструктивного розрахунку насадкового абсорбера.

Навчальне видання

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з курсу

“Основні процеси та апарати хімічної технології”. Розділ «Абсорбція»

Укладачі: ТЕРТИШНИЙ Олег Олександрович

ОПАРІН Сергій Олександрович

РЯБІК Павло Васильович

Редактор Л.М. Тонкошкур

Коректор Л.Я. Гоцуцова

Підписано до друку 21.06.10. Формат 60×84 ¹/₁₆. Папір ксерокс. Друк різограф. Ум.–друк. арк. 2,04. Обл.-вид. арк. 2,11. Тираж 70 прим. Зам. № 164. Свідоцтво ДК № 303 від 27.12.2000.

ДВНЗ УДХТУ,49005, Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 8.

Видавничо-поліграфічний комплекс ІнКомЦентру

ЗАВДАННЯ НА ПРОЕКТУВАННЯ

Розрахувати абсорбційну установку для одержання аміачної води із вмістом аміаку 25 мас.% шляхом вилучення аміаку водою із реакційної суміші, яка надходить з установки синтезу.

Вихідні дані для проектування:

– витрата реакційної суміші, V₀ = 12000 нм³/год;

– склад реакційної суміші, у_і, об. %;

– у_Н ₂=47,1; у_Аr= 4,5; у_N₂ =21,5; у _СН₄=10,9; у_NН₃ =16,0;

– абсорбент – хімічно очищена вода з початковою температурою t_п= 10⁰С;

– ступінь вилучення аміаку, С_в=0,90;

– робочий тиск в абсорбері, Π = 0,5 МПа;

– основний апарат, який проектується – насадковий абсорбер.

ВСТУП

Відповідно до завдання, необхідно виконати розрахунки абсорбційної установки для вилучення аміаку із азото-водневої суміші з одержанням в якості кінцевого продукту аміачної води. Таким чином, у процесі розглядаються чотири середовища: аміак, азото-воднева суміш, вода та аміачна вода.

Аміак одержують із азоту і водню в результаті каталітичної реакції при підвищеному тиску і температурі.

Реакція зворотна. При одноразовому проходженні реакційної суміші через каталізатор ступінь перетворення складає 15 ÷ 25% від рівноважної концентрації [1, 2]. Тому в промислових умовах утворений аміак вилучають, а газ, що не прореагував, повертають знов у колону синтезу разом із свіжою порцією азото-водневої реакційної суміші. В залежності від робочого тиску процесу аміак вилучають або в процесі зрідження з наступною сепарацією, або вимиванням водою в абсорберах. Близько 10% аміаку одержують із коксового газу.

Аміак, як товарний продукт випускається в зрідженому стані під тиском, або у вигляді аміачної води.

Аміак безбарвний газ з різким запахом, температура кипіння при атмосферному тиску, t_кип = - 33,35⁰С; середня теплоємність у газовому стані, с_р = 35,63 Дж/моль·К; добре розчиняється у воді; диференційна теплота розчинення q_д = 2070 кДж/кг [2, 3].

Аміак сильно подразнює слизисті оболонки. При гострому отруєнні пошкоджуються очі, дихальні шляхи, слух, органи травлення. Рідкий аміак викликає сильні опіки. Гранично допустима концентрація – ГДК = 20 мг/м³. Аміак застосовують у виробництві НNО₃; NН₄NО₃; (NН₄)₂СО₃; (NН₄)SО₄; амофосу, уротропіну; в якості рідкого добрива.

Вода, яка використовується в даному процесі має природне походження, але попередньо хімічно очищається та охолоджується. При цьому її температура знижується до 5 ÷ 10⁰С. Середня теплоємність води в інтервалі температур 0 ÷ 100⁰С, с_р = 4,19 кДж/кг·К. Густина води змінюється, відповідно, від 1000 кг/м³ до 958 кг/м³. В’язкість зменшується від 1,79 мПа·с до 0,284 мПа·с.

Вода присутня в складі багатьох товарних продуктів, є одним із реагентів, являється ефективним теплоносієм і добрим абсорбентом.

Азото-водневу суміш для синтезу аміаку одержують у результаті змішування водню з повітрям у необхідному співвідношенні. Водень надходить з установок конверсії метану після його очищення від вуглекислого газу.

Азото-воднева суміш в абсорбційному процесі одержання аміачної води розглядається, як інертний газ-носій. Необхідні для розрахунків фізико-хімічні властивості інертного газу визначаються відповідно до встановленого складу і властивостей індивідуальних компонентів.

Аміачну воду одержують абсорбцією аміаку водою в барботажних або насадкових абсорберах з концентрацією 25 мас. %. Крім цього аміачну воду одержують із сирого коксового газу. Спочатку утворюється слабка або скруберна аміачна вода, яка після дистиляції з водяною парою і дефлегмації укріплюється до 18÷18,5 мас. %. Зберігають та транспортують аміачну воду в сталевих цистернах, баках або скляних бутилях.

Аміачна вода прозора, інколи з жовтуватим відтінком та різким запахом. Густина 18÷25% розчину коливається в межах 930 ÷ 910 кг/м³ при 15⁰С.

Аміачну воду застосовують у виробництві барвників, соди, у електролітичному виробництві марганцю, як добриво, для амонізації кормів у тваринництві.

ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

Абсорбція – процес поглинання газу або пари (абсорбтиву) рідкими поглиначами (абсорбентами). Зворотній процес виділення газу із одержаного розчину називається десорбцією.

При фізичній абсорбції абсорбтив хімічно не взаємодіє з абсорбентом. Якщо в процесі абсорбції утворюються хімічні сполуки, то маємо хемосорбцію.

Об'єднання в одній технологічній схемі процесів абсорбції і десорбції дозволяє виділяти газові або парові компоненти у чистому вигляді.

У даному випадку десорбція не потрібна тому, що цільовим продуктом є аміачна вода.

Матеріальний баланс процесу

Відповідно до завдання необхідно визначити об'ємну та масову витрату компонентів, їх об'ємну (мольну) частку у вихідній реакційній суміші та в інертній частині газу-носія згідно з виразами [4]:

, (2.1)

де V_оі – об'ємна витрата і-го компонента в газовій фазі при нормальних умовах, нм³/год;

у_і – об'ємна (мольна) частка відповідного компонента в газовій фазі, кмоль у_і/кмоль газової суміші.

(2.2)

де G_і – масова витрата і-го компонента в газовій фазі, кг/год;

ρ_оі – густина і-го компонента при нормальних умовах, кг/м³.

, (2.3)

де – сумарна об'ємна витрата інертної частина газової фази при нормальних умовах, нм³/год;

– об'ємна витрата аміаку в складі реакційної суміші при нормальних умовах, нм³/год.

, (2.4)

де – об'ємна (мольна) частка і-го компонента в складі інертного газу-носія без аміаку кмоль аміаку /кмоль інертного газу.

Середня молекулярна маса інертного газу-носія М_і..г. визначається за формулою:

, (2.5)

де М_і – молекулярні маси відповідних компонентів інертного газу-носія, кг/кмоль.

Результати розрахунків наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Об'ємна і масова витрата компонентів та їх відповідна

концентрація у вихідній реакційній суміші та інертній частині газу-носія

Склад газу	Об'ємна (мольна) частка і-го компонента у вихідно-му газі, у_і	Об'ємна витрата газу, V_оі, нм³/год	Густина і-го компо-нента при нор-маль-них умовах [6] ρ_оі, кг/м³	Масова витрата компонента, G_і, кг/год	Об'ємна (мольна) частка і-го компонента за відно-шенням до інертної частини газу без NН_3,	Молекулярна маса і-го компонента та середня молекупяр-на маса інертного газу-носія, [6] М_і, М_і.г. кг/кмоль
Н₂ Ar N₂ СН₄	0,471 0,045 0,215 0, 109	5652 540 2530 1308	0,0899 1,78 1,25 0,72	508,11 961,20 3225,00 941,76	0,5606 0,0536 0,2560 0, 1298	2,02 39,9 28,0 16,0
Всього за інер-тною части-ною газу			-	5636,77 (1,566кг/с)	1,0	М_і.г.=12,52
NН₃	0,16		0,77	1478,40 (0,41 кг/с)	-	17
Всього за ви-хідною газовою сумішшю	1,0	12000 (3,333 нм³/с)		7114,47 (1,976 кг/с)		М_сум.=13,24

Для відображає вмісту аміаку у відносних масових концентраціях в газовій фазі і рідинній використовують наступні формули [6]:

, (2.6)

, (2.7)

де М_NH3, М_і.г_. – молекулярні маси аміаку та інертного газу-носія кг/кмоль;

у – мольна частка аміаку в газовій фазі, кмоль аміаку/кмоль г.сум;

– масова частка аміаку у воді кг аміаку/кг розчину.

Початковий вміст аміаку у вихідній реакційній суміші:

З урахуванням заданого ступеня вилучення аміаку С_в=0,90, кінцевий вміст аміаку на виході із абсорбера обчислюється за формулою:

, (2.8)

, кг аміаку/кг і.г.

Згідно з завданням масова доля аміаку в аміачній воді на виході із абсорбера повинна складати кг аміаку/кг розчину.

Тоді: .

На вхід абсорбера подається очищена вода без аміаку. Відповідно: .

Матеріальний баланс абсорбера описується рівнянням [6]:

, кг/с. (2.9)

Згідно рівняння матеріального балансу (2.9), маса поглинутого аміаку становить:

М = 5636,77 (0,259-0,0259) = 1313,9 кг NH₃/год;

М = 0,365 кг NH₃/с.

Витрата води:

кг Н₂О/год;

L = 1,095 кг Н₂О/с.

Питома витрата абсорбента ℓ, кг води/кг інертного газу, визначається за рівнянням:

. (2.10)

Звідки можна записати для довільно взятого перерізу абсорбера з поточними параметрами та рівняння робочої лінії процесу абсорбції:

= . (2.11)

Це рівняння прямої лінії, що проходить через точку А, яка відповідає кінцю процесу в нижній частині апарата з координатами і точку В – для початку процесу в верхній частині колони з координатами . Робоча лінія процесу абсорбції розташована вище лінії рівноваги. При десорбції, навпаки, робоча лінія знаходиться нижче лінії рівноваги.

Відповідно до завдання, відомі концентрації аміаку у воді на початку і в кінці процесу, на вході газової фази в абсорбер та ступінь вилучення. Це достатньо для побудови робочої лінії процесу абсорбції. В інших випадках відомі тільки початкові склади газу і рідини та ступінь вилучення компонента. Згідно з цими даними на діаграмі рівноваги в координатах знаходять точку, яка відповідає початку робочої лінії. З неї проводять теоретичну робочу лінію в точку перетину ординати з лінією рівноваги, і визначається . Ситуація, коли робоча лінія торкається лінії рівноваги відповідає мінімальній витраті абсорбента. При цьому рушійна сила процесу внизу абсорбера дорівнює нулю, що призведе до зупинки поглинання абсорбтива. Для цього положення робочої лінії, за формулою (2.10) розраховують мінімальну питому витрату абсорбента ℓ_min. Потім збільшують питому витрату, визначають робочу кінцеву концентрацію абсорбтиву.

Зростання питомої витрати абсорбента викликає ріст енерговитрат на перекачування, охолодження, десорбцію та ін. Вигідну витрату поглинача визначають на основі техніко-економічних розрахунків. На практиці коефіцієнт надлишку абсорбента приймають в межах φ = 1,25÷ 2 [4]. Тоді питома витрата абсорбента складе:

φ· ℓ_min. (2.12)

Кінцева робоча концентрація абсорбтиву в абсорбенті:

(2.13)

Вибір штуцерів

Згідно з розрахунковими розмірами патрубків вибираються нормалізовані штуцери з фланцевим з'єднанням типу шип-паз. На абсорбері встановлюються штуцери з фланцями з пазом [16]:

Основні розміри фланцевих зварних штуцерів для вводу і виводу рідини:

– робочий тиск 0,6 МПа;

– умовний діаметр патрубка d_у = 32 мм;

– зовнішній діаметр фланця d_ф= 120 мм;

– діаметр внутрішнього отвору фланця d_в.о.= 31 мм;

– діаметр розташування болтових отворів d_б.о.=90 мм;

– зовнішній діаметр проточки паза d_п.п.=60 мм;

– ширина паза d = 8 мм;

– товщина фланця h = 12 мм;

– висота з'єднувальної втулки Н = 35 мм;

– довжина патрубка L= 215 мм.

Основні розміри фланцевих зварних штуцерів для вводу і виводу газової суміші:

– робочий тиск 0,6 МПа;

– умовний діаметр патрубка d_у= 350 мм;

– зовнішній діаметр фланця d_ф= 485 мм;

– діаметр внутрішнього отвору фланця d_в.о.= 351 мм;

– діаметр розташування болтових отворів d_б.о.=445 мм;

– зовнішній діаметр проточки паза d_п.п.= 407 мм;

– ширина паза d = 12 мм;

– товщина фланця h = 18 мм;

– висота з'єднувальної втулки Н = 54 мм;

– довжина патрубка L= 250 мм.

При виборі нормалізованих штуцерів, які відповідають робочому тиску в абсорбері, відпадає необхідність перевірки їх на міцність.

5.4. Вибір фланців для з'єднання секцій абсорбера

Для з'єднання секцій абсорбера передбачається застосування в парі нормалізованих плоских фланців з пазом типу виконання-2 і з шипом типу виконання – 3 [16]:

– умовний діаметр d_у=1000 мм;

– робочий тиск 0,6 МПа;

– зовнішній діаметр фланця d_ф= 1130 мм;

– діаметр розташування болтових отворів d_б.о.= 1090 мм;

– зовнішній діаметр шипа d_.ш.= 1050 мм;

– зовнішній діаметр паза d_п = 1052 мм;

– ширина шипа а_ш = 13 мм;

– ширина паза а_п = 15,5 мм;

– товщина фланця h = 40 мм;

– діаметр отворів під болти d_б. = 23 мм;

– число отворів під болти Z = 36.

Вибір люків

У кожній секції абсорбера передбачають установку нормалізованого люка з кришкою, тип виконання-ІІ [16]:

– робочий тиск р = 0,6 МПа;

– внутрішній діаметр люка d =450 мм;

– зовнішній діаметр кришки d₁= 570 мм;

– товщина стінки S = 8 мм;

– відстань від поверхні абсорбера до кришки по осі люка Н_л = 200 мм;

– товщина кришки h= 24 мм;

– маса люка m_л= 69 кг.

Вибір опори

Нормалізована опора вибирається в залежності від вагового навантаження (в МН). За максимальне навантаження приймають більше із значень, які відповідають повній вазі абсорбера в умовах експлуатації або при гідравлічних випробуваннях [15,16]

Маса абсорбера в робочому стані містить маси:

– корпусу 1665 кг;

– днищ: 2×46 = 92 кг;

– підтримуючих решіток: 5×61 = 305 кг;

– опорних кілець: 5×9,7 = 48,5 кг;

– розподільних тарілок ТСН-ІІІ: 5×9,7 = 48,5 кг;

– ковпачкових тарілок ТСК-І: 5×47,5 = 237,5 кг;

– люків: 5×69 = 345 кг;

– насадки: 5083 кг.

Загальна маса =7825 кг.

З урахуванням можливості встановлення додаткового обладнання, контрольно-вимірювальної та регулюючої апаратури, утримання на насадці та тарілках деякої кількості абсорбента, необхідності врахування вітрового навантаження та сейсмічної небезпеки слід застосувати коефіцієнт запасу k=1,5.

Робоча вага абсорбера:

, МН. (5.5)

МН.

Під час гідравлічних випробувань абсорбер заповнюють водою до встановлення внутрішнього устаткування (решіток, тарілок, насадки). Навантаження визначається за масою корпусу з днищами і масою води, якою заповнюється внутрішній об’єм абсорбера.

V_абс.=40,9 м³.

Максимальне навантаження на опору при гідравлічних випробуваннях з коефіцієнтом запасу 1,5:

; (5.6)

МПа.

Нормалізована циліндрична опора типу виконання – ІІ при Р_mах=0,63 і Р_min<0,32 [16]:

внутрішній діаметр d =1000 мм;

товщина стінки S₁ = 8 мм;

товщина опорної плити S₂ =20 мм;

діаметр отворів під болти кріплення d₂=35 мм;

діаметр болтів М 30;

число болтів Z=6;

висота опори Н₁=1500 мм.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Химический энциклопедический словарь [текст] Под ред. И.Л. Кнунянца. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 793 с.

2. Справочник азотчика [текст]. В 2 т. Т.1. – М.: Химия, 1967. – 491 с.

3. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии [текст]: учебник / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. – М.: Госхимиздат, 1968. – 847 с.

4. Рамм В.М. Абсорбция газов [текст] / В.М. Рамм. – М.: Химия. 1976. – 655 с.

5. Рамм В.М. Абсорбция газов [текст] / В.М. Рамм. – М.: Химия. 1966. – 767 с.

6. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [текст] / Учебное пособие для химико-технологических специальностей вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков: под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1987. – 575 с.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов [текст] / Н.Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 720 с.

8. Справочник химика [текст] в 6 т. Т.3 – М.: Химия, 1964. – 1005 с.

9. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [текст]: Учебник для химико-технологических вузов / А.Г. Касаткин. – М.: Химия, 1971. – 750 с.

10.Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии [текст]: Пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

11. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии [текст] / Учебник для химико-технологических специальностей / Ю.И. Дытнерский. – В 2 ч. ч.2. – М.: Химия, 1995. – 368 с.

12. Товажнянский Л.Л. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [текст]: учебное пособие / Л.Л. Товажнянский, А.П. Лещенко, А.П. Толчинская; под ред. Л.Л. Товажнянского. – Харьков.: НГУ «ХПІ», 2006. – 432 с.

13. Товажнянський Л.Л. Процеси і апарати хімічної технології [текст] : навчальний посібник / Л.Л. Товажнянський, О.П. Готлінська, В.О. Лещенко. – Харьків: НГУ «ХПІ», 2007. – 540 с.

14. Смирнов Н.Н. Альбом типовой химической аппаратуры. Принципиальные схемы аппаратов [чертежи]: учебное пособие для вузов / Н.Н. Смирнов, В.М. Барабаш, К.А. Карпов. – С.-Пб.: Химиздат, 2006. – 80 с.

15. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник [текст] А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – М.: Альянс, 2008. – 752 с.

16. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник [текст] А.А. Лащинский. – Л.: Машиностроение, 1981. – 382 с.

на засіданні кафедри процесів

та апаратів хімічної технології.

Протокол №10 від 30.05.2009.

Дніпропетровськ ДВНЗ УДХТУ 2010

Укладачі: О.О. Тертишний, канд. техн. наук

С.О. Опарін, канд. техн. наук

П.В. Рябік, канд. техн. наук

Відповідальний за випуск П.Г. Сорока, доктор техн. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з курсу

“Основні процеси та апарати хімічної технології”. Розділ «Абсорбція»

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-05-07; Просмотров: 62; Нарушение авторского права страницы