1237
.pdfе р и я в н у т р и в у з о в с к и х См е т о д и ч е с к и х у к а з а н и й С и б А Д И
иМин стерство науки высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования « ибирск й государственный автомо ильно-дорожный университет (СибАДИ)»
Кафедра «Техносферная и экологическая безопасность» б РАСЧЕТАБСОРБЕРОВ
Методические указанияДк курсовому проектированию
Составители: С.Б. Ловинецкая, О.В. Плешакова И Омск ▪ 2019
УДК 502.3:7Н:577.4 ББК 28.081:38.711
Р24
д-р биол.
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.
Рецензент
наук, доц, А.В. Синдирева (ОмГАУ)
СибАДИ |
||
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве ме- |
||
тодическ х указан й. |
|
|
Р24 Расчет абсорберов [Электронный |
ресурс] : |
методические указания |
к курсовому проект рованию / сост. : С.Б. |
Ловинецкая, |
О.В. Плешакова. – (Серия |
внутр вузовск х метод ческих указаний СибАДИ). – Электрон. дан. – Омск :
ибАДИ, 2019. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/irbis64r plus/cgiirbis 64 ft.exe. -
Реж м доступа: для авторизованных пользователей.
Содержат тре ован я для оформления курсового проекта, теоретический материал, пр ведены пр меры расчётов, исходные данные для выполнения.
Имеют интерактивное оглавление в виде закладок.
Предназначены для о учающихся по дисциплине «Инженерная защита атмосферы гидросферы» всех форм о учения направления подготовки бакалавриата «Техносферная безопасность».
Подготовлены на кафедре «Техносферная и экологическая безопасность».
Текстовое (символьное) издание (3,4 МБ)
Системные требования: Intel, 3,4 GHz 150 Мб; Windows XP/Visa/7 DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов:
Adobe Acrobat Reader; Foxit reader
Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова
Издание первое. Дата подписания к использованию 23.01.2019 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2019
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Инженерная защита атмосферы и гидросферы» связана с изучением и усвоением основных положений систем очистки, а также практической базы для освоения техники и технологии защиты одного из компонентов окружающей среды [1].
На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одн м з основных мероприятий по защите воздушной среды. Очистка
СибАДИ6.Эксплуатация аппарата (10%)
выбросов перед х поступлением в атмосферу предотвращает загрязнение атмосферного воздуха. Очистка воздуха имеет важнейшее санитар- но-г г ен ческое, экологическое и экономическое значение [4].
Целью курсового проекта является закрепление и расширение теоретическ х знан й по дисциплине «Инженерная защита атмосферы и гидросферы», выра отке навыков использования научных знаний для
практ ческого решен я инженерных задач [5].
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В курсовом проекте нео ходимо рассчитать абсорбер, который может быть применим для очистки газовых выбросов от вредных при-
месей (например, для очистки топочных газов от SO2).
Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графических документов, оформленных в соответствии с требованиями ГОСТа. Гра-
фики следует выполнять на миллиметровой бумаге формата А4.
Пояснительная записка должна быть объемом не менее 30 листов формата А4 и иметь следующие разделы (в скобках указан объем разде-
лов в процентах от общего объема курсового проекта):
1. |
Введение (7%) |
2. |
Техническое задание (3%) |
3. |
Расчет технических характеристик (40%) |
4. |
Описание конструкции и принципа работы абсорбера (20%) |
5. |
Выбор обоснование материалов конструкции (15%) |
7.Заключение (5%)
8.Библиографический список
Общий объем графических документов проекта регламентируется двум листами формата А1 и одним листом формата А2 или А3. В состав графических материалов желательно включить технологическую схему установки (один лист), чертежа общего вида основного аппарата с узлами (один лист), чертежи деталей аппарата (один лист).
3
СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
1. Введение.
Должно содержать краткую характеристику, перспективы развития, роль и место процесса абсорбции как метода очистки газовых выбросов от вредных примесей, а также использования данного метода в автотранспортном комплексе.
2. Техническое задание и исходные данные.
Требуется рассчитать абсорбер указанного типа (указывает преподаватель), спользуемый для поглощения вредного компонента отхо-
|
дящ х газов водой, с начальным содержанием его в воздухе ун (% об.). |
||||||
|
Кол чество поступающего газа Q (м3/ч) (при н. у.). Общее давление газа |
||||||
С |
сор тива в поступающей на абсорбцию воде |
||||||
|
1,01 105 Па. |
||||||
|
xн (% вес.). Температура поступающего абсорбента 200С. Конечное со- |
||||||
|
держан е вредного компонента отходящих газов ук (% об.) [2]. |
Таблица 1 |
|||||
|
|
Варианты исходных данных |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Содержание |
|
|
|
|
|
||
|
№ |
Поглощаемый |
Q, |
ун, |
xн, |
ук, |
|
|
варианта |
компонент |
м3/ч |
% об. |
% вес. |
% об. |
|
|
1 |
NH3 |
10000 |
5,0 |
0,10 |
0,25 |
|
|
2 |
SO2 |
15000 |
7,0 |
0,12 |
0,23 |
|
|
3 |
H2S |
12000 |
4,5 |
0,22 |
0,10 |
|
|
4 |
NH3 |
20000 |
5,5 |
0,15 |
0,09 |
|
|
5 |
SO2 |
18000 |
4,0 |
0,25 |
0,12 |
|
|
6 |
H2S |
17000 |
6,5 |
0,14 |
0,15 |
|
|
|
бА |
|
|
|
||
|
7 |
NH3 |
11000 |
8,0 |
0,13 |
0,27 |
|
|
8 |
SO2 |
16000 |
7,5 |
0,23 |
0,27 |
|
|
9 |
H2S |
8000 |
4,7 |
0,16 |
0,11 |
|
|
10 |
NH3 |
13000 |
5,3 |
0,20 |
0,15 |
|
|
11 |
SO2 |
7000 |
8,1 |
0,10 |
0,24 |
|
|
|
|
Д |
|
|
||
|
12 |
H2S |
21000 |
9,0 |
0,17 |
0,28 |
|
|
13 |
NH3 |
25000 |
7,8 |
0,24 |
0,21 |
|
|
14 |
SO2 |
19000 |
6,3 |
0,18 |
0,20 |
|
|
15 |
H2S |
30000 |
5,7 |
0,19 |
0,17 |
|
|
16 |
NH3 |
15000 |
4,6 |
0,22 |
0,11 |
|
|
|
|
|
И |
|
||
17 |
SO2 |
24000 |
5,8 0,27 0,16 |
||||
|
18 |
H2S |
35000 |
7,3 |
0,19 |
0,12 |
|
|
19 |
NH3 |
33000 |
8,3 |
0,26 |
0,28 |
|
|
20 |
SO2 |
23000 |
5,2 |
0,13 |
0,12 |
|
3. Расчет технических характеристик абсорбера.
Основу расчета абсорбера составляют тепломассообменный и гидравлический расчеты. Цель первого состоит в определении поверхности взаимодействия (теплообменный и межфазный) и основных размеров
4
конструкции (диаметра, высоты, числа ступеней контакта фаз и т. д.). Второй расчет связан с оценкой гидравлического сопротивления при движении среды и затрат энергии на их преодоление.
При расчете абсорберов основными определяемыми величинами являются расход абсорбента L, диаметр D и высота Н абсорбера, его гидравлическое сопротивление р.
Далее приведены методики расчета аппаратов абсорбции.
3.1.Расчет насадочных абсорберов
Расход абсорбента [4]. Количество поглотителя L на проведение процесса абсорбц определяют по уравнению материального баланса,
в котором незаданной величиной является значение |
его конечной кон- |
|
центрац |
Хк.. |
|
|
L G Yн Yк / Xк Xн |
(1) |
где L - расход а сор ента, кг/ч; G - расход инертного газа, кг/ч; Yн , Yк - |
||
начальная |
конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, отно- |
сительные массовые единицы; Xн , Xк - начальная и конечная концентрация абсорбтива в поглотителе, относительные массовые единицы.
Относительные массовые концентрации абсорбтива в воздухе на-
ходят по формуле: |
|
|
Y Мк |
Мн y 1 y |
(2) |
где Мк и Мн - молярные массы абсорбтива и носителя, г/моль. Относительную массовую концентрацию абсорбтива в поступаю-
щей на абсорбцию воде находят по формуле:
Xн xн 1 xн |
(3) |
Для того, чтобы найти Xк необходимо построить на Y-X-диаграмме рабочую равновесную линии процесса.
Состояние равновесия при условии постоянства температуры и общего давления зависимость между концентрациями распределяемого
в газовой и жидкой фазах компонента выражается законом Генри: |
|
СибАДИ |
|
р* ЕХ |
(4) |
где р*- парциальное давление газа, Е – константа, имеющая размерность давления.
Величина Е для данного газа не зависит от общего давления в системе, но зависит от природы абсорбента и поглощаемого газа и температуры (табл. 2).
5
|
|
Зависимость коэффициента Е от температуры |
Таблица 2 |
||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Газ |
|
|
|
|
|
Е, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
при |
при |
при |
при |
при |
|
при |
при |
|
|
|
|
|
00С |
100С |
200С |
300С |
400С |
500С |
600С |
|
|
Аммиак |
|
|
0,028 |
0,049 |
0,083 |
0,138 |
0,218 |
|
0,340 |
0,513 |
С |
|
0,150 |
0,227 |
0,372 |
0,580 |
0,814 |
|
1,135 |
1,652 |
||
|
Диоксид серы |
|
|
|
|||||||
|
Диоксид углерода |
|
|
31,208 |
45,191 |
61,910 |
83,289 |
107,405 |
|
136,789 |
182,385 |
|
Кислород |
|
1499,610 |
1925,175 |
2350,740 |
2806,703 |
3171,4733495,713 |
3759,158 |
|||
|
ероводород |
|
|
14,895 |
20,468 |
26,142 |
35,058 |
44,279 |
|
55,729 |
69,914 |
В случае не зотермической абсорбции при растворении газа в температура ее повышается вследствие выделения теплоты.
Для техн ческ х расчетов пренебрегают нагреванием газа и считают, что вся теплота дет на нагрев жидкости.
Температуру жидкости в любом сечении аппарата можно найти
по уравнен ю теплового аланса: |
|
|
|
|
жидкости |
q X X |
|
|
|
T T |
|
(5) |
||
н |
c |
н |
|
|
бА |
|
где Т – температура в лю ом сечении аппарата, К; Тн - температура поступающего адсор ента, К; q –дифференциальная теплота растворения газа, кДж/моль; с – теплоемкость жидкости, к ж/(кмоль К).
С помощью уравнения (5), задаваясь рядом значений Х (с шагом |
||
|
Д |
|
0,005), определяют температуры Т и затем Е и р*. |
|
|
Равновесное содержание абсорбтива в воздухе Y* определяют по |
||
формуле: |
|
|
Y* Мк |
Мн р* Р р* |
(6) |
где Р – общее давление газа, Па. И По найденным значениям Y* на Y-X-диаграмме строят график
Y*=f(X) – линию равновесия.
На Y-X-диаграмме (рис.1) проводят прямую через Yн параллельно оси ОХ до пересечения с линией равновесия, и, получают точку Хк . Через точки В и А с координатами (Yк ;Xн) и (Yн ;Xк*) проводят прямую – рабочую линию процесса, соответствующую минимальному удельному расходу абсорбента lmin.
6
Удельный расход абсор- |
Y |
|
|
|
|
|||||||||
бента l находят из уравнения |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
С |
|||||||||
материального баланса: |
|
|
|
|
YН |
|
|
|
||||||
l L G Y |
Y |
X |
к |
X |
н |
|
(7) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||||||||||
|
н |
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Значение lmin находим, |
|
|
|
|
|
|||||||||
подставляя |
|
в |
|
уравнение |
|
|
|
|
|
|||||
(7)величину Хк*. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Величина l всегда должна |
YК |
|
|
|
|
|||||||||
быть больше lmin. |
|
Увеличение |
|
|
|
|
||||||||
удельного |
расхода |
приводит к |
|
|
|
|
|
|||||||
уменьшен ю высоты абсорбера |
ХН |
ХК |
ХК* Х |
|||||||||||
и увел чен ю его д аметра. Это |
|
|
|
|
|
|||||||||
С |
|
|
что с уве- |
Рис.1. Диаграмма У–Х: ОС–линия равно- |
||||||||||
про сход т потому, |
||||||||||||||
личен ем |
l возрастает |
|
также |
весия; АВ–рабочая линия; А В– |
|
|
||||||||
расход |
поглот |
теля L, |
|
|
а |
при |
предельное положение рабочей линии, |
|||||||
|
|
соответствующее минимальному расходу |
||||||||||||
этом |
сн жаются |
|
допустимые |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
скоростигаза в а сор ере, по которым находят его диаметр. Поэтому |
||||||||||||||
прин мают |
|
|
|
|
|
|
|
l = (1,1 – 1,5) lmin. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Конечную концентрацию абсорбтива в поглотителе находим из |
||||||||||||||
|
б |
|
|
|
|
|||||||||
формулы (7). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Через точки В и с координатами (Yк;Xн) и (Yн;Xк) проводят пря- |
||||||||||||||
мую – рабочую линию процесса. |
|
|
|
|
|
|||||||||
Расход инертного газа вычисляют по формуле: |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
А |
|
(8) |
|||||||||
|
|
|
|
|
G |
|
Q 1 yн возд |
|
|
|||||
где возд – плотность воздуха, кг/м3. |
|
|
|
|
||||||||||
Расход поглотителя L определяют по формуле (7). |
|
|
|
|||||||||||
Диаметр абсорбера [5] Д. Расчет диаметра D абсорбера произво- |
||||||||||||||
дится, по уравнению расхода, написанного относительно величины D |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
D 4Q ( 0) 0,5 |
|
|
(9) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
где Q-объемный расход газа, м3/с; 0 -фиктивная скорость газа, т.е. скорость газа, отнесенная к полному сечению абсорбера, м/с.
Диаметр колонны определяется по принятой фиктивной скорости газа и проверяется по плотности орошения. Для достижения максимальной эффективности процесса целесообразно, скорость газа принимать равной или близкой скорости 0 , соответствующей началу подвисания.
7
Фиктивную скорость газа определяют в зависимости от выбранной насадки по формуле
|
|
0 |
Reг а г 4 г |
(10) |
||||||||
где Reг - критерий Рейнольдса, соответствующий началу подвисания; а |
||||||||||||
– удельная поверхность насадки, м2/м3; г |
- вязкость газа, Н с/м2; г – |
|||||||||||
плотность газа, кг/м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Значение Reг находят по формуле |
|
|||||||||||
|
Reг 0,045 Ar0,57 G L 0,43 |
(11) |
||||||||||
диаметр |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где Ar – кр тер й Архимеда. |
|
|
|
|
||||||||
С |
|
gd |
3 |
г |
|
ж |
|
г |
|
|
||
|
|
Ar |
|
экв |
|
|
|
(12) |
||||
|
|
|
|
|
|
г2 |
|
|
|
|
|
|
|
свободный |
|
- плотность жидкости, кг/м3; |
|||||||||
где g - ускорен е сво одного падения; ж |
||||||||||||
dэкв - экв валентный |
|
|
|
насадки, м. |
|
|||||||
Экв валентный диаметр насадки находят по формуле |
||||||||||||
|
|
|
dэкв 4 а |
|
|
|
(13) |
|||||
где - |
|
ъем насадки, м3/м3 (табл. 3). |
||||||||||
Рабочую |
фиктивную |
|
скорость |
|
газа обычно принимают |
0 = (0,85 0,95) 0.
В тех случаях, когда нео ходимо малое гидравлическое сопротив-
ление, принимают более низкую скорость газа. |
|
|
|||
Плотность орошенияАU определяют по формуле |
|
||||
|
U |
Qж |
|
|
(14) |
|
S |
|
|
||
|
|
2 И3 |
|||
|
|
|
|||
где Qж - объемный расход жидкости, м3/ч Qж L |
ж ; S - площадь се- |
||||
чения колонны, м2. |
|
|
Д |
|
|
Плотность орошения U сравнивают с оптимальной плотностью |
|||||
орошения Uопт, которая определяется по формуле |
|
|
|||
|
Uопт=ba |
|
|
(15) |
где а – удельная поверхность насадки, м /м ; b – коэффициент, значения которого приведены в таблице 4.
8
Таблица 3
Характеристики насадок
|
|
|
|
Размеры |
|
Удельная |
Свободный |
|
|
Масса 1 |
||||||
|
Насадка |
|
|
Эквивалентный |
м3 на- |
|||||||||||
|
элемента, |
поверхность, |
объем, |
диаметр, м |
|
садки, |
||||||||||
|
|
|
|
|
мм |
|
|
|
м2/м3 |
м3/м3 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Регулярная насадка |
|
|
|
|
||
|
Деревянная |
|
|
10 |
|
|
|
100 |
0,55 |
|
0,022 |
|
210 |
|
||
|
хордовая |
|
|
|
20 |
|
|
|
65 |
0,68 |
|
0,042 |
|
145 |
|
|
|
(шаг в свету |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Раши |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
10 100 мм) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Керам ческ е |
50 50 50 |
|
110 |
0,735 |
|
0,027 |
|
650 |
|
||||||
Скольца - |
80 80 8 |
|
80 |
0,720 |
|
0,036 |
|
670 |
|
|||||||
|
га |
|
100 100 100 |
|
60 |
0,720 |
|
0,048 |
|
670 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
бА |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Засыпка в навал |
|
|
|
|
||
|
Керам ческ е |
|
15 |
|
15 |
|
2 |
|
330 |
0,700 |
|
0,009 |
|
690 |
|
|
|
кольца Раши- |
|
25 25 3 |
|
200 |
0,740 |
|
0,015 |
|
530 |
|
|||||
|
га |
|
|
50 50 5 |
|
90 |
0,785 |
|
0,035 |
|
530 |
|
||||
|
Стальные |
|
10 10 0,5 |
|
500 |
0,880 |
|
0,007 |
|
960 |
|
|||||
|
кольца |
|
15 15 0,5 |
|
350 |
0,920 |
|
0,009 |
|
660 |
|
|||||
|
Рашига |
|
25 25 0,8 |
|
220 |
0,920 |
|
0,017 |
|
640 |
|
|||||
|
Керамические |
|
25 25 3 |
|
220 |
0,740 |
|
0,014 |
|
610 |
|
|||||
|
коьца Палля |
|
50 50 5 |
|
120 |
0,780 |
|
0,026 |
|
520 |
|
|||||
|
Стальные |
|
25 25 0,6 |
|
Д |
|
525 |
|
||||||||
|
|
|
235 |
0,900 |
|
0,010 |
|
|
||||||||
|
кольца Палля |
|
50 50 1 |
|
108 |
0,900 |
|
0,033 |
|
415 |
|
|||||
|
Керамические |
|
12,5 |
|
|
460 |
0,680 |
|
0,006 |
|
720 |
|
||||
|
седла Берля |
|
|
25 |
|
|
|
260 |
0,690 |
|
0,011 |
|
670 |
|
||
|
|
|
|
|
38 |
|
|
|
165 |
0,700 |
|
0,017 |
|
670 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения коэффициента b |
|
Таблица 4 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Процесс |
|
|
Коэффициент b, м3/м ч |
|||||
|
Абсорбция аммиака водой |
|
|
0,158 |
|
|
|
|||||||||
|
Абсорбция паров органических жидкостей водой |
И0,093 |
|
|||||||||||||
|
Абсорбция паров органических жидкостей керосином |
|
0,024 |
|
|
|
||||||||||
|
Ректификация, испарение воды |
|
|
|
0,065 |
|
|
|
9
Если плотность орошения мала по сравнению с Uопт, то коэффициент смачиваемости имеет низкое значение, то есть насадка будет недостаточно смочена или использована не полностью. В этом случае следует применять насадку с меньшей удельной поверхностью, чтобы
снизить Uопт.
Максимальное смачивание насадки дост гается при некоторой оптимальной плотности орошен я Uопт, при которой коэфф ц ент смач ваемости становится
равным ед н це. При дальнейшем увеличе- |
Рис. 2. Коэффициенты смачи- |
||
С |
вае-мости при различном |
||
нии плотности орошения не изменяется. |
|||
Коэфф ц ент смачиваемости находят |
отношении U/Uопт: 1– на на- |
||
садке из колец; 2 – на дере- |
|||
по граф ку зав с мости от U/Uопт (рис.2). |
|||
вянной хордовой насадке |
|||
При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с уве- |
|||
личенем |
размеров её элементов увеличивается допустимая скорость |
||
газа, а г дравл ческое сопротивление абсорбера снижается. Общая |
|||
стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет уменьшения |
|||
диаметра |
ера, несмотря на то, что высота насадки несколько уве- |
||
абсор |
|
||
личивается по сравнению с таковой в абсорбере, заполненном насадкой |
|||
меньших размеров. Это осо енно относится к абсорбции хорошо рас- |
творимых газов. ПриАабсорбции плохо растворимых газов более подходящей может быть сравнительноДмелкая насадка.
Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку.
При выборе размеров насадки также необходимо соблюдать условие, при котором отношение диаметра колонныИD к эквивалентному диаметру насадки dэкв было больше или равно 10.
В качестве насадки наиболее широко применяют кольца Рашига. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга – регулярная насадка. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.
Оросители делятся на струйчатые и разбрызгивающие. К струйчатым оросителям относятся распределительные плиты, желоба, брызгал-
10