Название: Расчёт барботажного абсорбера - Методические указания (Н.В. Городник)

Жанр: Экономика

Просмотров: 1050


7. пример расчёта барботажного абсорбера

 

Исходные данные. Спроектировать насадочный абсорбер для поглощения паров метилового спирта водой. Расход инертного газа (воздуха) – 2000 м3/ч (при рабочих условиях). Начальная концентрация паров метилового спирта в воздухе 100 г/м3 (при рабочих условиях). Степень извлечения . Поступающая вода не содержит метилового спирта. Коэффициент избытка поглотителя . Давление в абсорбере атмосферное, температура 27 ºС.

 

Определение массы поглощаемого вещества и расхода поглотителя. Для решения уравнения материального баланса переводим в нужную размерность исходные данные.

Плотность воздуха при рабочих условиях определяется из уравнения Клапейрона [3]

Начальная концентрация метилового спирта в воздухе

Конечная концентрация метилового спирта в воздухе

Из справочных данных [3] заимствуем уравнение растворимости метилового спирта в воде в относительных мольных концентрациях: . Его надо перевести в относительные массовые концентрации. Из табл. [3, табл. 6.2] находим, что .

Очевидно, что . Для данного случая

.

 

.

Следовательно,  или .

Начальная концентрация метилового спирта в воде  (по условию). Конечная концентрация метилового спирта в воде определяется из только что полученного выше уравнения линии равновесия с учетом заданного коэффициента избытка поглотителя (см. рис. 1).

 

.

Теперь по уравнению материального баланса находим количество поглощаемого метилового спирта (уравнение (2))

.

Далее из этого же уравнения определяется расход поглотителя (воды)

.

Удельный расход поглотителя (уравнение (4))

.

Выбор оптимальной конструкции тарелки. Рассмотрим возможность применения для данного процесса колпачковой тарелки с круглыми колпачками. Как следует из табл. 1, наряду с несомненными достоинствами (большая область устойчивой работы, большая эффективность, лёгкость пуска и остановки) такая тарелка обладает рядом недостатков (высокое гидравлическое сопротивление, большой брызгоунос, необходимость в больших запасах жидкости, трудности монтажа, обработки взвесей и отвода тепла). Но в данном случае эти недостатки несущественны, так как по условию расходы реагентов относительно небольшие (небольшими будут и габариты аппарата), поглотитель предусматривается чистым, а тепло отводить не обязательно. Кроме того, следует иметь в виду, что тарелки этого типа широко используются в промышленности [5], процессы в них хорошо изучены [2, 3]. Исходя из вышесказанного применяем для данного процесса колпачковую тарелку с круглыми колпачками.

 

Расчёт скорости газа и диаметра абсорбера. Скорость газа рассчитывается по уравнению (5). Расстояние между тарелками (мм) следует выбирать из следующего ряда: 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200 [2]. Чем больше диаметр абсорбера, тем больше расстояние между тарелками, и наоборот. Если выбрать расстояние между тарелками 400 мм, то коэффициент С в уравнении (5) равен 0,044 (см. рис. 3). Тогда скорость газа

,

где  – плотность воды при 27 ºС [3].

Объёмный расход газа при условиях в абсорбере по исходным данным

.

Тогда диаметр абсорбера, определяемый по формуле (6), равен

.

Принимаем колонный аппарат диаметром 800 мм с тарелками ТСК-1. Тогда фактическая скорость газа в свободном сечении колонны определяется из уравнения (7)

.

Расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки для исполнения 1 определяется

Здесь  – расстояние между тарелками по условию (см. выше); 0,055 – значение H  (см. табл. 2).

Диаметр колпачка  (см. табл. 2). Тогда предельно допустимая скорость газа, рассчитываемая по уравнению (8),

Поскольку фактическая скорость газа меньше, тарелка работает в пенном режиме.

Скорость газа в паровых патрубках (их площадь берётся из табл. 2) рассчитывается  по уравнению (9)

.

Если принять высоту прорези  при числе их 30 (см. табл. 2), то общее сечение прорезей, определяемое по формуле (10)

Тогда скорость газа в прорезях при числе колпачков  (см. табл. 2), определяемая по уравнению (11),

.

Барботаж газа через жидкость начинается при некотором начальном открытии прорези . Для его определения задаемся поправочным множителем f1 = 2 и находим поправочный множитель f2 [см. примечение к уравнению (12)]: предварительно находим поправочный множитель по уравнению (13)

.

Поверхностное натяжение воды при 20 ºС равно 72,8·10–3 Н/м, при  40 ºС – 69,6·10–3 Н/м [3]. Тогда при температуре процесса (27 ºС) значение  можно принять равным примерно 70,7·10–3 Н/м. Значение начального открытия прорези, определяемое по формуле (12)

.

Скорость газа, при которой происходит полное открытие прорезей, определяемая из уравнения (13)

Эта скорость меньше скорости газа в прорезях (), т. е. полное открытие прорезей в колпачках обеспечивается.

Определение числа тарелок и высоты абсорбера. Для определения числа теоретических тарелок строится график (рис. 9), аналогичный графику, представленному на рис. 1.

 

 

Рис. 9. Определение числа теоретических тарелок графическим способом

 

Чем больше размеры графика, тем точнее расчёт. Построения на графике проводятся следующим образом [6]. Из начальной точки рабочей линии с координатами (, ) проводится горизонталь до пересечения с равновесной линией. От точки пересечения проводится вертикаль до пересечения с рабочей линией. От точки пересечения проводится горизонталь до пересечения с равновесной линией и т. д. Как правило, последняя «ступень» оказывается неполной. Число единиц переноса, соответствующее последней неполной «ступени», равно отношению отрезка AB, ограничивающего её, к вертикальному отрезку ST между рабочей и равновесной линиями, проведённому через середину основания неполной «ступени» (т.е. КО = ОВ). На графике рис. 9 длина отрезка AB равна 8 мм, отрезка ST – 25 мм. Тогда число теоретических тарелок

.

Примечание. Если последняя «ступень» почти полная, тогда отрезок АВ становится равным по длине отрезку ST или даже превышает его. В этом  случае можно принять неполную «ступень» за полную.

 

Коэффициент полезного действия тарелки находится в пределах 0,3…0,8 [6]. Задаемся КПД тарелки 0,6. Тогда число действительных тарелок, определяемое по формуле (14),

 (округляем до 13) шт.

Высота тарельчатой части абсорбера, определяемая по формуле (15),

Общая высота аппарата с учётом расстояния от днища до нижней тарелки и от верхней тарелки до крышки составит

 

Расчёт гидравлического сопротивления абсорбера. Для определения сопротивления сухой тарелки принимаем коэффициент  равным 4,75. Тогда сопротивление сухой тарелки, определяемое по формуле (17),

Эквивалентный диаметр отверстия для прорези данного колпачка

.

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, определяемое по формуле (18),

.

Объёмный расход жидкости

Периметр слива Lc = 0,57 м (см. табл. 2). Высота уровня жидкости над сливным порогом, определяемая по формуле (20),

Расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога  можно принять равным 20 мм (см. табл. 2). Тогда сопротивление газожидкостного слоя, определяемое по формуле (19),

 

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки, определяемое по формуле (16),

.

Гидравлическое сопротивление абсорбера, определяемое по формуле (21),

 

Расчёт толщины обечайки и днища. Процесс абсорбции проводится под атмосферным давлением, поэтому толщина стенки выбирается из табл. 3. Для диаметра 0,8 м толщину можно принять равной 8 мм. Такую толщину принимаем для днища и крышки аппарата.

 

Расчёт фланцевых соединений и крышек. Для определения расчётного растягивающего усилия в болтах предварительно зададимся некоторыми величинами. Примем диаметр внутренней резиновой прокладки равным наружному диаметру аппарата (0,8 + 2·0,008 = 0,816 м). Если принять ширину прокладки , то средний диаметр уплотнения

.

 

Тогда по формуле (23)

.

Задаем диаметр болтов . Тогда число болтов определяем из формулы (24)

Принимаем 8 болтов диаметром .

Диаметр болтовой окружности определяем из формулы (25)

Наружный диаметр фланца определяем по уравнению (26)

Приведённая нагрузка на фланец при рабочих условиях определяется по формуле (27), МН

 

=  = 4,53· 10–2.

Для нахождения вспомогательных величин  и А необходимо найти коэффициенты  и . Отношение

.

Из графиков на рис. 6 следует, что  и .

Вспомогательная величина  при рабочих условиях, определяемая из формулы (28),

.

Вспомогательная величина А при рабочих условиях, определяемая из формулы (29),

Поскольку выполняется условие , высоту фланца определяем по формулам (30), (31)

Принимаем высоту фланца .

Толщина плоских крышек, закрывающих люки, принимается равной толщине обечайки (8 мм).

 

Расчёт опоры аппарата. Принимаем в качестве подвески лапы (см. рис. 7). До расчёта толщины ребра по формуле (34) предварительно определим некоторые величины. Максимальный вес аппарата можно примерно принять равным удвоенному весу воды, полностью заполняющей корпус. Объём корпуса аппарата

Тогда вес воды, Н

 

Вес аппарата

В [2] указано, что для аппарата весом , т. е. примерно в девять раз более тяжёлого, принимаются четыре двухрёберные лапы с вылетом. Для данного веса достаточно двух двухрёберных лап с вылетом . Если принять коэффициент  в уравнении (34) равным 0,6, тогда толщина ребра

.

Отношение . По графику (см. рис. 8) для такого отношения  , т. е. практически равен принятому, поэтому пересчёт толщины ребра не требуется. Высота лапы .

Общая длина сварного шва:

Прочность сварного шва, вычисляемая по уравнению (35):

,

т. е. прочность шва обеспечена.