Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода

При противотоке газа и жидкости в зависимости от скорости потоков на тарелке устанавливаются режимы неравномерной работы, равномерной работы, газовых струй и брызг.

Режим неравномерной работы наблюдается при малых скоростях газа в свободном сечении колонны w < 0,5 м/с. При рассматриваемом режиме образующаяся на тарелке двухфазная система состоит по высоте из трех зон (считая снизу вверх): зоны собственно барботажа (газ распределяется в виде пузырьков или газовых мешков — факелов), зоны неподвижной пены и зоны брызг.

В колпачковых тарелках прорези колпачков при такой скорости газа не полностью открыты, имеет место пузырьковый режим барботажа. В ситчатых тарелках жидкость проваливается через отверстия и не успевает накапливаться на  тарелках.

Режим равномерной работы наступает при дальнейшем увеличении скорости газа (до 1 м/с). При этом   увеличивается    высота   зоны пены и уменьшается высота зоны собственно барботажа. В известных условиях зона собственно барботажа исчезает полностью и возникает так называемый пенный режим. Равномерный режим работы колпачковых тарелок характеризуется полным раскрытием прорезей всех колпачков и струйным движением газа (пара) через -жидкость. В ситчатых тарелках истечение газа в жидкость происходит через все отверстия.

Режим газовых струй и брызг наблюдается при повышении скорости газа (пара) более 1 м/с. В этом случае газ движется через жидкость в виде струй (факелов), которые выходят на поверхность пены, причем пена разрушается. В результате над пеной появляется большое количество брызг. При дальнейшем увеличении скорости газа наблюдается инжекционный режим: жидкость захватывается выходящим из отверстий газом и в значительной степени уносится с ним в виде брызг.

Так как в техническом задании на проектирование указан тип тарелок, то принимаем в качестве насадки ситчатые тарелки.

Допустимая оптимальная скорость газа может быть определена по формуле:

Предельная скорость для тарельчатых колон с ситчатыми тарелками определяется по формуле [1, с.215]:

    (10)

где - плотность жидкой фазы  и плотность газовой фазы соответственно.

Рабочая скорость газа в колонне составит:

Диаметр колонны рассчитывают по уравнению расхода для газового потока при рабочей скорости:

      (12)

Принимаем стандартный диаметр обечайки, равным 2,6 м.

При этом действительная  скорость газа в колонне составит:

Действительная скорость в колонне не превышает предельную.

Для выбранной тарелки

4.3 Определение высоты колонны

 

Высота насадочной колонны определяется по формуле:

,         (15)

где Нт – высота тарельчатой части колонны, м;

h1, h2, – высота соответственно сепарационной части колонны и нижней части колонны , м.

, где n- необходимое число тарелок,  h =0,6 м – расстояние между тарелками.

Расстояние между днищем абсорбера и тарельчатой частью h2 определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны:

h2= (1...1,5) · D = 1,0*2,6 = 2,6 м

Расстояние от верха тарелки до крышки абсорбера зависит от размеров распределительного  устройства для орошения тарелок и от высоты сепарационного пространства, в котором часто устанавливают каплеотбойники для предотвращения брызгоуноса из колонны. Принимаем h1 = 2,7 м.

Рабочая линия и кривая равновесия представлены в приложении А.

Для построения кинетической кривой воспользуемся первым методом [1, с224].

Рассчитаем коэффициент массопередачи:

, где m – коэффициент распределения компонента по фазам m=1,73.

Коэффициент массоотдачи в газовой и жидкой фазах:

,

где wг – скорость газа, м/с; - гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке, Па.

Гидравлическое сопротивление жидкости на тарелке определяется по формуле:

, где к – отношение плотности  пены к плотности жидкости (при  расчетах к=0,5 [1, с.229]); hпер = 75 мм – высота сливного порога (конструктивная особенность тарелки, определяемая по каталогу [11, с.16]). - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

,

где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П=2,25 м- периметр сливной перегородки (величина, принимаемая по каталогу [11, с.17]).

Число единиц переноса одной тарелки:

, где  = 3,27 м2- рабочая площадь тарелки, - количество газа поступающего в колонну, кг/с.

Определяем величину Су:

Величина отрезков на вертикалях диаграммы у-х между линией рабочих концентраций и вспомогательной кинетической кривой:

.

На линии рабочих концентраций наносят ряд точек А1, А2, А3 и тд., а на линии равновесия соответствующие им точки С1, С2, С3 и тд. Пользуясь полученными равенствами находим на отрезках А1С1, А2С2 и тд. Точки В1, В2 и тд. Проводим через  полученные точки В1, В2 и т.д. линию. Полученная линия является вспомогательной кинетической кривой. Из точки В1 в пределах заданных рабочих концентраций между линией рабочих концентраций и кинетической кривой строят ломанную линию. Полученное число ступеней дает необходимое для заданных условий число тарелок (см. приложение Б).

Таким образом необходимое число тарелок составит n=6

Расчетная высота абсорбера:

.

Истинная высота абсорбера определяется конструктивно по проектному чертежу общего вида.

4.4 Расчет гидравлического сопротивления колонны

 

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер [6, с.201].

Для тарельчатых колонн гидравлическое сопротивление всех тарелок равно сумме сопротивления сухой тарелки  , сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения , и сопротивления газожидкостного слоя на тарелке :

Сопротивление сухой тарелки:

,

где - скорость газа в отверстиях тарелки, м/с; - коэффициент сопротивления, зависящий от типа тарелки [1, с.228], а =0,65 поправочный коэффициент для ситчатых тарелок, l – высота слоя жидкости на тарелке, м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения [1, с.228]:

, где  = 58,9*10-3 - поверхностное натяжение жидкости, Н/м [5, с. 812]; dэ = 0,005 м – эквивалентный диаметр отверстия [11. с. 17].

Гидравлическое сопротивление столба жидкости на тарелке определяется по формуле:

, где к – отношение плотности пены к плотности жидкости (при расчетах к=0,5 [1, с.229]); hпер = 75 мм – высота сливного порога (конструктивная особенность тарелки, определяемая по каталогу [11, с.16]). - высота уровня жидкости над сливным порогом, м.

,

где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П=2,25 м- периметр сливной перегородки (величина, принимаемая по каталогу [11, с.17]).

Гидравлическое сопротивление:

 

 

5 Автоматизация технологического процесса и точки технологического контроля и управления процессом

 

Технологическая схема процесса представлена на рис. 5 приложение В.

Цель системы автоматического регулирования определяется назначением процесса: очистка газа, поступающего в абсорбер или получение готового продукта. В данной работе рассматривается первая задача, в соответствии с которой основными регулируемыми параметрами являются: 1) концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера; 2) температура газовой смеси, поступающей на абсорбцию; 3) уровень жидкости в абсорбере.

В большинстве случаев расход газовой смеси определяется технологическим режимом, т. е. абсорбционная установка должна переработать весь поступающий поток газа. Поэтому, например, при увеличении количества подаваемой в абсорбер газовой смеси возрастет концентрация извлекаемого компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера. При помощи регулятора концентрации увеличится подача абсорбента в абсорбер, что обеспечит стабилизацию концентрации компонента в газовой смеси на выходе из абсорбера.

Для улучшения процесса абсорбции поддерживается низкая температура газовой смеси, поступающей в абсорбер, путем изменения расхода охлаждающей воды, подаваемой в холодильник газа.

Уровень жидкости в колонне стабилизируется путем изменения отбора жидкости из нее.

Системой автоматизации предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе абсорбции при помощи КИП контролируются расходы, тем пературы, давления технологических потоков [10].

 

Заключение

 

1. Для очистки газа от диоксида углерода требуется абсорбер со следующими характеристиками:  внутренний диаметр D=2,6 м; высота абсорбера Н=8,3 м, количество необходимых тарелок n=6; 

2. Для улавливания диоксида углерода из газовой смеси применим абсорбер  с ситчатыми тарелками. При выборе насадки учитывались следующие факторы: дешевизна, малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность устойчивой работы при изменяющихся нагрузках по газу.

3. Приняты технические решения  об автоматизации процесса абсорбции.

4. Основная сложность при проектировании абсорберов заключается в правильном выборе закономерностей для определения кинетических коэффициентов из большого числа различных, порой противоречивых, зависимостей, представленной в технической литературе.

 

 

 

Литература

 

1. Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1991.-352с.
2. Дытнерский. Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть вторая. – М.: Химия, 1995г. -368с.
3. Рамм В. М. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976. – 655с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – 10-е изд., доп. и перераб. –Л.: Химия, 1987. - 576с.
5. Касаткин  А.Г. Основные процесс и аппараты химической технологии. – изд. 7-е. – М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. – 830с.
6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/под ред. Ю.И. Дытнерского. – М: Химия, 1991. -496с.
7. Основные правила разработки курсовых проектов по процессам и аппаратам химической технологии и защиты окружающей среды: метод. указан. / сост. А.И.Козлов, П.М. Лукин, Н.И. Савельев, П.Н. Эндюськин; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2005.-32с.
8. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 1 – М.: «Советская энциклопедия», 1988. – 625с
9. Плановский А.Н., Рамм В.М. Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – изд 5-ое, стереотипное. – М.: Химия, 1968. – 848с.
10. Основы автоматизации процессов химической технологии и защиты окружающей среды: учеб. пособие/ А.И.Козлов, П.М. Лукин и др. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2006.178с.
11. Каталог. Колонные аппараты. 1991г.