Розрахунок та проектування абсорбційної установки

    Газоповітряна суміш за допомогою газодувки ГД подається в барботажний абсорбер А із решітчастими тарілками. У верхню частину абсорбера відцентровим насосом Н подається вода. Вода стікає по тарілкам долілиць, а назустріч їй рухається газоповітряна суміш. При взаємодії фаз сірководень розчиняється у воді, і повітря очищується. Вода, насичена сірководнем, самопливом надходить у приймальну ємність ПЄ, а очищене повітря викидається в атмосферу [6] . Вода насичена сірководнем із ємності ПЄ подається на подальшу переробку або нейтралізацію лугами або вапном.

    Водяний розчин сірководню при температурі 15 С° є корозійно активною речовиною, тому  для основних деталей вибираємо нержавіючу сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, яка є стійкою в сильно агресивних середовищах до температури 600°С .

 Технологічна схема установки див. додаток 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Технологічний розрахунок

   

      Мета технологічного розрахунку  – визначення поверхні масопередачі  і геометричних розмірів апарату.

      Поверхня  масопередачі може бути знайдена з  основного рівняння масопередачі: 

                   ,    (1)

де К_х і К_у – коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м²٠с);

- середні рушійні сили по  фазах, кг/кг;

 М  – кількість сірководню, що поглинається  водою за одиницю часу, кг/с. 

1.   Маса сірководню, яка поглинається  за одиницю часу, і витрата води  на абсорбцію[2].

Ці  величини знайдемо з рівняння матеріального  балансу: 

    = L_min( )  (2) 

де  L, G – витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;

- початкова і кінцева концентрації  сірководню у воді, кг H₂S/кг H₂O;

, - початкова і кінцева концентрації сірководню в газі, кг H₂S /кг повітря;

L_min – мінімальні витрати абсорбента за умови рівноважної кінцевої концентрації сірководню у воді .

      Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і  рідині у обраній для розрахунку розмірності:

       = 0,078/(1 – 0,078) = 0,085 кг H₂S /кг повітря;  (3)

     y_k = y_п – (C₀/ 100) * y_п = 7,8 – (90/100) *7,8 = 0,78 % об.

     = 0,0078/(1 – 0,0078) = 0,0079 кг H₂S /кг повітря;  (4) 

      За  умови  = 0.

      Для визначення витрати інертної частини  газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.

      Густина H₂S  за робочих умов:

       = 1,44 кг/м³.      (5)

      Густина повітря за робочих умов: 

       = 1,22 кг/м³,      (6)

де M_H2S= 34,1 кг/кмоль – молекулярна маса сірководню;

М_пов = 29 кг/кмоль – молекулярна маса повітря.

          Початкова мольна концентрація сірководню в газовій суміші: 

           = 0,067,    (7)

      Густина газової суміші на вході в абсорбер: 

ρ_сум = у_поч٠ + (1 – у_п) ρ_пов=0,067٠1,44 + (1 –0,067)٠1,22=1,24 кг/м³.   (8) 

     Масова  витрата газової суміші на вході  в абсорбер: 

                  G_сум = V٠ρ_сум = 500٠1,24/3600 = 0,17 кг/с.  (9) 

      Витрата повітря G:

     G = G_сум(1 - ) = 0,17(1 – 0,078) = 0,16 кг/с.          (10)

      Маса H₂S , що поглинається водою за одиницю часу: 

      М = G = 0,16 (0,085 – 0,0079) = 0,012 кг/с. (11) 

      Для визначення кінцевої рівноважної концентрації сірководню у воді спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію сірководню у воді в мольних частках: 

       = 0,016 кмоль H₂S / кмоль H₂O, (12) 

де П  – тиск в абсорбері, мм. рт. ст.;

 Е  = 3200 мм рт. ст. -  константа Генрі для системи аміак – вода (таблиця 1.1)

      Відносна  масова концентрація:

       = = 0,031 кг H₂S / кг Н₂О,      (13)

де М_в = 18 кг/кмоль – молекулярна маса води. 

     З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента: 

                 L_mіn = М/ = 0,012 / 0,031 = 0,39 кг/с. 

     Робоча  витрата абсорбента : 

                 L = φ L_mіn = 1,3٠0,39 = 0,5 кг/с. ,                 (14)

       де φ – коефіцієнт надлишку  поглинача ( φ = 1,3 – 1,5) 

     Кінцева концентрація сірководню у воді на виході з абсорбера: 

                  0,012 / 0,5 = 0,024 кг H₂S / кг Н₂О.     (15)

     Питома  витрата поглинача: 

                 ℓ = L/G = 0,5/0,16= 3,125 кг/кг.        (16) 

     Перевіримо  отримані результати за рівнянням матеріального  балансу: 

                 М = G( _п - _к) = L( -  ).                                  (17)

     Баланс  дотримується. 

     3.2. Рушійна сила масопередачі [2].

     Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази: 

                  ,                                (18)

     

     де  ;   ; - концентрація H₂S на вході газу в абсорбер, рівноважна з концентрацією H₂S у воді на виході рідини з абсорбера;

      - концентрація H₂S на виході газу з абсорбера, рівноважна з концентрацією H₂S у воді на вході рідини в абсорбер.

     Враховуючи, що за умови  = 0, також дорівнює нулю.

     Рівняння  рівноваги між фазами при концентраціях  у відносних масових одиницях має вигляд:

                        = m                                                                   (18)

     Знайдемо  коефіцієнт розподілу m і  : 

                       m = = 0,085/0,031 = 2,74;                              (19)

                   = m٠ = 2,74٠ 0,024 = 0,066.

     Тоді 

                  0,085 – 0,066 = 0,019;

       0,0079 – 0 = 0,0079; 

= (0,019– 0,0079)/ℓn(0,019/0,0079) = 0,0111/ ln 2,4 =0,013 кг H₂S /кг повітря. 
 

     3.3. Швидкість газу  і  діаметр абсорбера [7]. 

     Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

     d = , (20)       

де        V – об’ємні витрати газу за робочої  температури t в абсорбері, м³ / с;

        w – швидкість  газу, віднесена до повного поперечного  перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

    Наближено граничну швидкість газу можна визначити  із графіка (рис.1.1.) залежно від відстані Н між тарілками й відношення густин газу й рідини ρ_г/ρ_р. Графік побудований для тарілок з круглими ковпачками; для тарілок іншої конструкції величину w_гр., визначену по графіку, слід помножити на відповідний поправковий коефіцієнт: 
 
 

                                    Тарілки            Коефіцієнт

                  Із прямокутними ковпачками ………..0,7

                  Ситчасті………………………………   1,35

                  Провальні……………………………….1,5 

Рекомендується  приймати робочу швидкість газу w = (0,8 – 0,9) w_гр.,    (21) 

  Рис. 1.1. Графік для визначення граничної  швидкості

            w_гр. у вільному січенні колони за різної відстані Н

            між тарілками 

Відношення  ρ_г /ρ_р =1.24/999=1.24*10^-3 ;

відстань  між тарілками приймаємо – H= 0,3 м

Гранична  швидкість з графіку дорівнює 0.8 , але за умови ми повинні помножити одержане значення на 1,5 , звідси w_гр.=0,8 *1,5=1,2 м/с

Тоді  робоча швидкість буде дорівнювати:

           w =0,8* 1,2 = 0,96 м/с 

    Об’ємні витрати газу за робочих умов :

                  V= G_сум / ρ_сум = 0,17 / 1,24 = 0,14 м³/c   ,             (22) 

    Після визначення наближеного значення швидкості розраховуємо діаметр колони: 

              d = =  

Приймаємо діаметр абсорбера(з ряду стандартних  діаметрів) d= 0,4м ( додаток 5.2. [1])

      Тоді дійсна швидкість газу в абсорбері:

                          w₁ = 4V/ (πd²) = 4٠0,14/(3,14٠0,4²) = 1,11 м/с ,       (23) 

     3.4. Розрахунок висоти колони [2].

     Для розрахунку робочої висоти колони треба  визначити кількість тарілок  і відстань між тарілками .

     Необхідну кількість тарілок визначають діленням загальної площі тарілок F на робочу площу f однієї тарілки.

                       n = F / f  ,                (24)        

     Для знаходження загальної площі  тарілок звичайно використовують модифіковане рівняння масопередачі, в якому коефіцієнти масопередачі для рідкої К_хf і газової К_уf фаз відносять до одиниці робочої площі тарілки: 

                   ,  (25)   

де  М - маса речовини, яка переноситься через поверхню масопередачі за одиницю часу, кг/ с;

F - загальна робоча площа тарілок в абсорбері, м². 

      3.4.1. Визначення коефіцієнтів масопередачі, необхідної загальної площі тарілок і числа тарілок

      Коефіцієнт  масопередачі визначимо за рівнянням  адитивності фазових дифузійних опорів:

,  (26), (27)   

де β_хf, β_уf - коефіцієнти масовіддачі, віднесені до робочої площі тарілки відповідно для рідкої і газової фаз, кг/(м² ٠с).

      Коефіцієнти масовіддачі будемо розраховувати  за рівняннями :

            β_хf  = 6.24٠10⁵٠ ; (28) 

            β_yf = 6.24٠10⁵ ;          (29)

      У наведених рівняннях: D_x, D_y - коефіцієнти молекулярної дифузії компоненту, який        поглинається, в рідині і газі, м² / с;

      U / (1 - ε), w / ε - середні швидкості рідини та газу у барботажному шарі, м / с;

        ε - газовміст барботажного шару, м³ / м³;

      U – густина зрошування, м³/(м²٠с);

      µ_х і µ_у – в’язкість рідини і газової суміші за робочих умов в абсорбері, Па٠с;

       h₀ – висота світлого шару рідини на тарілці, м.