Розрахунок та проектування абсорбційної установки

Для осадження газу використовують розпилення води , а нейтралізацію здійснюють за допомогою розчинів лугу і вапна.[3]

Деякі властивості сірководню приведемо у таблицях, дані з яких будуть в подальшому використовуватися при розрахунках[4]:

Таблиця 1.1. Коефіцієнти Генрі для водних розчинів деяких газів

Таблиця 1.2. Коефіцієнти дифузії газів і парів              

                                                        (за нормальних умов)

                                                                                    У повітрі                                У воді (при 200С)

              Газ                                                        D0, 106 м2/с                     D٠106

Азот N2                                                        12,2                                          0,00192

              Аміак NН3                                                        19,8                                          0,00183

              Ацетон С3Н6О                                          9,22

              Бензол С6Н6                                                        7,7

              Бутилацетат                                                        5,7

              Водень Н2                                                        61,1                                          0,00305

              Сірки діоксид SО2                                          12,2

              Вуглецю діоксид СО2                            13,6                                          0,00178

              Діхлоретан С2Н4Сℓ2                                          0,072

              Діетиловий ефір С4Н10О                            7,8

              Кисень О2                                                        17,5                                          0,00208

              Метиловий спирт СН4О                            13,2                                          0,00144

              Сірчистий ангідрид Н2S                            9,4                                          0,0016

              Сірковуглець СS2                                          8,8

              Толуол С7Н8                                                        7,1

              Хлористий водень НСℓ                            13,0                                          0,00274

              Хлороформ СНСℓ3                                          0,091

              Етиловий спирт С2Н6О                            10,2                                          0,00103

              Перерахунок коефіцієнтів дифузії.

              У повітрі за іншої температури і тиску:  D = D0.

Вода, Н2O — прозора рідина без запаху, смаку і кольору; оксид водню. Молекула води складається з одного атома оксигену і двох атомів гідрогену. Атоми гідрогену розташовані в молекулі так, що напрямки до них утворюють кут 104,45o із вершиною в центрі атома оксигену. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 Дебая. При заміні атомів гідрогену (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.

Чиста вода - безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С - кипить, перетворюючись у пару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.

У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см3 чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі 0,01 °C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01 °C точне — на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (СІ), кельвіна.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках.

Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що молекула води має значний дипольний момент (1,844 Дебая). Завдяки цьому молекули води сильно взаємодіють між собою, що приводить до конденсації при доволі високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють. Легкі атоми водню утворюють водневі зв'язки між різними молекулами, зумовлюючи складну взаємозв'язану структуру рідини.

Вода має численні технічні застосування. Енергія падіння води широко використовується на гідроелектростанціях для одержання дешевої електричної енергії. Воду використовують у будівельній, текстильній, шкіряній, металургійній і багатьох інших галузях промисловості. Особливо широко застосовують воду у хімічній промисловості для процесів розчинення, фільтрування, промивання і як сировину для одержання різних хімічних продуктів: їдких лугів, кислот, водню тощо.

      Тиск при якому відбувається абсорбція , за участю вище наведених компонентів, буде дорівнювати атмосферному 760 мм.рт.ст. , адже сірководень добре розчинний у воді і не має потреби збільшувати тиск.[3]

2. Опис технологічної схеми 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 Кх і Ку – 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.

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

Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:

= Lmin()               (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;

Lmin – 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)

yk = yп – (C0/ 100) * yп = 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 MH2S= 34,1 кг/кмоль – молекулярна маса сірководню;

Мпов = 29 кг/кмоль – молекулярна маса повітря.

              Початкова мольна концентрація сірководню в газовій суміші:

              = 0,067,                 (7)

              Густина газової суміші на вході в абсорбер:

ρсум = упоч٠+ (1 – уп) ρпов=0,067٠1,44 + (1 –0,067)٠1,22=1,24 кг/м3.   (8)

Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:

                                          Gсум = V٠ρсум = 500٠1,24/3600 = 0,17 кг/с.              (9)

Витрата повітря G:

G = Gсум(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 Мв = 18 кг/кмоль – молекулярна маса води.

З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:

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

Робоча витрата абсорбента :

                            L = φ Lmіn = 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: