Курсовой проект: Расчет абсорбционной установки непрерывного действия

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Полоцкий государственный университет имени
Евфросинии Полоцкой»
Кафедра технологии и оборудования
переработки нефти и газа
Факультет механико-технологический
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
на тему: «Расчет абсорбционной установки непрерывного действия»
Выполнил
_____________
(подпись)
Ст. пр. Емельянова В. А.
Руководитель
(подпись)
_________________________
(отметка о допуске к защите)
_________________________
(дата)
(подпись руководителя)
_________________________
(отметка по курсовому проекту)
_________________________
(дата)
студент группы 24-ХТ
Белоус И. В.
(подписи)
2
Оглавление
3
Введение, принципиальная схема абсорбционной установки
Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения
компонентов из газовой или паровой смеси жидким поглотителем, в котором
данный компонент растворим.
Области применения абсорбционных процессов в промышленности
весьма обширны:

получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью;

разделение газовых смесей на составляющие их компоненты;

очистка газов от вредных примесей;

улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической
абсорбции растворение газа в жидкости не сопровождается химической
реакцией или влиянием этой реакции на скорость процесса можно пренебречь.
Физическая абсорбция не сопровождается существенными тепловыми
эффектами. Если при этом начальные потоки газа и жидкости незначительно
различаются по температуре, такую абсорбцию можно рассматривать как
изотермическую.
Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом
свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из
раствора – десорбция.
Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять
поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.
Рисунок 1 – Принципиальная схема абсорбционно-десорбционной
установки
1 – абсорбер, 2 – холодильник, 3 – подогреватель, 4 – десорбер, 5 –
конденсатор, 6 – емкость, 7 – теплообменник. Потоки: I – сырой газ, II – сухой
4
газ, II –I насыщенный абсорбент, IV – регенерированный абсорбент, V –
извлеченные компоненты, VI – несконденсированные газовые компоненты,
VII – жидкий продукт, VIII – десорбирующий агент, IX –теплоноситель.
5
1.Материальный баланс процесса абсорбции
Массу аммиака 𝑁𝐻3 , переходящего в процессе абсорбции из газовой
смеси
в поглотитель за единицу времени, находим из уравнения
материального баланса[2]:
𝑀 = 𝐺 ⋅ (𝑌𝐻 − 𝑌𝐾 ) = 𝐿(𝑋̄𝐾 − 𝑋̄𝐻 )
(1.1)
где 𝐿, 𝐺– расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части
газа, кг/с;
𝑋̄𝐻 , 𝑋̄𝐾 – начальная и конечная концентрация аммиака в воде, кг 𝑁𝐻3 /
кг воды;
𝑌𝐻 , 𝑌𝐾 – начальная и конечная концентрация аммиака в газе, кг 𝑁𝐻3 /
кг газа;
Начальные относительные массовые составы газовой и жидкой
фаз определяются по формулам:
𝑥
𝑋̄𝐻 = н ,
1−𝑥н
𝑋̄𝐻 =
0
1−0
𝑌𝐻 =
=0
𝑀𝑁𝐻3
𝑀возд
⋅
кг 𝑁𝐻3
кг воды
𝑦𝐻
1−𝑦𝐻
;
,
17
0,14
кг𝑁𝐻3
⋅
= 0,0954
29 1 − 0,14
кгвозд
где 𝑦𝐻 – начальная объемная концентрация вещества в газовой смеси;
𝑥̄ 𝐻 – начальная массовая концентрация вещества в воде.
Концентрация аммиака на выходе из абсорбера:
𝑌𝐾 = 𝑌𝐻 (1 − 𝜀),
где 𝜀– степень извлечения.
кг𝑁𝐻3
𝑌𝐾 = 0,0954 ∙ (1 − 0.95) = 0,00477
.
𝑌𝐻 =
кгвозд
6
2. Расчет равновесных и рабочих концентраций, построение рабочей
и равновесной линии процесса абсорбции на диаграмме x-y
Для определения равновесной концентрации этилового спирта и
построения линии равновесия выполним следующий расчет:
Зададимся рядом последовательных значений конечных концентраций
𝑁𝐻3 в жидкости, вытекающей из абсорбера – 𝑋;
Рассчитаем температуру жидкости 𝑡2 :
Ф
̅ − Х𝐻 )
𝑡2 = 𝑡1 + (Х
с
где с – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);
𝑡1 – температура жидкости на входе в абсорбер;
Ф – дифференциальная теплота растворения, Дж/кг;
35322
𝑐 = 4,19 ⋅ 103 Дж/(кг·К); Ф = 35322кДж/кмоль или Ф =
=
17
2078кДж/кг.
2078
(0 − 0) = 16 ℃
𝑡2 = 16 +
4,19
Рассчитаем для каждой температуры 𝑡2 величину 𝜙:
𝜙 = 109,343−1922/Т
𝜙 = 109,343−1922/(273+16) = 492,585 мм. рт. ст.
Пересчитываем относительные массовые концентрации 𝑋 в мольные
доли х
х=
х=
𝑀 𝐻2 𝑂 Х
𝑀𝐻2 𝑂 Х+𝑀𝑁𝐻3
, (2.3)
18 ∙ 0
кг𝑁𝐻3
=0
18 ∙ 0 + 17
кг воды
Находим значение 𝑝∗ по уравнению:
𝑝∗ = 𝜙𝑦,
𝑝∗ = 492,585 ⋅ 0 = 0 мм. рт. ст..
∗
Определяем 𝑌 по формуле
∗
𝑀𝑁𝐻3
р∗
𝑌 =
⋅
,
∗
𝑀возд
Р−р
где Р – общее давление смеси газов.
∗
17
кгNH3
𝑌 = ⋅0=0
.
29
кг воды
7
Остальные расчеты выполнены в EXCEL и сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Результаты расчёта
X
t
x
ф
p
y
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
16
20,95943
25,91885
30,87828
35,83771
40,79714
45,75656
50,71599
55,67542
60,63484
65,59427
0
0,010477
0,020737
0,030787
0,040632
0,050279
0,059735
0,069003
0,078091
0,087003
0,095745
492,5848
637,7974
818,7689
1042,555
1317,245
1652,052
2057,407
2545,053
3128,135
3821,297
4640,767
0
6,682394
16,97908
32,09692
53,52239
83,06408
122,8982
175,617
244,2795
332,4652
444,3287
0
0,005216
0,013437
0,025928
0,044547
0,072151
0,113426
0,176704
0,278516
0,457248
0,82765
По данным табл. 2.1, а также данным, полученным в гл.1, построена
рабочая и равновесная линия процесса абсорбции (рис.2.1).
0,2
0,18
0,16
0,14
Y
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
X
Рисунок 2.1 – Диаграмма рабочей и равновесной линии процесса абсорбции
При парциальном давлении 𝑁𝐻3 в поступающем газе по закону
Дальтона
𝑝н = 𝑃 ⋅ 𝑦н
𝑝н = 101,3 ⋅ 0,14 = 14,182кПа
8
Равновесная концентрация 𝑁𝐻3 в жидкости, вытекающей из абсорбера,
∗
составит 𝑋к = 0,05 кг𝑁𝐻3 /кгводы. При степени насыщения воды аммиаком
𝜂 = 0,75 конечная концентрация аммиака в жидкости равна:
Хк = 0,05 ⋅ 0,75 = 0,0375
кгNH3
кгводы
.
Принимаем, что газовая смесь, поступающая на установку, перед
подачей в колонну охлаждается в холодильнике до температуры поглотителя
(20o C). В этом случае объём этой смеси равен:
Vг = Vc ∙
𝑡 + 273
𝑡н + 273
Отсюда:
0,1 ∙ (273 + 20)
м3
Vг = 5 ∙
= 0,45
0,45 ∙ (273 + 450)
с
Количество аммиака, поступающего в абсорбер, определяется по
формуле:
𝐺𝑁𝐻3 = 𝑉г ∙ 𝑦 ∙ 𝜌𝑁𝐻3
где ρ𝑁𝐻3 =
𝑀 T0 p
17
273∙0,45
кг
=
∙ (273+16)∙0,1 = 3,226 3 – плотность аммиака
22,4 T p0
22,4
м
при 16оС и 0,45МПа .
Отсюда:
G𝑁𝐻3 = 0,45 ∙ 0,14 ∙ 3,226 = 0,2023
кг
с
Количество поглощённого аммиака определяется по формуле:
M = G𝑁𝐻3 ∙ ε
Отсюда:
M = 0,2023 ∙ 0,95 = 0,192
кг
с
Количество воздуха, поступающего в абсорбер:
𝐺возд = 𝑉г ∙ (1 − 𝑦) ∙ 𝜌возд ,
где ρвозд =
16оС
𝑀
∙
𝑇0 𝑝
22,4 𝑝0 𝑇
=
29
∙
273∗0,45
22,4 (273+16)∗0,1
= 5,503
кг
– плотность воздуха при
м3
Gвозд = 0,45 ∗ (1 − 0,14) ∙ 5,503 = 2,13 кг⁄с
9
Плотность газа, поступающего на абсорбцию:
𝜌г =
𝜌г =
𝐺NH3 +𝐺возд
𝑉г
0,2023+2,13
0,45
,
= 2кг/м3 .
Количество поглощенного аммиака:
′
𝐺NH
= 𝐺𝑁𝐻3 ⋅ 𝜀,
3
′
𝐺𝑁𝐻
= 0,2023 ⋅ 0,95 = 0,192185кг/с.
3
Расход воды в абсорбер:
𝐿=
𝐿=
′
𝐺NH
3
𝑋к −Хн
0,192185
0,0375−0
,
= 5,125 кг/с.
Расход поглощаемого компонента:
𝑀 = 𝐺 ⋅ (𝑌𝐻 − 𝑌𝐾 )
𝑀 = 2,13 ∙ (0,0954 − 0,00477) = 0,193
кг
с
Проверка материального баланса:
𝐺(𝑌𝐻 − 𝑌𝐾 ) = 𝐿(𝑋к − Хн )
2,13 ∙ (0,0953 − 0,00477) = 0,19; 5,125 ∙ (0,0375 − 0) = 0,19
10