Абсорбция сероводорода

2



Содержание



Введение

1. Общая часть

2. Технологический расчет

2.1 Материальный баланс, определение массы улавливаемого сероводорода и расхода поглотителя

2.2 Расчёт движущей силы

3. Конструктивный расчет

3.1 Расчет коэффициента массопередачи

3.2 Выбор типа насадки и рекомендации по её применению

3.3 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера

3.4 Определение скорости жидкости (плотности орошения) и доли активной поверхности насадки

3.5 Расчет коэффициентов массотдачи

3.6 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорбера

4. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера

5. Прочностной расчет

5.1. Расчет толщины стенки обечайки

5.2 Расчет днищ и крышек

5.3. Расчет опор аппарата

5.4. Расчет штуцеров

5.5. Конструкции фланцевых соединений

Список литературы




Введение



В данном курсовом проекте происходит абсорбция сероводорода, из воздушной смеси, водой. В результате, на выходе из абсорбера, получается так называемая сероводородная кислота, широко используемая как в промышленности, так и в народном хозяйстве.

СЕРОВОДОРОД -- Н2S, бесцветный газ с резким удушливым запахом; tпл = -77,7 °С, tкип = -33,35 °С. Растворим в воде (0,378% по массе при 200С); водный раствор - сероводородная кислота.

КПВ в воздухе 4,5-45,5%.

Сероводород является сильным окислителем. Содержится в попутных газах месторождений нефти, в природных и вулканических газах, водах минеральных источников. Образуется в результате разложения белковых соединений. В промышленности получается как побочный продукт при очистке нефти, природного и коксового газа. В лабораторных условиях получается при взаимодействии сульфида железа и серной кислоты.

Применяется в производстве серной кислоты, серы; для получения сульфидов, сероорганических соединений; для приготовления лечебных сероводородных ванн.

Раздражает слизистые оболочки и дыхательные органы (ПДК 10мг/м3)


1. Общая часть



Под абсорбцией понимают поглощение газа или жидкости жидким поглотителем, в котором абсорбируемое вещество более или менее растворимо. Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путём 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. Как правило, 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.

При выборе типа абсорбера необходимо в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Поверхностные абсорберы используются для поглощения хорошо растворимых газов, они имеют ограниченное применение вследствие малой эффективности и громоздкости. К достоинствам более эффективных, относятся простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами. Однако и они применяются, главным образом, для поглощения хорошо растворимых газов.


2. Технологический расчет



Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи [1]:







где  - масса вещества, передаваемого через поверхность раздела фаз в единицу времени (масса улавливаемого компонента), ;

 - коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, ;

 - средняя движущая сила абсорбции по жидкой фазе, ;

 - средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, .



2.1 Материальный баланс, определение массы улавливаемого сероводорода и расхода поглотителя



Массу сероводорода, переходящего в процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:







где  - масса улавливаемого компонента, ;

 - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, ;

 - начальная и конечная концентрация сероводорода в газе, ;

 - начальная и конечная концентрация сероводорода в поглотителе, .

Проведем пересчет концентраций и нагрузок по фазам в выбранную для расчета размерность:



,



где  - мольная доля сероводорода в газе на входе в абсорбер, ;  - мольная масса сероводорода, ;  [2];  - мольная масса воздуха, ;  [2]. 

Поскольку мольная доля любого компонента смеси идеальных газов равна его объемной доли, определим мольную долю сероводорода на входе в абсорбер:



. 



Тогда 







Конечная концентрация сероводорода в газе рассчитывается из регламентированной степени улавливания по формуле:






Конечная концентрация абсорбируемого компонента в абсорбенте обуславливает расход поглотителя, который в свою очередь влияет на размеры абсорбера и часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Конечную концентрацию  можно определить из уравнения материального баланса, выбрав оптимальный коэффициент избытка поглотителя.

Из уравнения материального баланса следует:



,



где  - минимальный массовый расход чистого поглотителя, ;  - конечная относительная массовая концентрация сероводорода в поглотителе, равновесная относительной массовой концентрации сероводорода в газе , ;  - коэффициент избытка поглотителя. На основании технико-экономических расчетов коэффициент избытка поглотителя принимают равным 1,1 [1]. Отсюда







С учетом заданной степени регенерации абсорбера , определим концентрацию сероводорода в регенерированном поглотителе:







Проверим, не противоречат ли определённые выше параметры  необходимому условию проведения процесса абсорбции наличию движущей силы процесса в любой точке по высоте аппарата, а именно:







Массовый расход инертной части газа может быть определён из выражения







где  -- массовый расход инертной части газа, ;  -- объёмный расход газа при нормальных условиях, ;  -- средняя плотность инертной части газа при нормальных условиях, ;  где  -- средняя плотность газа при нормальных условиях, ;  -- объёмная массовая концентрация сероводорода в газе на входе в абсорбер, . Среднюю плотность газа также можно рассчитать, зная его среднюю молекулярную массу из уравнения Менделеева-Клапейрона. Для аммиачного газа при нормальных условиях получим:







где  -- нормальное давление, 

; ;  -- газовая постоянная, 

; ; 

 -- абсолютная температура при нормальных условиях, ; .






Объёмная массовая концентрация сероводорода в газе на входе в абсорбер  определяется по формуле для пересчета концентраций



;





Тогда 



, 



Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту







Определим материальные потоки процесса.

Расход поглотителя (воды) равен







Тогда отношение расходов фаз или удельный расход поглотителя определяется






Расходы поглощающей смеси на входе и выходе абсорбера, соответственно  и , определяются выражениями:







Расходы газовой смеси на выходе и входе абсорбера, соответственно  и , будут:







2.2 Расчёт движущей силы



В насадочном абсорбере жидкая и газовая фазы движутся противотоком, при этом контакт фаз близок к непрерывному. Учитывая, что данный процесс абсорбции - изотермический (линия равновесия является прямой линией), расходы фаз постоянны (G=const и L=const), т.е. и рабочая линия является прямой. 

Предполагая, что потоки фаз равномерно распределены по поперечному сечению аппарата, перемешивание отсутствует, и все частицы каждой фазы движутся с одинаковыми скоростями, при этом концентрации фаз постоянны по поперечному сечению аппарата и изменяются только по его высоте, т.е. принимая модель идеального вытеснения, средняя движущая сила определяется по формуле






где:  -- большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, 







где:  -- относительные массовые концентрации сероводорода в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе), соответственно, на входе в абсорбер и на выходе из него, .

Определим большую и меньшую движущие силы на входе потоков в абсорбер и выходе из него:







Определим среднюю движущую силу






3. Конструктивный расчет



3.1 Расчет коэффициента массопередачи



Коэффициент массопередачи находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений [1]:







где  -- коэффициент массопередачи, ;

 -- коэффициент распределения, ;

 -- коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, .

Для расчета коэффициентов массоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков в абсорбере.



3.2 Выбор типа насадки и рекомендации по её применению



При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями [1,3]:

Во-первых, конкретными условиями проведения процесса -- нагрузки по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.

Во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу -- необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.

В-третьих, основными требованиями к аппаратурному оформлению -- создание единичного или серийного выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В данном курсовом проекте была выбрана насадка типа "Керамические сёдла "Инталокс" размером 50 мм", поскольку процесс абсорбции сероводорода водой происходит сравнительно легко, исходное сырьё не загрязнено механическими примесями. Насадка имеет следующие характеристики:

Удельная поверхность - 118 м2/м3;

Свободный объём - 0,79 м3/м3;

Насыпная плотность - 530 кг/м3.



3.3 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера



Выбор рабочей скорости газа обусловлен многими факторами. В общем случае её находят путём технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Рабочая скорость газа является функцией скорости захлёбывания - предельной фиктивной скорости газа в сечении колоны. Как правило, для абсорберов, работающих в плёночном режиме, рабочую скорость газа принимают равной 0,75~0,9 от предельной.







где

--плотности газа и жидкости соответственно, ;

 -- ускорение свободного падения, ;

;

 -- удельная поверхность, ;

 -- динамическая вязкость соответственно поглотителя и воды при 200С, ;

 -- коэффициенты, зависящие от типа насадки.







Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:







где:

-- объёмный расход газа при рабочих условиях в абсорбере, .

-- рабочая скорость, равная 0,75~0,9 W3









Тогда






Принимаем нормальный диаметр колоны в химическом производстве, равный , при этом действительная рабочая скорость газа в колоне будет равна:







Отношение , входит в рекомендуемый интервал 0,75~0,9, следовательно выбранный диаметр полностью удовлетворяет наши

м условиям. Таким образом, принимаем .



3.4 Определение скорости жидкости (плотности орошения) и доли активной поверхности насадки



Объёмной плотностью орошения (скоростью жидкости) в насадочных колоннах обычно выражают объёмный расход жидкости на 1 м2 площади поперечного сечения слоя насадки в единицу времени [3]:



,



Где  -- объёмная плотность орошения, ;

 -- площадь поперечного сечения абсорбера, .

Определим






При малых плотностях орошения невозможно обеспечить полное смачивание всей поверхности насадки. Минимальную плотность орошения обычно принимают  [3] ; при меньших плотностях орошения целесообразнее применять барботажные аппараты.

Важное значение имеет равномерное распределение орошающей жидкости по поперечному сечению колонны. Для повышения равномерности распределения орошающей жидкости, насадку часто разделяют на отдельные слои, располагая у стенок между слоями направляющие конуса, а для осуществления равномерной подачи орошения применяют различные устройства: распределительные плиты, желоба, дырчатые трубы, "пауки", брызговики и т.д. Существует некоторая минимальная эффективная плотность орошения , выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения  находят по соотношению [3]:







где

 -- эффективная линейная плотность орошения, .

Для колец "Инталокса" размером 50 мм 

Тогда







Плотность орошения  в проектируемом абсорбере превышает минимальную эффективную плотность орошения , поэтому коэффициент смачиваемости насадки  (доля смоченной поверхности) равен 1.

Коэффициент смачивания насадки , определённый как отношение удельной смоченной поверхности  ко всей удельной поверхности, может быть найден из уравнения [3]:



 где





где

-- модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости.

Значение постоянных: А=1.0,С=0.089, n=0.7

Однако не вся смоченная поверхность активна для массопередачи вследствие образования застойных зон в точках контакта между насадочными телами.

Доля активной поверхности , определяется как отношение удельной поверхности насадки ко всей удельной поверхности:



,



где

 -- удельная активная поверхность насадки, .

Для нерегулярных (неупорядоченно засыпанных) насадок удельную активную поверхность приближенно можно найти по формуле [3]:





Тогда:







Таким образом, некоторая часть смоченной поверхности может быть неактивной.



3.5 Расчет коэффициентов массотдачи



При расчете коэффициента массопередачи  или , коэффициент массоотдачи  в газовой фазе для неупорядоченно загруженных насадок может быть определён по уравнению [1,3]:







где

-- диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;

-- критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;

-- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

-- коэффициент массоотдачи в газовой фазе, ;

-- эквивалентный диаметр насадки, ;

-- коэффициент диффузии абсорбируемого компонента в газовой фазе, ;

-- вязкость газа, .

Для проектируемого абсорбера, в случае неупорядоченно загруженной насадки,  равен







Коэффициент диффузии компонента газовой фазы А в газе В можно рассчитать, пользуясь полуэмпирической зависимостью [1,3]



,



где

 -- мольные объёмы газов А и В соответственно в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, ;

 -- мольные массы газов А и В соответственно, ;

-- давление в абсорбере, ;

-- температура газа, .

Определим  для рассматриваемого случая






Рассчитаем критерий Рейнольдса:







Диффузионный критерий Прандтля







Коэффициент массоотдачи







Выразим  в выбранной для расчета размерности







Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе  находят по обобщённому уравнению, пригодному как для регулярных, так и для неупорядоченных насадок [1,3]






где

 -- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;

 -- модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;

 -- диффузионный критерий Прандтля для жидкости;

 -- приведённая толщина стекающей пленки жидкости, м;

 -- коэффициент диффузии абсорбируемого компонента в жидкой фазе, м2/с;

 -- коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с.

Отсюда  равен:







Коэффициент диффузии  в разбавленных растворах может быть достаточно точно вычислен по уравнению [1,3]







где

 -- мольная масса растворителя, кг/кмоль;

 -- температура растворителя, К;

 -- мольный объём поглощаемого компонента, м3/кмоль;

 -- поправочный коэффициент.

Для воды 

Тогда для рассматриваемого случая получим:









Выразим  в выбранной для расчета размерности:







Определим Коэффициент массопередачи по газовой фазе:







3.6 Определение поверхности массопередачи и высоты абсорбера



Определим величину поверхности массопередачи в абсорбере из основного уравнения массопередачи, с учетом проведённого расчета:






Высоту насадки, требуемую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле:







Расстояние между днищем абсорбера и насадкой Нн определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно его рассчитывают, исходя из соотношения Нн = (1,0….1,5) D.

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера Нв зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). С учетом этого, примем Нв = 2 м.

Тогда общая высота высота абсорбера:






4. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера



Необходимость расчета гидравлического сопротивления  обусловлено тем, что оно определяет энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер.

Величину  можно рассчитать по формуле [3]:







где

 -- гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки, Па;

 -- коэффициент, зависящий от типа насадки.

Для насадки типа сёдла "Инталокс" 50мм 

Гидравлическое сопротивление сухой насадки  определяют по уравнению:







где

 -- коэффициент сопротивления;

 -- действительная скорость газа (скорость газа в свободном сечении насадки), м/с.

Коэффициент сопротивления  является здесь некоторым эффективным коэффициентом, учитывающим потерю давления как от трения газа о поверхность насадочных тел, так и от изменения скорости и направления газового потока при протекании его по каналам между элементами насадки. Коэффициент  зависит от типа насадки, режима движения газа и является функцией критерия .

Коэффициент сопротивления нерегулярных насадок, кроме кольцевых, в которых пустоты распределены равномерно по всем направлениям (шары, седлообразная насадка), рекомендуется рассчитывать по уравнению:








5. Прочностной расчет



Расчету на механическую прочность от внутреннего избыточного давления и внешних нагрузок (силы тяжести, ветровых, сейсмологических и др.) должны подвергаться все основные элементы аппарата (обечайки, днища, крышки и другие несущие нагрузку детали).

Стандартные узлы и детали при применении их в конструктивном аппарате выбираются на ближайшее большее давление для рабочей температуры и, как правило, на прочность не рассчитываются.

Расчет элементов стальных сварных аппаратов производится по предельным нагрузкам, допускающим в отдельных напряженных местах рассчитываемой детали, наряду с упругими, наличие пластических деформаций.

Прочностной расчет аппарата начинается с выбора материала.

В нашем случае (сероводород не является агрессивной средой для сталей) выбираем дешевую сталь марки Ст 20 с допускаемым напряжением при температуре 1000С 

Принимаем модуль продольной упругости 

Прибавку на коррозию примем 



5.1. Расчет толщины стенки обечайки



Расчет цилиндрических обечаек проводится по ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 597-77

Гладкие цилиндрические обечайки (см. рис.2)

Расчет обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением. Толщина стенки определяется по уравнению [4]:






Принимаем 

Допускаемое внутреннее избыточное давление определяется по формуле:







Расчет обечайки, нагруженной внешним давлением. Толщина стенки приближенно определяется по формулам:







Конструкция гладкой цилиндрической обечайки



Коэффициент  определяется в зависимости от значений коэффициентов К1 и К3:






Тогда 







Принимаем 

Допускаемое наружное давление определяется по формуле:







где допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:







а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:







где







Тогда:






Окончательно принимаем 



5.2 Расчет днищ и крышек



Расчет днищ и крышек выполняется по ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 1039-78, СТ СЭВ 1048-78, СТ СЭВ 1041-78.

Днища эллиптические отборные (см. рис.3).

Расчет днищ, нагруженных внутренним избыточным давлением. Толщина стенки днища определяется по формулам [4]:







Принимаем 

Расчет днищ, нагруженных наружным давлением. Толщина стенки днища приближенно определяется по формуле:







Для предварительного расчета коэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища  принимается равным 0,9.

Тогда






Конструкция эллиптического отборного днища







Принимаем 

Допускаемое наружное давление определяется по формуле:







где допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:







а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:









Для большей надёжности примем  Тогда:

Допускаемое наружное давление определяется по формуле:







где допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:







а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:









Окончательно принимаем 



5.3 Расчет опор аппарата



Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах (см. рис.4), когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальных конструкциях.

Расчетные нагрузки. При определении нагрузки на опору-лапу действующие на аппарат нагрузки приводятся к осевой силе Р.

Нагрузка на одну опору определяется по формуле [4]:







где

1 -- коэффициент, зависящий от числа опор z

 -- вес всего аппарата.

Принимаем число опор равное 4, тогда: 

Вес аппарата рассчитывается по формуле:







Где



 - 



вес цилиндрической части обечайки;


Конструкция лап подвесных



 -- вес крышки аппарата;

 -- вес днища аппарата;



 -- вес жидкости, находящейся в аппарате.

 -- плотность выбранной ранее стали.





Тогда:














Тогда:







По рассчитанной нагрузке принимаем следующие характеристики опор:







5.4 Расчет штуцеров



Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров. 

Стальные штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб с приваренными к ним фланцами или кованные заодно с фланцами. 

В данном курсовом проекте применяются штуцера с приварным фланцем в стык и тонкостенным патрубком (см. рис.5) ОСТ 26-1408-76. [4].



Таблица 6.1. 

Dy

dt

St

Ht

50

57

3

155

100

108

5

155

200

219

6

160



Конструкция штуцера с приварным фланцевым соединением



5.5 Конструкции фланцевых соединений



В химических аппаратах для разъёмного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д. фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры, а так же для аппаратов.

В данном курсовом проекте выбрано фланцевое соединение с выступом впадиной по ГОСТ 12828-67 (см. Рис.6). [4].


Таблица 6.2. 

Py,MПа

Размеры, мм

Число отверстий z



Dy

DФ

DБ

D1

D2

D4

D5

h

h1

h2

d



<0.25

200

315

280

258

250

222

225

15

18

18

18

8



Конструкция фланцевого соединения с выступом впадиной




Список литературы



Павлов К.В., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 1981. -560 с.

Плановский А.Н., Рамм В.М., Кагаз С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968. -847 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1983. -272 с.

Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. - Л.: Машиностроение, 1981. -383с.