Проектирование и расчет тарельчатого абсорбера в производстве водки

 

Введение 

     Абсорбцией  называется процесс поглощения газов  или паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

     При физической абсорбции поглощаемый  компонент (абсорбтив) не взаимодействует  химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то этот процесс называется хемосорбцией.

     Физическая  абсорбция в большинстве случаев  обратима. На этом свойстве абсорбционных  процессов основано выделение поглощенного газа или пара из растворов. Для регенерации поглотителя используется либо десорбция, либо ректификация.

     В промышленности абсорбция используется главным образом для извлечения ценных компонентов из парогазовых  смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

     Абсорбционные процессы широко распространены в химической промышленности. Например, абсорбция SO₂ и SO₃ в производстве серной кислоты, абсорбция HCl в производстве соляной кислоты, абсорбция окислов азота в производстве азотной кислоты, абсорбция паров ацетона и бензола в соответствующих производствах.

     Наибольшее  применение  промышленности нашли  тарельчатые и насадочные абсорберы.

     Достоинством  насадочных аппаратов является их простота, высокая эффективность и невысокое  гидравлическое сопротивление. Однако эти аппараты имеют сравнительно большой вес и громоздкость.

     Преимуществами  тарельчатых абсорберов являются их высокая эффективность и надежность, меньшая (по сравнению с насадочными) масса, устойчивая работа при изменении  нагрузок по жидкости и газу.

     Целью настоящего курсового проекта является разработка и проектирование тарельчатого абсорбера для улавливания водой из паровоздушной смеси паров этилового спирта. 

     1 Технология абсорбционной  установки 

     Основными элементами установки являются абсорбционная  колонна для улавливания паров  этилового спирта водой. Абсорбция ведется при избыточном давление P = 0,02 МПа (0,12МПа абсолютное) и температуре 82 ⁰С. Начальное содержание паров этилового спирта в исходной паровоздушной смеси составляет      31 % (об.).

     Работа  установки осуществляется следующим образом.

     Для улавливания паров спирта и очистки  воздуха паровоздушная смесь  из всех резервуаров (сборников, мерников) направляется в тарельчатый абсорбер А, подогреваясь предварительно в теплообменнике Т. В абсорбере паровоздушная смесь взаимодействует с водой на тарелках. Вода подается самотеком из напорной емкости НА 1 в тарельчатый абсорбер А, предварительно пройдя холодильник Х. Пройдя очистку, воздух выбрасывается в атмосферу, а раствор этилового спирта, с конечной концентрацией последнего в воде 2 % (масс.), насосом Н подается в напорный резервуар НА 2, откуда направляется в песочный фильтр для исправимого брака ПФ. Далее он проходит последующие этапы очистки и поступает в емкость, из которой идет на розлив, фасование и упаковку. Далее на реализацию. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Конструкция абсорбционной колонны

2.1 Описание конструкции  колонны

 

     Современные абсорбционные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и типа внутренних устройств, обеспечивающих контакт между паром и жидкостью.

     В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяют на вакуумные, атмосферные  и работающие под избыточным давлением.

     В зависимости от вида внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные аппараты.

     К аппаратам предъявляются следующие  требования:

     - высокая разделительная способность;

     - гибкость и надежность в работе;

     - высокая производительность;

     - низкие эксплуатационные расходы;

     - простота и технологичность конструкции.

     Выбор конструкции аппарата зависит от назначения аппарата и его места в технологической цепочке установки, состава разделяемой смеси и требований к качеству разделяемых продуктов, а также возможности уменьшения энергетических затрат.

     При выборе типа аппарата следует учитывать  технологические требования к процессу и его экономические показатели.

     Пленочные аппараты и насадочные абсорберы  незаменимы при проведении процесса в условиях разряжения, поскольку  их гидравлическое сопротивление самое низкое. Пленочные и насадочные колонны предпочтительнее также для обработки коррозионных сред и пенящихся жидкостей.

     Тарельчатые колонны удобны для крупнотоннажных  производств при сравнительно небольших  расходах жидкости, недостаточных для  равномерного смачивания насадки, а  также для процессов, сопровождающихся колебаниями температуры, так периодическое расширение и сжатие корпуса может разрушить  
 

хрупкую насадку. На тарелках проще установить змеевики для подвода и отвода теплоты. Тарельчатые колонны также применяются при обработке потоков с твердыми примесями или при выделении твердого осадка.

     В современных тарельчатых колоннах используются различные конструкции контактных устройств, основное назначение которых – создание максимально развитой поверхности контакта фаз.

     Основные  типы наиболее часто используемых в промышленности тарелок:

     - провальные (дырчатые, решетчатые, трубчатые);

     - со сливными устройствами (колпачковые,  ситчатые, клапанные, балластные, струйные  и др.).

     Выбор типа контактного устройства основывается на опыте эксплуатации массообменной аппаратуры и рекомендаций с учетом технико-экономических показателей, а также возможных колебаний нагрузок по жидкости и пару.

     В соответствии с заданием предлагаются к использованию решетчатые провальные тарелки. К их основным достоинствам относятся: большие эффективность и интенсивность; малые капитальные затраты; малый расход металла; легкость осмотра, чистки, ремонта и монтажа; возможность использования в агрессивных средах.

     Конструкция абсорбционной колонны приведена  на чертеже общего вида.

     Учитывая результаты расчетов: D = 1м, принято цельносварное исполнение корпуса колонны.

     Аппарат состоит из цельносварного корпуса  с приварными эллиптическими нижним и верхним днищами. Внутри аппарата монтируются решетчатые провальные тарелки ТР 12шт. Для монтажа, демонтажа и осмотра тарелок колонна снабжена люками D_y = 500мм. Аппарат устанавливается на бетонный фундамент с помощью цилиндрической опоры. Для подачи и отвода соответствующих технологических потоков колонна снабжена штуцерами. 
 
 
 

2.2 Выбор конструкционного материала 

     При выборе конструкционного материала  для изготовления аппаратов учитываются  следующие факторы: рабочее давление в аппарате, температура среды  и ее коррозионная активность. Также при выборе материала следует избегать дорогих и дефицитных материалов и при этом учитывать такие его свойства, как плотность, теплопроводность, пластичность и свариваемость.

     Так как колонна работает под избыточным давлением и температуре 82 ⁰С, выбираю в качестве основного материала элементов колонны (корпус, штуцера и люки) нержавеющую сталь 08Х22Н6Т ГОСТ 1256-84.

     Скорость  коррозии стали в рабочей среде  менее 1 мм/год.

     Для изготовления остальных элементов  колонны используют сталь 08Х13 ГОСТ 1256-84; прокладки – паронит ПМБ ГОСТ 481-80. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Технологический расчет тарельчатого абсорбера 

     Целью технологического расчета абсорбера  является составление материального  баланса, расчет диаметра аппарата, числа  тарелок и высоты аппарата, а также  гидравлический расчет и расчет штуцеров абсорбера. 

Исходные  данные: 

Расход  паровоздушной смеси                                                             G = 0,7  кг/c,

Поглотитель                                                                                                      вода,

Содержание  паров этилового спирта  в исходной смеси              у_н = 31 % (об.),

Конечная  концентрация этилового спирта  в воде                          % (масс.),

Температура в абсорбере                                                                          t = 82 ,

Давление  в абсорбере (избыточное)                                                 P = 0,02 МПа,

Тип контактного  устройства                                                                       тарелка. 

     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 К_x, К_y – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам, кг/(м²*с). 
 
 
 
 
 
 

3.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя 

       Массу этилового спирта (СП), переходящего в процессе абсорбции из воздушной смеси (ВОЗ) в поглотитель за единицу времени, нахожу из уравнения материального баланса:

                                                  .                                  (2)

где L, G – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

- начальная и конечная концентрации  этилового спирта в газовой фазе, кгСП/кгГ.

-  начальная и конечная  концентрации этилового спирта в воде, кг СП/кг В.

Перевожу  все известные концентрации в  относительные массовые доли.

 кг СП/ кг В.

                                                             ,                                                   (3)

 кг СП/ кг В.

                                                        ,                                               (4)

где  =  46 кг/кмоль – молекулярная масса этилового спирта ;

= 29 кг/кмоль - молекулярная масса воздуха.

  Подставляя  численные значения в (4), получаю:

  кг СП/ кг ВОЗ.

     Дальнейший  расчет ведется в относительных  массовых концентрациях.

     Принимаю, что конечная концентрация этилового спирта  в воздухе равна предельно допустимой концентрации (ПДК) этилового спирта  в воздухе, согласно [5]:

      , тогда

                                                             ,                                                (5)