Абсорбция сероводорода

Содержание
Введение
1. Общая часть
2. Технологический расчет
2.1 Материальный баланс, определение массы улавливаемогосероводорода и расхода поглотителя
2.2 Расчёт движущей силы
3. Конструктивный расчет
3.1 Расчет коэффициентамассопередачи
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 проектепроисходит абсорбция сероводорода, из воздушной смеси, водой. В результате, навыходе из абсорбера, получается так называемая сероводородная кислота, широкоиспользуемая 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 при200С); водный раствор — сероводородная кислота.
КПВ в воздухе 4,5-45,5%.
Сероводород является сильнымокислителем. Содержится в попутных газах месторождений нефти, в природных ивулканических газах, водах минеральных источников. Образуется в результатеразложения белковых соединений. В промышленности получается как побочныйпродукт при очистке нефти, природного и коксового газа. В лабораторных условияхполучается при взаимодействии сульфида железа и серной кислоты.
Применяется в производствесерной кислоты, серы; для получения сульфидов, сероорганических соединений; дляприготовления лечебных сероводородных ванн.
Раздражает слизистые оболочки идыхательные органы (ПДК 10мг/м3)
1. Общая часть
Под абсорбцией понимаютпоглощение газа или жидкости жидким поглотителем, в котором абсорбируемоевещество более или менее растворимо. Области применения абсорбционных процессовв промышленности весьма обширны: получение готового продукта путём поглощениягаза жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очисткагазов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.
Различают физическую абсорбцию ихемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа в жидкости несопровождается химической реакцией или влиянием этой реакции на скоростьпроцесса можно пренебречь. Как правило, физическая абсорбция не сопровождаетсясущественными тепловыми эффектами. Если при этом начальные потоки газа ижидкости незначительно различаются по температуре, такую абсорбцию можнорассматривать как изотермическую.
При выборе типа абсорберанеобходимо в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условийпроведения процесса с учетом технико-экономических факторов.
Поверхностные абсорберыиспользуются для поглощения хорошо растворимых газов, они имеют ограниченноеприменение вследствие малой эффективности и громоздкости. К достоинствам болееэффективных, относятся простота устройства, низкое гидравлическоесопротивление, возможность работы с загрязненными газами. Однако и ониприменяются, главным образом, для поглощения хорошо растворимых газов.
2. Технологический расчет
Геометрические размеры колонногомассообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи,необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.
Поверхность массопередачи можетбыть найдена из основного уравнения массопередачи [1]:
/>
где /> -масса вещества, передаваемого через поверхность раздела фаз в единицу времени (массаулавливаемого 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 массыулавливаемого сероводорода и расхода поглотителя
Массу сероводорода, переходящегов процессе абсорбции из газовой смеси в поглотитель за единицу времени, находятиз 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 инагрузок 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 любогокомпонента смеси идеальных газов равна его объемной доли, определим мольнуюдолю сероводорода на входе в абсорбер:
/>.
Тогда
/>
Конечная концентрация сероводородав газе рассчитывается из регламентированной степени улавливания по формуле:

/>
Конечная концентрацияабсорбируемого компонента в абсорбенте обуславливает расход поглотителя,который в свою очередь влияет на размеры абсорбера и часть энергетическихзатрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Конечнуюконцентрацию /> можно определить изуравнения материального баланса, выбрав оптимальный коэффициент избыткапоглотителя.
Из уравнения материальногобаланса следует:
/>,
где /> -минимальный массовый расход чистого поглотителя, />;/> – конечная относительнаямассовая концентрация сероводорода в поглотителе, равновесная относительноймассовой концентрации сероводорода в газе />,/>; /> – коэффициент избыткапоглотителя. На основании технико-экономических расчетов коэффициент избыткапоглотителя принимают равным 1,1 [1]. Отсюда
/>
С учетом заданной степени регенерацииабсорбера />, определим концентрацию сероводородав регенерированном поглотителе:
/>
Проверим, не противоречат лиопределённые выше параметры /> необходимомуусловию проведения процесса абсорбции наличию движущей силы процесса в любойточке по высоте аппарата, а именно:
/>
Массовый расход инертной частигаза может быть определён из выражения
/>
где /> –массовый расход инертной части газа, />; /> — объёмный расход газапри нормальных условиях, />; /> — средняя плотностьинертной части газа при нормальных условиях, />;/> где /> — средняя плотность газа принормальных условиях, />; /> — объёмная массоваяконцентрация сероводорода в газе на входе в абсорбер, />. Среднюю плотность газатакже можно рассчитать, зная его среднюю молекулярную массу из уравненияМенделеева-Клапейрона. Для аммиачного газа при нормальных условиях получим:
/>
где /> –нормальное давление,
/>;/>; /> — газовая постоянная,
/>;/>;
/> –абсолютная температура при нормальных условиях, />;/>.

/>
Объёмная массовая концентрация сероводородав газе на входе в абсорбер /> определяетсяпо формуле для пересчета концентраций
/>;
/>
Тогда
/>,/>
Производительность абсорбера попоглощаемому компоненту
/>
Определим материальные потокипроцесса.
Расход поглотителя (воды) равен
/>
Тогда отношение расходов фаз илиудельный расход поглотителя определяется
/>

Расходы поглощающей смеси навходе и выходе абсорбера, соответственно /> и/>, определяются выражениями:
/>
Расходы газовой смеси на выходеи входе абсорбера, соответственно /> и />, будут:
/>2.2 Расчёт движущей силы
В насадочном абсорбере жидкая игазовая фазы движутся противотоком, при этом контакт фаз близок к непрерывному.Учитывая, что данный процесс абсорбции — изотермический (линия равновесияявляется прямой линией), расходы фаз постоянны (G=const и L=const), т.е. и рабочая линия является прямой.
Предполагая, что потоки фазравномерно распределены по поперечному сечению аппарата, перемешиваниеотсутствует, и все частицы каждой фазы движутся с одинаковыми скоростями, приэтом концентрации фаз постоянны по поперечному сечению аппарата и изменяютсятолько по его высоте, т.е. принимая модель идеального вытеснения, средняядвижущая сила определяется по формуле
/>

где: /> –большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе изнего, />
/>
где: /> –относительные массовые концентрации сероводорода в газе, равновесные сконцентрациями в жидкой фазе (поглотителе), соответственно, на входе в абсорбери на выходе из него, />.
Определим большую и меньшуюдвижущие силы на входе потоков в абсорбер и выходе из него:
/>
Определим среднюю движущую силу
/>
3. Конструктивный расчет3.1 Расчет коэффициента массопередачи
Коэффициент массопередачинаходят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений [1]:
/>
где /> –коэффициент массопередачи, />;
/> –коэффициент распределения, />;
/> –коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, />.
Для расчета коэффициентовмассоотдачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости потоков вабсорбере.3.2 Выбор типа насадки и рекомендации по еёприменению
При выборе типа насадки дляпроведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями [1,3]:
Во-первых, конкретными условиямипроведения процесса — нагрузки по пару и жидкости, различиями в физическихсвойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей,поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.
Во-вторых, особыми требованиямик технологическому процессу — необходимостью обеспечить небольшой перепаддавления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое времяпребывания жидкости в аппарате и т.д.
В-третьих, основнымитребованиями к аппаратурному оформлению — создание единичного или серийноговыпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечениевозможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условийповышенной надежности и т.д.
В данном курсовом проекте былавыбрана насадка типа «Керамические сёдла „Инталокс“ размером 50мм», поскольку процесс абсорбции сероводорода водой происходитсравнительно легко, исходное сырьё не загрязнено механическими примесями. Насадкаимеет 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 газаобусловлен многими факторами. В общем случае её находят путёмтехнико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Рабочаяскорость газа является функцией скорости захлёбывания — предельной фиктивнойскорости газа в сечении колоны. Как правило, для абсорберов, работающих вплёночном режиме, рабочую скорость газа принимают равной 0,75~0,9 от предельной.
/>
где
/>–плотностигаза и жидкости соответственно, />;
/> –ускорение свободного падения, />;
/>;
/> –удельная поверхность, />;
/> –динамическая вязкость соответственно поглотителя и воды при 200С, />;
/> –коэффициенты, зависящие от типа насадки.
/>
Диаметр абсорбера находят изуравнения расхода:
/>
где:
/>–объёмный расход газа при рабочих условиях в абсорбере, />.
/>–рабочая скорость, равная 0,75~0,9 W3
 
/>
/>
Тогда
/>

Принимаем нормальный диаметрколоны в химическом производстве, равный />,при этом действительная рабочая скорость газа в колоне будет равна:
/>
Отношение />, входит в рекомендуемыйинтервал 0,75~0,9, следовательно выбранный диаметр полностью удовлетворяет наши
м условиям. Таким образом, принимаем/>.3.4 Определение скорости жидкости (плотностиорошения) и доли активной поверхности насадки
Объёмной плотностью орошения (скоростьюжидкости) в насадочных колоннах обычно выражают объёмный расход жидкости на 1 м2площади поперечного сечения слоя насадки в единицу времени [3]:
/>,
Где /> –объёмная плотность орошения, />;
/> –площадь поперечного сечения абсорбера, />.
Определим
/>

При малых плотностях орошенияневозможно обеспечить полное смачивание всей поверхности насадки. Минимальнуюплотность орошения обычно принимают /> [3]; применьших плотностях орошения целесообразнее применять барботажные аппараты.
Важное значение имеетравномерное распределение орошающей жидкости по поперечному сечению колонны. Дляповышения равномерности распределения орошающей жидкости, насадку часторазделяют на отдельные слои, располагая у стенок между слоями направляющиеконуса, а для осуществления равномерной подачи орошения применяют различныеустройства: распределительные плиты, желоба, дырчатые трубы, «пауки»,брызговики и т.д. Существует некоторая минимальная эффективная плотностьорошения />, выше которой всюповерхность насадки можно считать смоченной. Для насадочных абсорберовминимальную эффективную плотность орошения /> находятпо соотношению [3]:
/>
где
/> –эффективная линейная плотность орошения, />.
Для колец «Инталокса» размером50 мм />
Тогда
/>
Плотность орошения /> в проектируемом абсорберепревышает минимальную эффективную плотность орошения />, поэтому коэффициентсмачиваемости насадки /> (доля смоченнойповерхности) равен 1.
Коэффициент смачивания насадки />, определённый какотношение удельной смоченной поверхности /> ковсей 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 смоченнаяповерхность активна для массопередачи вследствие образования застойных зон вточках контактамежду насадочными телами.
Доля активной поверхности />, определяется какотношение удельной поверхности насадки ко всей удельной поверхности:
/>,
где
/> –удельная активная поверхность насадки, />.
Для нерегулярных (неупорядоченнозасыпанных) насадок удельную активную поверхность приближенно можно найти поформуле [3]:
/>
Тогда:
/>
Таким образом, некоторая частьсмоченной поверхности может быть неактивной.3.5 Расчет коэффициентов массотдачи
При расчете коэффициентамассопередачи /> или />, коэффициент массоотдачи /> в газовой фазе длянеупорядоченно 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, вслучае неупорядоченно загруженной насадки, /> равен
/>
Коэффициент диффузии компонента газовойфазы А в газе В можно рассчитать, пользуясь полуэмпирической зависимостью [1,3]
/>,
где
/> –мольные объёмы газов А и В соответственно в жидком состоянии при нормальной температурекипения, />;
/> –мольные массы газов А и В соответственно, />;
/>–давление в абсорбере, />;
/>–температура газа, />.
Определим /> для рассматриваемогослучая

/>
Рассчитаем критерий Рейнольдса:
/>
Диффузионный критерий Прандтля
/>
Коэффициент массоотдачи
/>
Выразим /> в выбранной для расчетаразмерности
/>
Коэффициент массоотдачи в жидкойфазе /> находят по обобщённомууравнению, пригодному как для регулярных, так и для неупорядоченных насадок [1,3]
/>

где
/> — диффузионный критерийНуссельта для жидкой фазы;
/> — модифицированныйкритерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;
/> — диффузионный критерийПрандтля для жидкости;
/> — приведённая толщина стекающейпленки жидкости, м;
/> –коэффициент диффузии абсорбируемого компонента в жидкой фазе, м2/с;
/> –коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с.
Отсюда /> равен:
/>
Коэффициент диффузии /> в разбавленных растворахможет 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 рассматриваемогослучая получим:
/>
/>
Выразим /> в выбранной для расчетаразмерности:
/>
Определим Коэффициент массопередачипо газовой фазе:
/>3.6 Определение поверхности массопередачи и высотыабсорбера
Определим величину поверхностимассопередачи в абсорбере из основного уравнения массопередачи, с учетомпроведённого расчета:

/>
Высоту насадки, требуемую длясоздания этой поверхности массопередачи, рассчитываем по формуле:
/>
Расстояние между днищемабсорбера и насадкой Нн определяется необходимостью равномерного распределениягаза по поперечному сечению колонны. Обычно его рассчитывают, исходя изсоотношения Нн = (1,0….1,5) D.
Расстояние от верха насадки докрышки абсорбера Нв зависит от размеров распределительного устройства дляорошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором частоустанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса изколонны). С учетом этого, примем Нв = 2 м.
Тогда общая высота высотаабсорбера:
/>
4. Расчет гидравлического сопротивления абсорбера
Необходимость расчетагидравлического сопротивления /> обусловленотем, что оно определяет энергетические затраты на транспортировку газовогопотока через абсорбер.
Величину /> можно рассчитать поформуле [3]:
/>
где
/> –гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки, Па;
/> –коэффициент, зависящий от типа насадки.
Для насадки типа сёдла «Инталокс»50мм />
Гидравлическое сопротивлениесухой насадки /> определяют поуравнению:
/>
где
/> –коэффициент сопротивления;
/> –действительная скорость газа (скорость газа в свободном сечении насадки), м/с.
Коэффициент сопротивления /> является здесь некоторымэффективным коэффициентом, учитывающим потерю давления как от трения газа оповерхность насадочных тел, так и от изменения скорости и направления газовогопотока при протекании его по каналам между элементами насадки. Коэффициент /> зависит от типа насадки, режимадвижения газа и является функцией критерия />.
Коэффициент сопротивлениянерегулярных насадок, кроме кольцевых, в которых пустоты распределеныравномерно по всем направлениям (шары, седлообразная насадка), рекомендуетсярассчитывать по уравнению:
/>
5. Прочностной расчет
Расчету на механическуюпрочность от внутреннего избыточного давления и внешних нагрузок (силы тяжести,ветровых, сейсмологических и др.) должны подвергаться все основные элементыаппарата (обечайки, днища, крышки и другие несущие нагрузку детали).
Стандартные узлы и детали приприменении их в конструктивном аппарате выбираются на ближайшее большеедавление для рабочей температуры и, как правило, на прочность не рассчитываются.
Расчет элементов стальныхсварных аппаратов производится по предельным нагрузкам, допускающим в отдельныхнапряженных местах рассчитываемой детали, наряду с упругими, наличиепластических деформаций.
Прочностной расчет аппаратаначинается с выбора материала.
В нашем случае (сероводород неявляется агрессивной средой для сталей) выбираем дешевую сталь марки Ст 20 сдопускаемым напряжением при температуре 1000С />
Принимаем модуль продольнойупругости />
Прибавку на коррозию примем />5.1. Расчет толщины стенки обечайки
Расчет цилиндрических обечаек проводитсяпо ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 597-77
Гладкие цилиндрические обечайки(см. рис.2)
Расчет обечайки, нагруженнойвнутренним избыточным давлением. Толщина стенки определяется по уравнению [4]:

/>
Принимаем />
Допускаемое внутреннееизбыточное давление определяется по формуле:
/>
Расчет обечайки, нагруженнойвнешним давлением. Толщина стенки приближенно определяется по формулам:
/>/> />
Конструкция гладкой цилиндрической обечайки
Коэффициент /> определяется в зависимостиот значений коэффициентов К1 и К3:
/>

Тогда />
/>
Принимаем />
Допускаемое наружное давлениеопределяется по формуле:
/>
где допускаемое давление изусловия прочности определяется по формуле:
/>
а допускаемое давление изусловия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:
/>
где
/>
Тогда:

/>
Окончательно принимаем />5.2 Расчет днищ и крышек
Расчет днищ и крышек выполняетсяпо ГОСТ 14249-80, СТ СЭВ 1039-78, СТ СЭВ 1048-78, СТ СЭВ 1041-78.
Днища эллиптические отборные (см.рис.3).
Расчет днищ, нагруженныхвнутренним избыточным давлением. Толщина стенки днища определяется по формулам[4]:
/>
Принимаем />
Расчет днищ, нагруженныхнаружным давлением. Толщина стенки днища приближенно определяется по формуле:
/>
Для предварительного расчетакоэффициент приведения радиуса кривизны эллиптического днища /> принимается равным 0,9.
Тогда

/>/> />
Конструкция эллиптического отборного днища
/>
Принимаем />
Допускаемое наружное давлениеопределяется по формуле:
/>
где допускаемое давление изусловия прочности определяется по формуле:
/>
а допускаемое давление изусловия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:
/>
/>
Для большей надёжности примем /> Тогда:
Допускаемое наружное давлениеопределяется по формуле:
/>
где допускаемое давление изусловия прочности определяется по формуле:
/>
а допускаемое давление изусловия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:
/>
/>
Окончательно принимаем />5.3 Расчет опор аппарата
Установка химических аппаратовна фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частьюс помощью опор. Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках,когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах (см. рис.4), когдааппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальныхконструкциях.
Расчетные нагрузки. Приопределении нагрузки на опору-лапу действующие на аппарат нагрузки приводятся косевой силе Р.
Нагрузка на одну опоруопределяется по формуле [4]:
/>
где
/>1 — коэффициент, зависящий от числа опор z
/> –вес всего аппарата.
Принимаем число опор равное 4,тогда: />
Вес аппарата рассчитывается поформуле:
/>
Где
/> –
вес цилиндрической частиобечайки;
/> />
Конструкция лап подвесных
/> — вес крышки аппарата;
/> — вес днища аппарата;
/> –вес жидкости, находящейся в аппарате.
/> –плотность выбранной ранее стали.
/>

Тогда:

/>
/>
/>
/>
/>
Тогда:
/>
По рассчитанной нагрузкепринимаем следующие характеристики опор:
/>5.4 Расчет штуцеров
Присоединение трубной арматуры каппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различныхжидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров.
Стальные штуцера стандартизованыи представляют собой патрубки из труб с приваренными к ним фланцами иликованные заодно с фланцами.
В данном курсовом проектеприменяются 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 приварнымфланцевым соединением
/>
5.5 Конструкции фланцевых соединений
В химических аппаратах дляразъёмного соединения составных корпусов и отдельных частей применяютсяфланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются каппаратам трубы, арматура и т.д. фланцевые соединения должны быть прочными,жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевыесоединения стандартизованы для труб и трубной арматуры, а так же для аппаратов.
В данном курсовом проектевыбрано 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 Конструкция фланцевогосоединения с выступом впадиной
/>

Список литературы
1.        Павлов К.В., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессови аппаратов химической технологии. — М.: Химия, 1981. -560 с.
2.        Плановский А.Н., Рамм В.М., Кагаз С.З. Процессы и аппараты химическойтехнологии. — М.: Химия, 1968. -847 с.
3.        Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. — М.: Химия, 1983. -272 с.
4.        Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. — Л.: Машиностроение,1981. -383с.