Массообменные процессы - Учебное пособие

Цель курсового проектирования - закрепить и расширить знания по теоретическому курсу, привить студентам навыки самостоятельной работы по расчету аппаратов, графическому оформлению проекта, познакомить со специальной технической литературой, справочниками, каталогами. Настоящее учебное пособие предназначено для студентов химико-технологических специальностей, выполняющих курсовой проект по одному из видов массообменных процессов, а именно: абсорбции, ректификации или сушке. Абсорбция находит широкое применение во многих технологических процессах, а также для очистки отходящих газов химических производств. Для проведения процессов абсорбции и ректификации применяются колонные аппараты различного типа, отличающиеся один от другого способом контакта фаз и видом контактного устройства. Сушилка должна обеспечить максимальный контакт между высушиваемым материалом и теплоносителем, обладать максимальной пропускной способностью по материалу и сушильному агенту, иметь минимальное гидравлическое сопротивление.Абсорбцию применяют в промышленности для получения готового продукта (производство кислот), разделение газовых смесей (получение бензола из коксового газа), улавливания вредных (H2S, СО, влаги) и ценных (рекуперация спиртов и др.) компонентов. При абсорбции происходит контакт жидкости и газа; при этом масса одного из компонентов газовой фазы переносится в жидкостную фазу или наоборот (десорбция). При наличии разности концентраций или парциальных давлений между фазами (движущая сила процесса) происходит процесс массопередачи, который прекращается при достижении процесса равновесия. Предполагая что, диффузионные сопротивления в жидкой и газообразной фазах обладают свойством аддитивности, можно записать основное уравнение массопередачи: , (1.1) где K - коэффициент массопередачи; F - площадь поверхности контакта фаз; Dcp - средняя движущая сила процесса; М - количество поглощенного вещества. Среднюю движущую силу процесса можно выразить через разность парциальных давлений поглощаемого компонента и его равновесного значения на входе и выходе из абсорбера Dpcp (в мм рт. ст., кгс/см2), разность молярных составов DXCP и DYCP (в кмоль на 1 кмоль смеси), разность относительных молярных составов DXCP , DYCP (в кмоль на 1 кмоль носителя), разность молярных концентраций DCCP (в кмоль/м3).Если принять, что расход инертной части газовой фазы по высоте аппарата не изменяется, а также в ходе процесса температура газовой и жидкой фаз остаются постоянными, то минимальный расход абсорбента Lmin может быть определен из уравнения материального баланса по формуле (1.5), в кмоль / с G0 (Ун - Ук) = Lmin (Xk - Хн),(1.5) где Хк - равновесное содержание поглощаемого компонента в жидкой фазе, относительно газа, Ун, поступающего в аппарат, выраженного в относительных мольных концентрациях; G0 - расход инертного газа (воздуха), кмоль/с. Таблица перевода концентраций из мольных и массовых в относительные приведена в Приложении А 2. Минимальный удельный расход абсорбента lmin (кмоль жидкости / кмоль газа) находится из уравнения Фактический удельный расход абсорбента l больше минимального и определяется из соотношения l = e ? lmin , (1.8) где e - коэффициент избытка поглотителя.При растворении газа (при хемосорбции) в жидкости выделяется большое количество тепла. При отсутствии отвода тепла температура жидкости повышается, что ведет к возрастанию равновесного парциального давления компонента, изменению линии равновесия, уменьшению движущей силы процесса, ухудшению условий процесса. Если абсорбция ведется без отвода тепла, то вся выделившаяся теплота идет на согревание жидкости Из уравнения теплового баланса абсорбера, работающего без отвода тепла, определяют температуру жидкости на выходе из абсорбера Отвод тепла при абсорбции предусмотрен, если температура жидкости повышается больше чем на 10ОС.Технологический расчет абсорбционных аппаратов позволяет определить их основные размеры - диаметр и рабочую высоту. Объемный расход (м3/с), приведенный к рабочим условиям, определяется по формуле В колоннах с колпачковыми тарелками имеет место пузырьковый режим работы, при этом скорость газа ? 0,5 м/с. В колоннах с ситчатыми тарелками скорость газа ? 1 м/с, при этом возникает пенный режим работы тарелки. Задаваясь расстояниями между тарелками Нт и определив диаметр колонны Dk по формуле (1.29) в зависимости от ry/rx значения wп и wотп, проверяют соответствие расстояния между тарелками Нт диаметру колонны Dk.По второму методу кинетика выражается с помощью высоты единиц переноса - ВЕП (для насадочных колонн) или числа единиц переноса - ЧЕП, соответствующего одной тарелке (тарельчатых колонн), а движущая сила рассчитывается через число единиц переноса. По третьему методу кинетика выражается с помощью высоты, эквивалентной теоретической ступени изменения концентрации, - ВЭТС (для насадочных колонн) или КПД тарелки (для тарельчатых колонн); движущая сила рассчитывается косвенно через число теоретических ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок

Оглавление

Введение

Глава 1. Методика расчета процесса физической абсорбции

1.1 Материальный баланс процесса абсорбции

1.2 Тепловой баланс процесса абсорбции

1.3 Определение основных размеров абсорбера

1.4 Методы расчета высоты насадки и числа тарелок в абсорбере

1.5 Расчет абсорберов с подвижной шаровой насадкой

1.6 Расчет распыливающих абсорберов

1.7 Расчет газопромывателей

1.7.1 Расчеты параметров полых газопромывателей с определением степени очистки по вероятностному методу

1.7.2 Расчеты характеристик пенных пылеуловителей с провальными, дырчатыми и щелевыми тарелками с определением степени очистки по вероятностному методу

1.7.3 Расчеты аппаратов

1.7.4 Расчеты параметров скрубберов Вентури с определением степени очистки по вероятностному методу

1.7.5 Расчеты мокрых скрубберов по энергетическому методу

1.7.6 Пенные аппараты

Глава 2. Примеры расчета абсорбционных аппаратов

2.1 Расчет насадочного абсорбера

2.2 Расчет тарельчатого абсорбера

2.3 Расчет струйного абсорбера Вентури

2.4 Расчет абсорбционной установки

2.4.1 Насадочная колонна

2.4.2 Тарельчатая колонна

Библиографический список

Приложения

Курсовой проект по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств» является заключительной частью курса. Цель курсового проектирования - закрепить и расширить знания по теоретическому курсу, привить студентам навыки самостоятельной работы по расчету аппаратов, графическому оформлению проекта, познакомить со специальной технической литературой, справочниками, каталогами.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов химико-технологических специальностей, выполняющих курсовой проект по одному из видов массообменных процессов, а именно: абсорбции, ректификации или сушке.

Абсорбция находит широкое применение во многих технологических процессах, а также для очистки отходящих газов химических производств.

Процессы ректификации также являются необходимой стадией многих технологических процессов.

Для проведения процессов абсорбции и ректификации применяются колонные аппараты различного типа, отличающиеся один от другого способом контакта фаз и видом контактного устройства. Целью расчета установок абсорбции и ректификации является определение основных размеров колонны, ее гидравлического сопротивления, материальных потоков и расхода тепла.

Сушка является заключительной стадией многих технологических процессов. Наиболее широко распространен способ конвективной сушки, заключающейся в подводе тепла к высушиваемому материалу и уносу испаренной из материала влаги с помощью горячего теплоносителя.

Основным аппаратом установки является сушилка, которая может быть барабанной, кипящего слоя, аэрофонтанной или пневматической. В зависимости от физико-химических свойств материала и степени его измельчения выбирается тип сушилки. Сушилка должна обеспечить максимальный контакт между высушиваемым материалом и теплоносителем, обладать максимальной пропускной способностью по материалу и сушильному агенту, иметь минимальное гидравлическое сопротивление.

В учебном пособии изложены общие принципы и методика расчета абсорбционных и ректификационных колонн, получивших наиболее широкое применение в промышленности: тарельчатых - с колпачковыми, ситчатыми и клапанными тарелками, насадочных, скрубберов Вентури.

Даны общие принципы и методика расчета сушилок с псевдоожиженным слоем, барабанных, аэрофонтанных и пневматических.

Каждый раздел сопровождается примерами расчета установок, а также методикой расчета вспомогательного оборудования. Приложения к разделам включают необходимый справочный материал для расчета.

Учебное пособие составлено сотрудниками кафедры Промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств СИБГТУ. Введение и глава 7 составлены проф. Б.Д. Левиным, первый раздел - Л.И. Ченцовой, В.М. Ушановой, Е.В. Игнатовой, второй раздел - М.Н. Шайхутдиновой, Т.В. Борисовой, третий раздел - Л.И. Ченцовой, М.Н. Шайхутдиновой, В.М. Ворониным.

Условные обозначения: G - массовый расход, кг/с

V - объемный расход, м3/с t - температура, ОС

?P - перепад давления, Па

Y - концентрация газовой фазы, кмоль/кмоль

X - концентрация жидкой фазы, кмоль/кмоль

- концентрация газовой фазы, масс. %

- концентрация жидкой фазы, масс. % c - удельная теплоемкость вещества, Дж/КГК л - коэффициент теплопроводности, Вт/МК л - коэффициент трения

I, i - энтальпия пара и жидкости, Дж/кг r - удельная теплота парообразования, КДЖ/кг с - плотность жидкости, кг/м3 м - динамический коэффициент вязкости, Па с d - диаметр трубопровода, м l - длина трубы, м

W - количество испаряемой влаги, кг/с

Uн, Uk - начальная и конечная влажность материала, %

H - высота массообменного аппарата, м

Н - напор насоса, м

D - диаметр аппарата, м