Курсовая работа (т): Абсорбция

Типы кольцевых насадок: кольца Рашига, кольца с перегородкой, кольца с крестообразной перегородкой, кольца Палля.

Седлообразные насадки это насадки для беспорядочной засыпки. Существует два типа седел. Седла Берля, поверхность которых представляет собой гиперболический параболоид, и седла «Инталокс» - часть тора. Седла «Инталокс» проще в изготовлении. Седлообразная насадка обладает меньшим гидравлическим сопротивлением и несколько большей эффективностью, чем кольца Рашига.

Каждый вид насадки обладает характеристиками, такими как: плотность, эквивалентный диаметр, свободный объем, удельная поверхность, количество штук в м3. Характеристики некоторых насадок приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристика насадок

Для новой конструкции скруббера, был использован совершенной иной вид насадки - металлическая протяжно-вытяжная (ПВ) сетка с ромбовидными отверстиями, которую собирают в блоки (рис. 1.3), из которых формируют насадку по всему диаметру аппарата.

Листы ПВ сетки, квадратной формы, расположены на расстоянии 24 мм друг от друга, в блоке находится 26 листов. Размеры грани листа ПВ 650 мм. Параметры данной насадки: a = 72 м2/м3, ε= 0,87 м3/м3, ρ = 158,4 кг/м3, dэ = 0,049 м.

Рис. 1.3 - Блок насадки из протяжно-вытяжной сетки: 1 - лист протяжно-вытяжной сетки; 2 - шпилька; 3 - колпачек; 4- шайба; 5 - шайба; 6 - гайка

1.3 Обоснование принятого решенияи постановка задачи расчетов

Конструкция аппарата принята насадочной, так как насадка по сравнению с тарелками имеет меньшее гидравлическое сопротивление. Это позволяет достигнуть относительно небольшой массы аппарата, по сравнению с тарельчатыми аппаратами. В качестве насадки в скруббере используются блоки протяжно-вытяжной сетки размерами 0,65х0,65х0,668 м.

Требуется произвести технологические расчеты, основной целью которых является вычисление поверхности абсорбции и габаритных размеров аппарата. Также требуется выполнить прочностные расчеты, такие как: расчет толщины стенки обечайки, расчет плоского днища, расчет укрепления отверстий, проверку прочности и устойчивости колонны, расчет опорного кольца и фундаментных болтов.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СКРУББЕРА

В скруббер поступает из конечных газовых холодильников газ следующего состава:

Таблица 2.1 - Состав поступающего газа

Температура поступающего газа 200С и давление 0,113 МПа, температура на выходе 300С и давление 0,11 МПа.

2.1 Материальный баланс

Принимаем потери углеводородов с выходящим газом равными= 2 г/м3 сухого газа, что составляет:

где Qг - расход сухого коксового газа, м3/ч,П - потери углеводородов, г/м3.

Тогда степень улавливания:

где VП - потери углеводородов, кг/ч;УГ - расход углеводородов в газе, кг/ч.

Количество поглощенных углеводородов:

Таким образом, из скруббера выходит:

Таблица 2.2 - Состав выходящего газа

Фактическое содержание углеводородов в поступающем газе:

где G - количество поглощенных углеводородов, кг/ч;общ - общий расход поступающего газа,м3/ч;- стандартная температура, T0 = 273 0K;- стандартное давление, P0 = 0,1014 МПа;

Р - давление в аппарате;

Твх - температура поступающего газа.

и в выходящем газе:

где Pвых - давление газа после скруббера, 0,11 МПа;

Твых - температура газа после скруббера, 303 0К.

Максимальное содержание углеводородов в поступающем масле определяем по уравнению, справедливому для небольших концентраций:

где а2 -содержание углеводородов в выходящем газе, г/м3;- давление газа на выходе из скрубберов, 0,113 Мпа.;

МП - молекулярная масса поглотителя, МП = 170;сф - упругость паров углеводородов над поступающим маслом, мм рт. ст. при t = 30 0C.

Для определения упругости углеводородов над поступающим маслом принимаем следующий состав сырого фенола: фенола 73%, толуола 13%, хинолина 10%, воды 4%.

Для расчета принимает условно состав сырого фенола в обезфеноленом масле равным составу получаемого сырого фенола.

Упругость компонентов сырого фенола при 30 0С равна, мм рт. ст.:

Таблица 2.3 - Упругость компонентов сырого фенола

Средняя молекулярная масса сырого фенола определяется по формуле:

где ,, ,  - процентные доли компонентов;

 - молекулярные массы компонентов.

Молярные доли компонентов в сыром феноле:

Тогда упругость углеводородов при 30 0С будет равна:

Таким образом, максимальное содержание фенольных углеводородов в поступающем масле равно:

Действительное содержание С должно быть менее равновесного для создания движущей силы абсорбции вверху скруббера и равное:

Где n - коэффициент сдвига равновесия, равный 1,1 - 1,2. Принимаем n = 1,2

Максимальное содержание углеводородов в выходящем из скруббера масле при условии равновесия внизу скруббера определяется по уравнению:

Для сдвига равновесия внизу абсорбции принимаем коэффициент сдвига равновесия n=1,5:

Минимальное количество поглотителя определяется по формуле:

Действительное количество поглотителя составит:

Таким образом в поступающем масле содержится фенольных углеводородов:

и в выходящем:

Следовательно поглощается маслом:

Материальный баланс скрубберов, кг/ч:

Таблица 2.4 - Материальный баланс скрубберов

2.2 Определение поверхности абсорбции и размеров скрубберов

Для скруббера принимаем ПВ насадку со следующими характеристиками:= 72 м2/м3, ε= 0,87 м3/м3, ρ = 158,4 кг/м3, dэ = 0,048 м.

Критическая скорость газа определяется уравнением:

где Z - вязкость коксового газа при температуре 30 0С, Z = 0,0127 спз;э - эквивалентный диаметр насадки, dэ = 0,048м;

 - плотность газа на выходе.

Плотность газа на выходе:

Таким образом критическая скорость газа равна:

Требуемое живое сечение насадки:

где V - фактический объем газа на выходе из скруббера,

отсюда:

Общее сечение насадки скруббера

 м2.

Диаметр скруббера определяем по данной формуле:

Поверхность абсорбции определяется по уравнению:

где G - количество поглощенных углеводородов, кг/ч;

 - средняя движущая сила абсорбции, мм рт. ст;- коэффициент абсорбции, кг/(м2∙ч∙мм рт. ст.).

Движущая сила абсорбции вверху скруббера:

где  - парциальное давление углеводородов в выходящем газе,

 - упругость углеводородов над поступающим поглотителем,

Тогда

Движущая сила абсорбции внизу скруббера:

где  - парциальное давление углеводородов в поступающем газе,

 - упругость углеводородов над выходящим поглотителем,

Тогда

Средняя движущая сила абсорбции:

Коэффициент абсорбции определяется по уравнению:

где  - коэффициент массоотдачи при абсорбции через газовую пленку, определяется из уравнения;

КЖ - коэффициент массоотдачи при абсорбции через жидкостную пленку.

где Nu - число Нуссельта;Г - коэффициент диффузии углеводородов в коксовом газе.

Число Нуссельта:

где Re - число Рейнольдса;- число Прандтля;

С - высота насадки.

Число Рейнольдса:

Число Прандтля определяем по формуле:

где  - кинематическая вязкость газа при средних условиях, м2/сек,

Плотность газа на входе:

где  - расход газа на входе, кг/ч;

 - расход газа на входе, м3/час.

на выходе:

где  - расход газа на выходе, кг/ч;

 - расход газа на выходе, м3/час.

средняя плотность газа:

и при фактических условиях:

Тогда

Коэффициент диффузии углеводородов в коксовом газе Dг, при нормальных условиях, определяем по формуле:

где Мг - молекулярная масса коксового газа,

тогда

Приводим коэффициент диффузии к фактическим условиям по формуле:

так как Т = 300 0К, то

тогда

Таким образом:

и коэффициент массоотдачи через газовую пленку:

или

Коэффициент массоотдачи при абсорбции через жидкостную пленку определяем по уравнению:

где Nu - число Нуссельта;ж - коэффициент диффузии углеводородов в каменноугольном масле при 30 0 С.

где Re - число Рейнольдса;- число Прандтля;

С - высота насадки.

Число Рейнольдса для поглотителя:

где qж - плотность орошения, м3/(м∙ч)ж - кинематическая вязкость поглотителя, м2/ч.

Величину qж определяем из уравнения:

где  - количество поглотителя, кг/ч;

 - плотность поглотителя, ;- периметр сбегания поглотителя в одном слое насадки, U = 1100 м,

Вязкость поглотительного масла при температуре 30 0С = 16,5 спз, что в пересчете на кинематическую вязкость составит:

Число Прандтля для поглотителя определяем по уравнению:

Коэффициент диффузии углеводородов в поглотительном каменноугольном масле, при 30 0С, Dж = 0,14∙10-6 м2/ч.

Тогда

Таким образом:

Отсюда коэффициент массоотдачи через жидкостную пленку:

Для пересчета на движущую силу абсорбции в миллиметрах ртутного столба необходима полученное значение разделить на константу Равновесия Генри:

где Н - константа Генри (мм рт.ст. ∙ м3)/кг.

Так как упругость углеводородов над поступающим маслом pж = Н∙х1, она равна 0,358 мм рт. ст., а величина х1- содержание углеводородов в поступающем масле:

то константа Генри будет равна:

Аналогично получим из условий равновесия над выходящим маслом:

Таким образом:

Коэффициент массопередачи тогда будет равен:

Необходимая поверхность абсорбции:

Что на 1 м3 сухого коксового газа:

Поверхность слоя насадки f = 750 м2. необходимое количество слоев насадки:

Принимаем три скруббера по 36 слоев в каждом скруббере.

3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ

.1 Расчет толщины стенки обечайки и днища

Расчет толщин стенок корпуса колонны, исходя из внутреннего давления, производится по ГОСТ 14249-69.

Определение номинальной расчетной толщины стенки S' обечаек. Эта величина зависит от конструкционного материала, величины отношения определяющих параметров sдоп и Р с учетом коэффициента ослабления обечайки в продольном направлении j и от внутреннего диаметра обечайки:

 ,

где Р - расчетное давление на обечайку, МПа;- внутренний диаметр обечайки, м;

j - коэффициент сварного шва;

sдоп - допускаемое напряжение, МПа.

Толщина стенки с прибавками:

=S' + C

где S - толщина стенки, м;

С - конструктивная прибавка:

С=С1+С2+Сз,

где C1 - прибавка на коррозию;

С2 - прибавка на минимальный допуск проката, зависящая от толщины листа;

С3 - прибавка на округление размеров. Определяется как разность между окончательно принятой стандартной величиной и величиной, полученной при расчете.

Принимаем С = 0,0025.

;= S/ +C = 0,002 + 0,0025 = 0,0045 м.

Принимаем толщины стенок обечаек, S = 0,01 м.

Проверяем принятые толщины стенок обечаек и днищ на напряжение при гидравлическом испытании колонны в горизонтальном положении:

;

 МПа;

;

МПа, следовательно условие выполняется, прочность при испытании обеспечена.

3.2 Расчет укрепления отверстий

Расчет отверстий в цилиндрических обечайках работающих при статических нагрузках ограничивается следующими условиями:

Отверстие наибольшего диаметра в обечайке d = 1,2 м.

Условия для данного расчета выполняются.

Наибольший допустимый диаметр в обечайке не требующий дополнительного укрепления ( без учета привариваемого штуцера):

;

.

Так как единственный диаметр который больше 1,062 это 1,2м, то расчет укреплять следует только его.

Укрепление выбираем одностороннее, внешнее см. рис. 3.3

Рис. 3.1 - Расчетная схема для конструкции укрепленных отверстий под штуцера в обечайке корпуса скруббера лист усиления, 2 - обечайка, 3 - штуцер

Площадь сечения штуцера участвующего в одностороннем укреплении:

где SШ = 0,02 м - толщина стенки штуцера

- номинальная расчетная толщина стенoк штуцера без прибавок при

 - длина части штуцера участвующая в укреплении

Площадь сечения укрепляющей накладки

где - толщина укрепляющей накладки (принимаем=0,01м)

 - ширина укрепляющей накладки

Условия применения данного расчета

Условие выполняется.

3.3 Расчет плоского днища

Конструктивно задаем толщину днища, δ = 14 мм. Определяем давление жидкости и газа на днище:

Суммарное усилие на днище:

где S - площадь днища, S = 15,89 м2;

Выбираем расстояние между опорными балкамиa = 0,55 м.

Количество опорных балок:

Определим суммарную длину опорных балок:

Рис. 3.2 - Расчетная схема нагруженной балки

Принимаем допущение, что вся нагрузка воспринимаеться только опорными балками:

Составим расчетную схему наиболее нагруженной балки, центральной.

Строим эпюру изгибающих моментов:

Рис. 3.3 - Эпюра изгибающих моментов

при

Условия прочности наиболее нагруженной балки:

Выбираем двутавр 30а, из стали Ст 35 с термообработкой В35.

Неукрепленную часть днища, которая находится между ребрами, будем считать как плоский элемент, напряжения в плоском элементе определим по формуле:

где К - коэффициент

Условия выполняются.

3.4 Расчет опоры с решеткой под насадку

Определяем давление насадки и жидкости на тарелку:

;

Принимаем что жидкость равномерно распределении по всей поверхности насадки, слоем в 1мм: следовательно, давление жидкости:

Выбираем расстояние между опорными балками a = 0,75 м.

Количество опорных балок:

Определим суммарную длину опорных балок:

Принимаем допущение, что вся нагрузка воспринимается только опорными балками:

Составим расчетную схему наиболее нагруженной балки, центральной

при

Условия прочности наиболее нагруженной балки:

Выбираем швеллер 14П, из стали 12Х18Н10Т.

Принимаем что пластины неукрепленной части поверхности тарелки, ведут себя как балки, расчет ведем аналогично расчету балок. Длина неукрепленной части l=0,75 м. ширина пластин S = 0,006 м. Общая длина пластин L= 330м.Так как известно суммарное усилие на поверхность тарелки, то определим нагрузку воспринимаемую пластинами:

изгибающий момент при х = l/2:

условие прочности наиболее нагруженной балки:

значение осевого момента сопротивления очень мало, гораздо меньше, чем минимальные значения для швеллеров и двутавров, таких же размеров, как и пластины, что означает что условие прочности выполняется.

3.5 Проверка прочности и устойчивости колонны при монтаже

Т.к. при монтаже колонна может находиться на открытой, подверженной действию ветра площадке, необходимо произвести расчет на устойчивость с учетом ветровой нагрузки. Скоростной напор ветра q = 0,045 ∙ 102Мн/м2

Момент инерции поперечного сечения колонны:

Определим период собственных колебаний. Для этого разобьем аппарат на 7 частей по 6 м. высотой (Рис. 3.1).

Угол поворота опорного сечения:

где Сф = 50 ∙ 106 Н/м3 - коэффициент неравномерного сжатия грунта;ф = момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси.

где I - момент инерции опорного кольца относительно центральной оси,

Для принятия расчетной формулы собственных колебаний, необходимо знать отношение высоты аппарата к его диаметру:

Так как 9,3 < 15, то

Рис. 3.4 - Расчетная схема аппарата

где G -сила тяжести всего аппарата;

Н - высота аппарата;- момент инерции верхнего поперечного сечения корпуса аппарата, относительно центральной оси;- модуль нормальной упругости материала корпуса, при рабочей температуре;E = 1,98∙105МПа- ускорение силы тяжести;

φ0- уголповорота опорного сечения.

По графику из [1, ст. 687]находим что коэффициент динамичности ε = 2,5. Поправочный коэффициент к нормативному скоростному напору для участков аппарата высотой больше 10 м. определяем по графику из [1, ст. 686]

Таблица 3.1 - Расчетный скоростной напор по участкам

Коэффициент пульсации скоростного напора определяется по графику [1, ст. 687].

Таблица 3.2 - Соотношение коэффициента пульсации к высоте сегментов

Коэффициент увеличения скоростного напора определяем по формуле:

Таблица 3.3 - Значения коэффициента увеличения скоростного напора

Силу ответровой нагрузки, действующую на каждый из участков аппарата, определяем по формуле:

Таблица 3.4 - Значение силы от ветровой нагрузки, на каждом участке

Изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат относительно основания определяем по формуле:

Изгибающий момент равен сумме изгибающих моментов на всех участках, т.е.

Таблица 3.5 - Значения изгибающего момента

Общий изгибающий момент равен М = 2,81 МН ∙ м.

.6 Расчет опорного кольца

Расчетная схема для расчета опорного кольца представлена на рис. 3.2.

Принятые диаметры опорного кольца проверяем расчетом:

Опорная площадь

Момент сопротивления площади опорного кольца:

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца в период монтажа:

Материал постамента - армированный бетон марки 200 с величиной допускаемого напряжения σдоп= 10 МПа, условие прочности

0,66 10

Условие выполняется.

Рис. 3.5 - Расчетная схема опорного кольца

Максимальное напряжение на пороной поверхности в период гидроиспытаний:

Расчетная толщина опорного кольца:

Принимаем толщину опорного кольца равной S = 0,02 м.

скруббер газ очистка абсорбция

3.7 Расчет фундаментных болтов

Расчетное напряжение на опорной поверхности кольца

,

Отрицательный знак расчетного напряжения указывает на то, что имеет место явление опрокидывания колонны. Необходима установка фундаментных болтов для восприятия растягивающих напряжений.

Количество болтов принимаем равным Z = 10штук.

Нагрузка, испытываемая одним болтом:

,

Расчетный внутренний диаметр резьбы болта:

Окончательно принимаем болты М48 с dвн = 0,0425 м, в количестве 10 шт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте разработан насадочный обесфеноливающий скруббер, на производительность 40000 м3 газа в час, при давлении 0,113 МПа.

Были произведены технологические расчеты, рассчитан материальный баланс. Также были произведены прочностные расчеты, были рассчитаны: толщина стенок обечаек и днища, расчет опорного кольца, фундаментных болтов. Колонна проверена на устойчивость, условие устойчивости выполняется, рассчитан период собственных колебаний, изгибающий момент в основании колонны от ветровой нагрузки.

Параметры скруббера: высота H = 42 м, диаметр D = 4,5 м, насадка протяжно-вытяжная 36 слоев, общей площадью 27000 м2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры - Справочник. Л.: Машиностроение. 1970 г

2.      Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов - Справочник. Л.: Машиностроение. 1981 г

.        Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии - Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. - 496 с.

.        Коробчанский И.Е., Кузнецов М. Д. Расчеты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования. М.: Металлургия. 1972, 2-е изд., 296 с.

.        Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т. 2. - М.: Машиностроение, 2001. - 912с.

.        Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

.        Никалаева Г.И. Массообменные процессы: Учебное пособие. - Улан-Удэ: изд-во ВСГТУ, 2005. - 238 с.