Курсовая работа (т): Расчет основного оборудования для схемы очистки воздуха от аммиака

Используемый в технологической схеме, для очистки воздуха от аммиака, кожухотрубчатый теплообменник с перегородками изображен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. - Кожухотрубный теплообменник

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников: компактность, небольшой расход металла, легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами) [2].

Недостатками таких теплообменников являются: трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями (этот недостаток в известной мере устраняется в многоходовых и элементных теплообменниках), трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта, трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки (чугун, ферросилид и др.) [2]

.2 Расчет теплообменного аппарата

Исходные данные:

.        Расход воздуха G = 8, кг/с;

.        Температура воды: начальная t1 = 20°C, конечная t2 = 60°C;

.        Температура воздуха: начальная t3 = 70°C, конечная t4 = 28°C;

Решение

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности труб для принятой схемы движения теплоносителей (противоток) показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. - Схема движения теплоносителей при противотоке

Для определения расхода охлаждающих агентов составим уравнение теплового баланса:

Qгор = Qхол + Qпот,= G · Cвозд · (t3 - t4) = G · Своды · (t2 - t1),

где Q - количество теплоты, отданное воздухом при его охлаждении, кг/с;, - расход воздуха и воды соответственно, кг/с;возд =1005, Своды=4187 - удельные теплоемкости воздуха и воды [4], Дж/(кг·К).

Из уравнения материального баланса, определяем тепловую нагрузку:

= G · Cвозд · (t3 - t4) = 8 · 1005 · (70 - 28) = 337680 Вт.

Определяем расход охлаждающей воды по формуле:

Поверхность нагрева теплообменника определим по уравнению теплопередачи:

Q = K · F · Δtcp , откуда

где K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² · К);- поверхность теплообмена, м²;

Δtcp - средняя разность температур, °C.

Так как  =  = 1,25 < 2, то

где и  - разность температур воды и воздуха на входе и на выходе из теплообменника.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

Для определения числа Нуссельта необходимо знать характер движения воды в трубе. Для этого вычислим значение критерия Рейнольдса по формуле:

Для вынужденного движения W = 1530 (м/с)= 0,025 (м) по условию

возд при 9 = 1,247 (кг/м3) [4]

возд при 9 = 0,0000176 (Пас) [4]

λвозд при 9 =0,0251 (Вт/ м

= 0,5 (м/с) по условию= 0,021 (м) по условию

возд при 20 = 999 (кг/м3) [4]

возд при 20 = 0,001005 (Пас) [4]

λвозд при 20 =0,599 (Вт/ мпри 20 = 7,02 [4]

Так как Re > 10 000 (устойчивое турбулентное движение), то расчет критерия Нуссельта проводим по уравнению:

Находим коэффициент теплопередачи:

ст = 2[4]

λст = 46,5 (Вт/ м

Таким образом, поверхность теплообменника составит:

В соответствии с ГОСТ 15118 - 79, ГОСТ 15120 -79, ГОСТ 15122 - 79 принят кожухотрубный теплообменник КТХ. Параметры теплообменника:

.        площадь теплообмена F = 352 м²;

.        длина труб L = 6 м;

.        число ходов n = 1;

.        число трубок в одном ходу - 747;

.        диаметр трубок dт = 25×2 мм;

.        диаметр внутреннего кожуха D = 1000 мм.

4. Абсорбционный аппарат

Абсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем - абсорбентом.

Процесс абсорбции происходит только в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в данной смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающим в контакт с этим газом [3].

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз.

Поэтому абсорбционные аппараты - абсорберы, должны обеспечить развитую поверхность контакта между жидкой и газовой фазами.

По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов, их можно подразделить на четыре основные группы: пленочные, насадочные, тарельчатые, распыливающие [3].

4.1 Принцип действия

Насадочный абсорбер показан на рисунке 4.1.

- насадка; 2 - решетка; 3 - распределительный стакан (брызгалка); 4 - направляющий конус.

Рисунок 4.1. - Насадочный абсорбер

Насадка опирается на решетки, в которых имеются отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Газ поступает в колонну снизу и движется вверх противотоком по отношению к жидкости. Подаваемая на насадку жидкость должна быть равномерно распределена по сечению колонны. Для подачи жидкости применяют желоба, дырчатые трубы и другие устройства [3].

В абсорбере, показанном на рисунке, жидкость подается на насадку при помощи распределительного стакана (брызгалка), в котором имеется большое количество отверстий диаметром 3-6 мм. Жидкость поступает в распределительный стакан из напорного бака или подается непосредственно насосом и вытекает из отверстий стакана отдельными струями [3].

Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам, иногда насадку засыпают не сплошь на всю высоту, а в виде отдельных слоев. Высота отдельных слоев 1,5-3 м. Для перераспределения жидкости и отвода ее от стенок под каждым слоем насадки, кроме нижнего, устанавливают направляющий конус [3].

Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, а в случае малых количеств орошающей жидкости не дают удовлетворительных результатов, так как при низкой плотности орошения не достигается полная смачиваемость насадки. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод тепла, выделяющегося при поглощении газа [3].

.2 Расчет абсорбера

Задание: определить минимальный расход поглотителя и среднюю движущую силу при абсорбции аммиака из воздуха водой, рассчитать диаметр и высоту насадочной части абсорбера. Насадка - беспорядочно насыпанные кольца Рашига размером 25×25×3 мм.

Исходные данные:

.        расход воздуха G =8, кг/с;

.        концентрация распределяемого компонента в воздухе:

)        на входе в абсорбер у1 = 0,05,

)        на выходе из абсорбера у2 = 0,003;

.        концентрация распределяемого компонента в поглотителе на входе в абсорбер х1 = 0;

.        давление воздуха Р = 0,15 · 10-2, МПа;

.        температура воздуха t = 28, °C;

.        скорость движения воздуха в общем сечении аппарата W = 0,61, м/с;

.        коэффициент массопередачи Ку = 0,40 , кмоль/(м²·ч);

Решение

Массу аммиака, переходящего в процессе абсорбции из газа в воду рассчитываем из уравнения материального баланса:

Минимальный расход поглотителя:

Система аммиак + воздух + вода подчиняется закону Генри, и для нее справедливо уравнение равновесия:

- коэффициент распределения компонента между фазами при равновесии и рассчитывается по формуле:

где Е - константа Генри, для NH3 E = 2080 мм. рт.ст [4]

П - общее давление воздуха.

 мм.рт.ст

.

 кмоль Н2О/с

Диаметр абсорбционной колонны D рассчитываем по уравнению расхода для газового потока:

ρ - плотность воздуха, равная 1,29 кг/м³[4] при нормальных условиях.

Найдем плотность при фактических условиях:

Площадь поверхности массопередачи:

аммиак абсорбционный насос теплообменный

где  - средняя движущая сила.

Оптимальный расход поглотителя рассчитывается по формуле:

,

Где

 кмоль NH3/кмоль возд.

 кмоль NH3/кмоль возд.

 кмоль NH3/кмоль возд.

Тогда:

 м².

Зная по справочным данным удельную поверхность насадки σ = 204 м²/м³ [4], рассчитаем объем слоя керамических колец необходимый для создания найденной поверхности:

 (м³).

Площадь сечения абсорбера:

Высота насадочной части абсорбера:

 (м).

Принимаем количество ярусов насадочной части n = 3, по высоте hяр = 1,2. Тогда высота насадки Hн = 3,6 м.

Выводы

В курсовой работе был выполнен расчет основного оборудования для схемы очистки воздуха от аммиака. В него вошли расчет насосной установки, теплообменника и абсорбера.

Для абсорбера рассчитали минимальный расход поглотителя, равный 0,86 кмоль Н2О/с и среднюю движущую силу при абсорбции аммиака из воздуха водой, она равна 0,017 кмоль NH3/кмоль возд., рассчитали диаметр и высоту насадочной части абсорбера, они равны 3,76 м и 3,45 м соответственно. Высота аппарата равна 12,12 м.

Заключение

С целью очистки газовоздушной смеси, содержащей аммиак, был произведен расчет абсорбционной установки. Даны понятия абсорбции и хемосорбции.

В предложенной технологической схеме в качестве поглотителя использована вода, как доступный и относительно дешевый ресурс.

По расчетам были выбраны следующие аппараты.

1.      Центробежный насос марки X90/33. Для которого при оптимальных условиях V = 2,5  10-2 м³/с, H = 29,2 м, КПД насоса = 0,7. Насос снабжен двигателем AO2-71-2, номинальная мощность 22 кВт, частота вращения вала = 48,3 об/с.

2.      В соответствии с ГОСТ 15118 - 79, ГОСТ 15120 -79, ГОСТ 15122 - 79 принят кожухотрубный теплообменник КТХ. Параметры теплообменника:

площадь теплообмена F = 352 м²;

длина труб L = 6 м;

число ходов n = 1;

число трубок в одном ходу - 747;

диаметр трубок dт = 25×2 мм;

диаметр внутреннего кожуха D = 1000 мм.

.        Для абсорбера рассчитали минимальный расход поглотителя, равный 0,86 кмоль Н2О/с и среднюю движущую силу при абсорбции аммиака из воздуха водой, она равна 0,017 кмоль NH3/кмоль возд., рассчитали диаметр и высоту насадочной части абсорбера, они равны 3,76 м и 3,45 м соответственно. Высота аппарата равна 12,12 м.

Список источников

1. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Меликов, В.М. Рамм, С.З. Каган. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. - М.: Госхимиздат, 1961. - 830 с.