Расчет абсорбционной установки

Есть различные варианты расчета абсорбционной установки. При проектировании абсорбционной установки для разделения бинарной смеси газов (два компонента, например, аммиак-воздух) в курсовом проекте обычно придерживаются следующей последовательности действий:

· основные исходные данные - давление, температура, расход и состав газа, тип и характеристики поглотителя, степень очистки;

· по справочным данным строится равновесная кривая для режимных параметров процесса;

· определяется минимальный расход поглотителя, затем - фактический;

· в зависимости от расхода потоков по колонне определяется диаметр колонны;

· рассчитывается число тарелок или высота насадки;

· составляется тепловой баланс установки;

· при необходимости рассчитывается десорбер;

· рассчитывается вспомогательное оборудование (теплообменники на линиях отработанного и регенерированного поглотетеля, насосы, емкости).

Все расчеты оформляются преимущественно в формате MathCAD (формулы не ракрываются, представлены только результаты вычислений) с подробными комментариями. В отдельных случаях возвожно оформление по ГОСТ с раскрытием формул.

На основании полученных размеров абсорбционной колонны и вспомогательного оборудования изготавливаются чертежи. К типовому оборудованию ректификационной установки относятся:

· абсорбер и десорбер (тарельчатые или насадочные);

· теплообменник на линии подачи исходго газа - предназначен для стабилизации температуры, т.к. эффективность процесса абсорбции может зависеть от температуры очищаемой смеси;

· теплообменники на линиях отработанного и регенирированного поглотителя - предназначены для изменения температуры поглотителя при десорбции;

· насосы - перекачивание поглотеля;

· емкости - временное хранение поглотителя;

18. В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется в тарельчатых колоннах с колпачковыми, сит чатыми или провальными тарелками в виде горизонтальных перегородок.Эти абсорберы обладают хорошим контактом между фазами, могут работать при любом, в том числе при низком, расходе жидкости, отводить тепло, пригодны дня работы с загрязненными средами. Основные недостатки – сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление (используются при абсорбции с повышенным давлением). Тарелочные абсорберы подразделяют на колпачковые, ситчатые и решетчатые. Тарелочные абсорберы представляют собой вертикальные колонны, разделенные по высоте рядом тарелок. На них создается определенный по высоте уровень абсорбента, перетекающего вниз с тарелки на тарелку. Через колпачки решетки или сита сквозь слой абсорбената барботируется газ, содержащий выделяемый продукт. Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили насадочные и тарелочные абсорберы. Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой – твердыми телами разной формы. Наиболее распространены насадки в виде тонкостенных колец из антикоррозийных материалов (керамика, фарфор), реже из стали или ряда решеток из досок. В качестве насадок применяют также кокс и дробленый кварц (размер кусочков от 25 до 100 мм).Насадочные колонны являются наиболее распространенным типом абсорбера. Они просты в изготовлении, но малопригодны при работе с загрязненными жидкостями, так как не достигается полная смачиваемость насадки и недостаточен отвод тепла. В абсорберах с псевдоожиженным (кипящим) слоем рабочий процесс значительно интенсифицируется. Абсорбер с листовой насадкой (пластинчатый) представляет колонну с насадкой в виде листов твердого материала (дерево, металл, пластмассы и др.) или туго натянутые полотнища ткани. Жидкость подается на абсорбцию через патрубок и распределительное устройство, которое обеспечивает равномерное смачивание и орошение всех листов насадки.Газ поступает в нижнюю часть колонны и направляется вверх. Аппараты этого типа пригодны для использования при незначительном тепловом эффекте растворения газа, так как удаление тепла происходит только за счет теплоотдачи в окружающую среду.

19. Насадочные абсорберы представляют собой колонны, загруженные насадкой из тел различной формы (кольца, кусковой материал, деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.Насадочный абсорбер состоит из колонны, в которой помещены поддерживающие решетки, на которые уложены слои насадки. Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства. Иногда насадку укладывают несколькими слоями, устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком. Виды насадок Насадки, представляю собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок создает эффективную поверхность контакта пара и жидкости. Насадки должны обладать большой удельной поверхностью (поверхностью на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес.

20. ЭКСТРАКЦИЯЖИДКОСТНАЯ (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или неск. компонентов р-ра из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней др. жидкую фазу, содержащую избират. р-ритель (экстрагент); один из массообменных процессов хим. технологии. Используется для извлечения, разделения иконцентрирования растворенных в-в.
Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, к-рая чаще всего представляет собой водный р-р, в извлекающую (легкую) фазу (обычно орг. жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракц. систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является р-ром одного или неск. экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физ. (вязкость, плотность) и экстракц. св-в экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, к-рые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам р-ра. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие р-римость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).
К осн. стадиям экстракции жидкостной относятся: 1) приведение в контакт и диспергирование фаз; 2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза); 3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерацияэкстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб. часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный экстракции жидкостной), обрабатывая экстракт водными р-рами в-в, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в р-р или осадок и ихконцентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного р-ра.
В любом экстракц. процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Наиб. распространенные пром. экстрагенты подразделяют на след. классы: 1) нейтральные, извлечение к-рыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного р-ра,- вода, фосфорорг. соед. (гл. обр. трибутилфосфат), нефтяныесульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.; 2) кислые, к-рые извлекают катионы металловв орг. фазу из водной,- фосфорорг. к-ты [ ди(2-этилгексил)фосфорная к-та], карбоновые и нафтеновые к-ты, сульфокислоты,алкилфенолы, хелатообразующие соед. (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины, -дикетоны); 3) основные, с помощью к-рых извлекают анионы металлов из водных р-ров,-первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Экстракцию жидкостную часто сочетают с др. методами, напр. хроматографией, соосаждением, дистилляцией.
Экономич. показатели экстракции жидкостной определяются в осн. стоимостью извлекаемого в-ва и экстрагента, а также затратами на его регенерацию. При технико-экономич. анализе процесса необходимо учитывать потери экстрагента, соизмеряя их со стоимостью целевого продукта. Экстракция жидкостная- один из самых низкоэнергоемких хим.-технол. процессов и поэтому может успешно конкурировать с иными массообменными процессами. Другие осн. достоинства экстракции жидкостной: низкие рабочие т-ры; возможность весьма полного разделения азеотропных смесей и смесей близких по св-вам компонентов; эффективность извлечения ценных и токсичных компонентов из разбавл. р-ров; возможность сочетания с иными процессами хим. технологии (напр.,ректификацией и кристаллизацией); относит. простота аппаратурного оформления и возможность полной автоматизации.

21. Изотерма экстракции, т.е. график C_э = f (С_в), полученный для равновесных условий, описывается уравнением

, (4.13)

где K_э – коэффициент, характеризующий наклон изотермы к оси абсцисс; 1/ n – показатель степени, характеризующий кривизну изотермы. Значения n близки к единице, а изотерма сорбции имеет малую кривизну.

Совпадение формулы (4.13) и формулы Фрейдлиха (4.2) указывает на идентичность основных закономерностей массообмена при экстракции и сорбции.

В некоторых частных случаях, например, при экстракции фенола бутилацетатом, n = 1, K = Kэ = const. Тогда изотерма экстракции является прямой, а формула (4.13) приобретает вид   Cэ = KэСв. (4.14) С повышением температуры происходит уменьшение коэффициента Kэ и эффективность экстракции снижается, т.е. для извлечения данного количества загрязнений потребуется больше экстрагента (рис. 4.8).Технология экстракции включает следующие последовательные операции: 1. Интенсивное перемешивание экстрагента с водой для достижения максимальной площади контакта и массобмена между этими фазами. Перемешивание, однако, не должно приводить к эмульгированию экстрагента (см. разд. 2). 2. Быстрое и полное разделение экстракта и рафината. 3. Удаление экстракта и его регенерация.

22. Треугольная диаграмма и ее основные свойства.

В процессе экстракции можно рассматривать три условных компонента: растворитель, экстрагируемые компоненты и неизвлекаемые компоненты. Для представления составов такой тройной смеси используют треугольную диаграмму (рисунок 16.2), представляющую собой равносторонний треугольник, каждая вершина которого отвечает условному компоненту, а концентрации этих компонентов откладываются на сторонах треугольника. Вершина L отвечает растворителю, A -неизвлекаемым компонентам, B -извлекаемым. Поскольку при экстракции давление практически не влияет на объем жидкой фазы, а правило аддитивности объемов хорошо выполняется при смешении, потоки могут быть выражены как массовых, так и в объемных единицах. Тогда концентрации компонентов соответствующих компонентов будут равны:

(67)

(68)

В равностороннем треугольнике сумма длин перпендикуляров, опущенных из произвольной точки, лежащей внутри треугольника, на его стороны, равна высоте треугольника. Если принять высоту треугольника за единицу, то длины отрезков a. b и l будут выражать состав смеси в долях единицы.

Рис. 16.2. Треугольная диаграмма

Любая смесь трех компонентов отвечает точке внутри треугольника (например, точка N), двойная смесь отвечает точке на сторонах треугольника. Например, смесь компонентов А и В представлена точкой F на стороне АВ.

Вершины треугольника соответствуют концентрациям чистых компонентов.

23. Основные методы экстрагирования

Любой процесс экстрагирования включает следующие стадии:
- смешение растворителя и сырья с целью их контактирования;
- разделение образовавшихся рафинатного и экстрактного растворов.
Причем экстрактный раствор обычно разделяется ректификацией (т.к. компоненты растворимы и отличаются температурами кипения). Рафинатный раствор обычно промывается, т.к. компоненты малорастворимые.Поэтому одна ступень экстракции состоит из смесителя и отстойника, реализуемых в разных конструктивных модификациях. Различают следующие разновидности процесса экстракции:
однократная экстракция (рисунок 16.1, а) сырье обрабатывается однократно всем количеством растворителя с последующим разделением на рафинатный и экстрактный растворы;

многократная экстракция - исходное сырье и рафинатные растворы обрабатываются в каждой ступени соответствующей порцией свежего растворителя (рисунок 16.1, б);

• 
  противоточная экстракция - многократное противоточное контактирование рафинатных и экстрактных растворов смежных ступеней (рисунок 16.1, в).

Противоточная экстракция может осуществляться в нескольких аппаратах типа смеситель-отстойник или в аппарате колонного типа (рисунок 16.1, г). Противоточная экстракция обеспечивает хорошее разделение при высоком выходе рафината, в то время как при многократной экстракции выход рафината высокого качества невелик. Однократную экстракцию используют для грубого разделения смеси.

24. Расчет процесса экстракции

1.2.1. Расчет числа ступеней экстракции

Рассчитаем число ступеней экстракции при экстракции таллия 50% раствором ТБФ в керосине + 80 г/дм3 J2, содержание таллия в исходном растворе 0,3 г/дм3, извлечение в органическую фазу 95%, О: В = 1: 10. По литературным данным КР = 50.Vводн = 157136 дм3 Vорг = 157136 / 10 = 15714 дм3 Начальная концентрация таллия m0 = 0,3 / 204,37 = 1,47.10-3 моль/дм3, где 204,37 – мольная масса таллия. Конечная концентрация таллия при извлечении 95% равна 0,3.0,05 = 0,015 г/дм3 или m1 = 0,015 / 204,37 = 0,73.10-4 моль/дм3 число ступеней экстракции определим по формуле

,

где р - теоретическое число ступеней экстракции, m0 – начальная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3, m1 – конечная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3, V1 – объем водной фазы, дм3 V2 – объем органической фазы, дм3 КР – коэффициент распредления

Практическое число ступеней экстракции рпрак = р / 0,9 = 1,7 / 0,9 = 1,9 Принимаем 2 ступени экстракции 1.2.2. Расчет экстрактора (смеситель-отстойник ящичного типа)Для расчета геометрических размеров экстрактора надо вычислить общий объем потока водной и органической фаз по формуле

,

где VВ – объем водной фазы, м3/сут VО - объем органической фазы, м3/сут Тогда

м3/ч

Объем камер определяем по формулам

,

где VСМЕС и VОТСТ – объемы смесительной и отстойной камер, м3 VОБЩ - общий поток водной и органической фаз, м3/ч τСМ и τОТСТ – время смешивания и время отстаивания, мин 0,8 – коэффициент заполнения экстрактора τСМ = 6 мин, τОТСТ = 10 мин тогда

м3

м3

Соотношение размеров смесительной камеры обычно принимают ВС: lС: НС = 1: 1: 1,5,где ВС – ширина смесительной камеры,lС - длина смесительной камеры,НС - высота смесительной камеры.Тогда

м

НС = 1,5 ВС = 1,5.0,84 = 1,26 м Соотношение размеров отстойной камеры: высоту и ширину отстойной камеры можно принять равными высоте и ширине смесительной камеры, тогда VОТСТ = ВС. НС. Z Следовательно, длина отстойной камеры z = VОТСТ / (ВС. НС) = 1,5 / (0,84.1,26) = 1,42 м, общая длина аппарата lОБЩ = lC + z = 0,84 + 1,42 = 2,26 м1.2.3. Расчет необходимого количества экстракторов Объем одного экстрактора вычисляется по формуле V1 = (Вс + НС + lОБЩ). рПРАКТ V1 = (0,84 + 1,26 + 2,26).2 = 4,78 м3 Необходимое количество экстракторов будет найдено из соотношения n = VОБЩ / V1 n = 7,2 / 4,78 = 1,5 Принимаем 2 экстрактора.

---

Дата добавления: 2015-07-14