Расчет адсорбционной установки для улавливания паров толуола производительностью 6000 м3/ч и давлением в адсорбере 900 мм рт.ст.

Целью расчета является определение расхода поглотителя, температуры процесса и количество отводимой теплоты, выбор скорости газа, насадки(для насадочных колонн), типа тарелок(для тарельчатых колонн),размеров и гидравлического сопротивления аппаратов. ...

1. Введение 3

2. Расчет адсорбционной установки 5

2.1.Построение кривой адсорбции 10

2.2. Расчет диаметра и высоты адсорбера. Определение
допустимой скорости газа 11

2.3. Расчет коэффициента массопередачи 12

2.4. Расчет продолжительности процесса адсорбции 15

2.5. Материальный баланс в стадии адсорбции 20

2.6. Расчет теплообменника

2.7. Материальный баланс в стадии десорбции 25

2.8 Расчет вентилятора

2.9. Материальный баланс в стадии сушки 31

2.10. Материальный баланс в стадии охлаждения 34

3.Литература.

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела – адсорбента. Поглощаемое вещество, находящееся в объемной фазе (газе, паре или жидкости), называется адсорбтивом, а поглощенное – адсорбатом.

г см =возд=0,01810-3 Пас.Определяем коэффициент массопередачи в газовой фазе с помощью критерия Нуссельта:где е-порозность слоя, е=0,4. Рассчитываем Re-критерий Рейнольдса:.Pr-критерий Прандтля:.Найдем критерий Нуссельта:.Рассчитаем по полученным значениям коэффициент массопередачи, у:Перепроверим правильность нахождения коэффициента массопередачи по формуле:где W-фиктивная скорость, м/с:где V-расход газовой смеси, V=6000 м3/чДСТ-стандартный диаметр, ДСТ=3 м.-кинематическая вязкость, м2/с:Тогда коэффициент массопередачи равен:Сравниваем полученное значение со значением у. Погрешность составляет:2.4 Определение продолжительности процесса адсорбцииПо изотерме адсорбции паров нитротолуола и величине начальной концентрации паров в воздухе (С0=0,006 кг/м3) находим значение а0.По уравнению Вант-Гоффа находим упругость паров. Для этого определим давление, которое соответствует начальной концентрации паров в воздухе С0:где С0 -начальной концентрации паров нитротолуола в воздухе,С0=0,006 кг/м3;R – универсальная газовая постоянная, R=8,310 кДж/кгК;Т – температура паровоздушной среды, Т=293 К;Р0 – 900 мм рт ст;Для значения Р0=17,3 мм рт ст по изотерме адсорбции паров нитротолуола определим концентрацию а0:а0=1,06 кг/кг.Определим значение концентрации а0, находящейся на линии изотермы адсорбции при р2=const.а=0,53 кг/кг.Упругость паров нитротолуола составляет 1,5 мм. рт. ст. Пересчитаем концентрацию:где р1 - давление, р1=1,5 мм рт ст;Мг – молекулярная масса нитротолуола, Мг=137 кг/кмоль;R - универсальная газовая постоянная, R=8314 Дж/кгК;Т – температура паровоздушной среды, Т=293 К;Определим продолжительность процесса адсорбции. Так как а/2=0,53кг/кг находится в третьей области изотермы, то рассчитываем по уравнению:где у – коэффициент массопередачи, у=0,021 м/с;Н – высота слоя активного угля, Н=1 м;W – скорость, W=16,24 м/мин;С0 – начальная концентрация паровоздушной смеси , С0=0,006 кг/м3Находим время процесса:=15300с=4 ч 15 мин2.5 Материальный баланс в стадии адсорбцииАдсорбция производится углем, содержащим после процесса регенерации 5 влаги (принимается от 3 до 8) и 1 нитротолуола (находится в пределах 13). В процессе адсорбции влажность угля не меняется. Уголь поглощает 97 от общего количества нитротолуола, поступившего в адсорбер.Определим количество угля в адсорбере:где Д – диаметр адсорбера, Д=3 м;Н – высота адсорбента, Н=1 м;нас – насыпная плотность адсорбента, нас=550 кг/м3.Определим количество нитротолуолаОпределим количество паровоздушной смеси, поступающее в адсорбер за один цикл.,где V-расход газовой смеси, V=6000 м3/ч.Переведем значение V в кг:Определим количество влаги, поступающее с воздухом. Расчет проводим для летных условий города Еревана при tср= 25 относительной влажности =50 [1].По диаграмме Рамзина [1] определяем влагосодержание воздуха:Определим количество влаги в воздухе:Определим массу сухого воздуха:Рассчитаем количество паров нитротолуола, поступающее в адсорбер вместе с паро-воздушной смесью:,где С0-начальная концентрация паров нитротолуола в воздухе; С0=0,006 кг/м3.Определим количество нитротолуола, поглощенное углем:Найдем, какое количество нитротолуола осталось в угле после адсорбции:162 кг – 157,14 кг =4,86 кг Общее количество нитротолуола: 157, 14 + 33,85=191 кг.Вычислим количество нитротолуола, выходящее из адсорбера вместе с отработанным воздухом:Материальный баланс в стадии адсорбции представлен в таблице 2.Таблица 2 – Материальный баланс в стадии адсорбцииприходкгкграсходкгкгугольная шихта:3588,1угольная шихта:3716,25уголь3385уголь3385влага169,25влага169,25нитротолуол33,85нитротолуол162паровоздушная смесь:41533паровоздушная смесь:41359,86сухой воздух40820сухой воздух40820влага571влага571пары нитротолуола162пары нитротолуола4,86ИТОГО:45141,1ИТОГО:45112,17. Материальный баланс в стадии десорбции.Десорбция проводится водяным паром, давление которого составляет 3,57 атмосфер. В расчетах примем давление, равное 4 атмосферам. Давление в аппарате атмосферное. Вся система, кроме изоляции, нагревается до 100 С, а теплоизоляция – до 70 С. Продолжительность десорбции составляет от 0,5 до 2,5 часов. В расчетах продолжительность примем равной 1 часу. Вычислим расход тепла на нагревание адсорбера:где с1-теплоемкость стали определяем по таблице 25 [1], с1=0,50103 Дж/кгК,(t1к-t1н), (100-20)СG1-масса адсорбера,где СТ-плотность стали определяем по таблице 2 [1], СТ=7850 кг/м3,V-объем адсорбера,где ДСТ-диаметр адсорбера, ДСТ=3 м,h-высота цилиндрической части адсорбера, h=2,2 м,Д-диаметр, Д=2+ДСТ=20,01+3=3,02 м,где -толщина стенки, =0,01 м.Тогда получим,Рассчитаем расход тепла на нагревание тепловой изоляции:где с2-теплоемкость изоляции. В качестве изоляции выберем асбест, с2=0,84кДж/кгК,(t1из-t1н)=(70-20)=50С G2-масса изоляции,где кирп.-плотность асбест, .=2600кг/м3,V-объем изоляции,где ДСТ-диаметр адсорбера, ДСТ=3,02 м,h-высота цилиндрической части адсорбера, h=2,2 м,Д-диаметр, Д=2’+ДСТ=20,01+3,02=3,04 м,-толщина изоляции, =0,01 мТогда получим,Рассчитаем расход тепла на нагревание гравия:где с3-теплоемкость гравия, определяем по таблице 25 [1]. В качестве гравия примем песок. С3=0,80103 Дж/кгК,(t1гр-t1н)=75С,G3-масса гравия,где гр- плотность песка, гр=1600 кг/м3,V-объем,где ДСТ-диаметр адсорбера, ДСТ=3 м, h-высота слоя гравия. Выбираем в зависимости от диаметра адсорбера, h=0,1 м. [2]Тогда получим,Рассчитаем расход тепла на нагревание угля:где с4-теплоемкость угля, определяем по таблице 25 [1], с4=1103 Дж/кгК,(t1к-t1н )=80G4-масса угля, (берем из материального баланса в стадии адсорбции), G4 = 3385 кгРассчитаем расход тепла на нагревание влаги:где с5-теплоемкость влаги, определяем по таблице 39 [1], с5 =4,19103 Дж/кгК,(t1к-t1н)=80 G5-масса влаги (берем из материального баланса в стадии адсорбции), G5=169,25 кг.Тогда получим,Рассчитаем расход тепла на нагревание бензола, находящегося в угле:где с6-теплоемкость влаги, определяем по таблице 39 [1], с6 =4,19103 Дж/кгК, (t1к-t1н)=80 G6-масса нитротолуола (берем из материального баланса в стадии адсорбции), G6=571 кг.Тогда получим,Рассчитаем расход тепла на десорбцию нитротолуолагде W-количество дихлорэтана, W=G6-G7=537,15 кг,где G7-количество нитротолуола, оставшегося в угле после десорбции (из материального баланса процесса адсорбции), G7=33,85 кг.Переведем количество нитротолуола из кг в кмоль:Отнесем количество угля к количеству кмолей улавливаемого нитротолуола:Следовательно, необходимо 863,5 кг на 1 кг поглощаемого пара нитротолуолаОпределим значение q-теплоты адсорбции:q=man,где m,n-коэффициенты, m=0,915, n=0,7385. [3]Примечание: принимаем m и n для вещества наиболее ближайшего к нитротолуолу.a-количество адсорбированного пара:Где Gугля =масса угля, Gугля=G4=3385 кг,воды-плотность воды, воды=1000 кг/л.Тогда получим,q=25,940,9590,774=17,56 ккал/кг.Отсюда следует, чтогде Qд-полное количество тепла, выделившееся при поглощении паров нитротолуоласводы-теплоемкость воды, своды=4,19 кДж/кгК.Потери тепла в окружающую среду составляет 5 . Тогда расход тепла будет определяться по уравнению:где Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=14030916,4 кДж,-теплота нагревания (таблица 56-57 [1]), =2686 кДж/кг,Следовательно,Расход пара на компенсацию отрицательной теплоты смачивания угля водой. Принято, что в угле остается 90 конденсата греющего пара:Теплота адсорбции воды углем при 100 С составляет 32857 кДж/кмоль. При 1,232 кгс/см2 теплота конденсации пара равна 2260 кДж/кг или 2260 кДж/кг 18 кг/кмоль=40680кДж/кмоль.Отрицательная теплота будет равна:qc=q-qк=32857-40680=-7823кДж/кмоль,где q-теплота адсорбции воды углем, q=32857 кДж/кмоль,.Расход пара на конденсацию отрицательной теплоты смачивания:Общее количество пара, конденсирующего в адсорбере:Д1+Д3=309,46+59,3=368,76 кг.Всего в угле содержится влаги:Д1+Gводы=309,46+169,25=478,71кг.Из нижней части адсорбера будет удаляться конденсат водяного пара в количестве:59,3кгРасход динамического пара на процесс десорбции равен:Д2=2,5W=2,51862,15=4655,375 кг.Общий расход пара на процесс десорбции равен :Д1+Д2-Д3=9776,575 кг. (9776,575/18= 543,14 кДж/кмоль)Полученные результаты сведем в таблицу 3.Таблица 3 – Материальный баланс в стадии десорбцииприходкгкграсходкгкгугольная шихта:4259,39угольная шихта:3669,6уголь3385уголь3157влага169,25влага478,71нитротолуол162нитротолуол33,85водяной пар543,14смесь паров идущих на конденсацию590,06пары нитротолуола162водяной пар368,76конденсат водяного пара, удаляющегося из нижней части адсорбера59,3ИТОГО:4259,39ИТОГО:4259,623.9 Материальный баланс в стадия сушкиТемпература всей системы во время процесса сушки снижается до 60 С, А температура изоляции – до 50 С. Потери тепла в окружающую среду составляют 310 (в расчетах примем 4 ). Сушка проводится воздухом, нагретом в калорифере, до 280 С и относительной влажности 90 .Вычислим движущую силу процесса:где t-температура влаги и угля после десорбции, t=280Сс- теплоемкость воды при 280 С, с=4,84 кДж/кгК,qс-удельная теплота смачивания, qс=7823 кДж/кг, q0-удельное количество тепла отдаваемое системой при удалении влаги.Вычислим количество тепла отдаваемое адсорбером:где с1-теплоемкость адсорбера (стали) , с1=0,50103 Дж/кгК,G1-масса адсорбера, G1=917,3 кг.Вычислим количество тепла, отдаваемое асбестовой изоляцией изоляцией:где с2-теплоемкость изоляции, с2=0,84103 Дж/кгК,G2-масса изоляции, G2=1095 кг.Вычислим количество тепла, отдаваемое гравием:где с3-теплоемкость гравия, с3=0,80103 Дж/кгК,G3-масса гравия, G3=984,7 кг.Определим количество тепла, отдаваемое углем:где с4-теплоемкость угля, с4=1103 Дж/кгК,G4-масса угля, G4=3385 кг.Количество тепла, отдаваемое влагой, будет определяться от количества этой влаги оставшейся в угле. (материальный баланс в стадии десорбции), количество оставшейся влаги в угле равно:169,25кгВычислим количество отдаваемой теплоты:где с5-теплоемкость влаги, с5=4,84103 Дж/кгК,G5-масса влаги (берем из материального баланса в стадии адсорбции), G5=169,25 кг.Тогда суммарное количество тепла, отдаваемое системой равно:Так как потери тепла в окружающую среду составляют 4 % (100-4) %=96 %, то суммарное количество тепла отдаваемое системой:295586,50,96=283763,04 кДж.Определим удельное количество тепла:Исходя из этого=280*4,19+917+434,6=2524,8 кДж/кг уд влаги.Переведем из кДж в ккал:Для определения удельного расхода воздуха найдем следующие данные по диаграмме Рамзина [5]:для точки А: T=25 C, =50 %/для точки В: Т=280 С, х0=0,014 кг/кг – влагосодержание поступающего воздуха в адсорбер.9144000Рисунок 2 Диаграмма Рамзина для влажного воздухаИз точки В проводим линию до пересечения с =90 %, получаем точку Е. Проводим параллельную линию оси Х, до пересечения ее с прямой АВ. Получаем точку F (отрезок EF). Измеряем его длину и находим длину отрезка ЕК по формуле:где -движущая сила процесса, =602,6 ккал/кг,Мх, Му-коэффициенты, Мх=0,0002 кг/кг, Му=0,1 кг/кг.ЕF=62 мм – длина отрезка EF.Откладываем отрезок ЕК, параллельно оси У. Соединяем точки В и К, и проводим прямую до пересечения ее с кривой относительной влажности =90 %. Получаем точку С. Тогда хс=0,225 кг/кг. Пользуясь диаграммой Рамзина, определим I0 и I1, I0=55 кДж/кг, I1=320 кДж/кг.Определим хср:Определим удельный расход воздуха:Общий расход воздуха на сушку:где W-количество удаленной влаги,.Определим количество влажного воздуха:Lcвозд=3032,71,009=3060 кДж.Разница между вычисленными величинами говорит о том, сколько количества влаги удаляется:3060 – 3032,7=27,3 кг.