Глава 4. Выбор конструкционного материала аппарата

Материалы для изготовления химических аппаратов и машин нужно выбирать в соответствии со спецификой их эксплуатации, учитывая при этом возможное изменение исходных физико-химических свойств материалов под воздействием рабочей среды, температуры и протекающих химико-технологических процессов.

При выборе материала для изготовления аппарата или машины необходимо учитывать механические свойства материала, химическую стойкость против разъедания, теплопроводность и другие.

Главным же требованием для материалов химических аппаратов в большинстве случаев является коррозионная стойкость, так как коррозионная стойкость материала определяет долговечность химического оборудования.

Среда в аппарате относится к ряду агрессивных сред. Выбрана сталь Х17Н13М2Т – по рекомендации [2, с.340], впрочем лучше применять футерованный аппарат, или керамику. Но в силу упрощенности расчета использована сталь.

Крышка, днище, абсорбционные трубы, трубные решетки, фланцы и патрубки для подвода и отвода газовой смеси, а также для подвода и отвода абсорбирующей воды изготавливаются из стали той же марки.

Опора, патрубки и фланцы для подвода и отвода охлаждающей воды изготавливаются из стали 15ХМ.

Питающие и распределительные тарелки, опорные решетки для покоящейся насадки могут изготавливаться, как из нержавеющей стали марки Х17Н13М2Т, так и из углеродистой стали 15ХМ.

Глава 5. Технологический расчет.

Примечание: Расчет ведется для противоточной схемы движения рабочих потоков, каждая из взаимодействующих фаз – бинарный раствор, абсорбция изотермическая.

1 Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

, [9, с.29] (5.1)

Плотность воздуха при рабочих условиях:

[9] , (5.2)

кг/м³;

Относительная массовая концентрация компонента Cl₂ в воздухе в начале процесса:

[9], (5.3)

где М_А(Cl₂)=70,9 кг/кмоль;

М_А(воздух)=299 кг/кмоль.

кг Cl₂/кг воздуха;

Конечная концентрация поглощаемого компонента в выходящем воздухе:

[9], (5.4)

кг Cl₂/кг воздуха;

кг/с.

2 Минимальный и реальный расход поглотительной жидкости (воды):

[9], (5.5)

Концентрация (равновесная концентрация поглощаемого компонента в поглотителе, соответствующая концентрации его в газовой фазе на входе в абсорбер) определяется из условия равновесия:

[9], (5.6)

кг Cl₂/кг воды;

где - коэффициент распределения [3] . (5.7)

, (5.8)

где , (5.9)

. (5.10)

t_кр=144⁰С ; Р_кр=76,1 ат – [2, с.513, табл. V].

.

α=5,808+4,93ω, (5.11)

; (5.12)

Т_кр=1,4732∙Т_кип^1,0313 – справочник Дж. Пери. (5.13)

(К).

,

α=5,808+4,93∙0,072=6,163.

,

Р_п=4,83; имеем .

Минимальный расход жидкости:

кг/с.

Действительный расход поглотительной жидкости:

[9], (5.14)

кг/с.

3 Содержание поглощаемого компонента в поглотителе на выходе из абсорбера определяется из уравнения материального баланса:

; (5.15)

кг Cl₂/кг воды.

По найденным точкам на диаграмме строим рабочую линию и равновесную линию по уравнению

Таблица 1 – Данные по построению равновесной и рабочей линий

	,	,	,	,
нач.	0	0	0	0,0058
кон.	0,031	0,145	0,025	0,145

Рисунок 5.1 – Рабочая и равновесная линия процесса

4 Коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

Критерий Нуссельта:

Для абсорберов с неупорядоченной насадкой при пленочном режиме:

[1]; (5.16)

Критерий Рейнольдса для газовой фазы:

[9], (5.17)

Скорость газа:

Сначала рассчитывается фиктивная скорость газа в точке захлебывания:

[9], (5.18)

где А=0,022 для насадки из колец [1],

- удельная поверхность насадки (для керамических колец

Рашига 25×25×3)[1];

- свободный объем насадки [1];

- плотность воды при [4];

- коэффициент вязкости воды [4].

- плотность смеси газов [4]; (5.19)

кг/м³ - плотность Cl₂ при н.у. [4, с.513, табл.V];

- плотность газа при рабочих условиях [4], (5.20)

кг/м³;

(5.2);

кг/м³.

м/с .

Фиктивная скорость газа для абсорберов, работающих в пленочном режиме:

[9], (5.21)

м/с.

Коэффициент динамической вязкости смеси газов:

[4], (5.22)

;

Изменение динамического коэффициента вязкости газов с температурой выражается:

[4], (5.23)

где - динамический коэффициент вязкости при 0°С,

С – постоянная Сатерленда.

С(Cl₂)=351 – [4, с.513, табл.V],

С(воздух)=124;

(Cl₂)=12,5·10^-6 Па·с – [4, с.557],

(воздух)=17,3·10^-6 Па·с;

,

;

- молярная масса смеси [4], (5.24)

кг/моль;

.

.

Диаметр абсорбера при найденной фиктивной скорости движения газа:

[9], (5.25)

(м), принимаем D^/ =0,6м – из нормального ряда диаметров колонн [1, с.106].

Действительная скорость газа:

, (5.26)

.

Критерий Прандтля:

[9], (5.27)

где - коэффициент молекулярной диффузии поглощаемого компонента в газе, м²/с:

[9], (5.28)

=1 кгс/см² – абсолютное давление в аппарате;

Т =373 К - температура в аппарате;

=48,4 см³/моль - мольный объем Cl₂ [4, с.288, табл. 6.3];

=29,9 см³/моль - мольный объем воздуха.

м²/с;

;

.

Коэффициент массоотдачи для газовой фазы:

[9], (5.29)

где =0,015м - эквивалентный диаметр насадки.

м/с.

5 Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе в абсорбере с неупорядоченной насадкой при пленочном режиме используется критериальное уравнение:

[9]; (5.30)

Критерий Рейнольдса:

[9], (5.31)

где - плотность орошения насадки:

[9], (5.32)

где - площадь поперечного сечения абсорбера, м²;

, .

Критерий Прандтля:

[9], (5.33)

где - коэффициент молекулярной диффузии поглощаемого компонента в жидкости, м²/с.

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰С определяется по формуле:

[9], (5.34)

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя,

=1 – для газов [4, с.289],

- для воды [4, с.289];

=18,9 см³/моль – мольный объем воды [4, с.288, табл. 6.3].

Коэффициент диффузии газа в жидкости при рабочей температуре :

[9], (5.35)

где - температурный коэффициент:

[9], (5.36)

[3], (5.37)

[3], (5.38)

Значения постоянных А, b и р зависят от вида насадки и справедливы для определенного интервала скоростей.

[3],

S – площадь поперечного сечения колонны, м²; (5.39)

, для колец Рашига 25×25×3 А=1,02, b=0,16, р=0,4 [3].

- критерий Рейнольдса выведенный исходя из предположения что вся геометрическая поверхность насадки смочена жидкостью.

[3], (5.40)

;

,

,

м³/(м² ·с);

.

Критерий Прандтля:

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰С:

м²/с,

;

Коэффициент диффузии газа в жидкости при рабочей температуре :

м²/с,

.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

[9], (5.41)

здесь [9] - приведенная толщина пленки, м. (5.42)

м,

м/с;

Выразим и в выбранной для расчета размерности:

,

.

Коэффициент массопередачи по найденным коэффициентам массоотдачи:

[9], (5.43)

7 Движущая сила процесса.

Средняя движущая сила по газовой фазе:

[9], (5.44)

где - движущая сила абсорбции в нижней и верхней частях абсорбера, определяемые по при помощи диаграммы , .

[1], (5.45)

;

[1], (5.46)

8 Требуемая поверхность массопередачи для проведения процесса абсорбции:

[9], (5.47)

м²;

Объем слоя насадки, необходимый для создания найденной поверхности:

[9], (5.48)

м³.

Требуемая высота слоя насадки для проведения процесса:

[9], (5.49)

м .

9 Гидравлическое сопротивление абсорберов

Гидравлическое сопротивление обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину рассчитывают по формуле:

[1], (5.50)

b=184 – коэффициент [1, с.108].

Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению:

[1], (5.51)

где - коэффициент сопротивления, при турбулентном режиме для беспорядочно насыпанных кольцевых насадок находится:

[1], (5.52)

;

[1] – скорость в свободном сечении насадки,

где V_св – свободный объем насадки, м³/м³. (5.53)

м/с

Па,

Па.