Курсовая работа

Установка для очистки воздуха от аммиака

 

 

Реферат

 

         Курсовая работа: 22 с., 4 рис., 3 табл., 4 источника литературы.

 

Цель курсовой работы – рассчитать установку для очистки воздуха от аммиака и выбрать основные аппараты.

 

          В курсовой работе представлена схема установки для очистки воздуха

от паров аммиака. Относительно этой установки произведены расчеты следующих процессов: транспортировки воды (расчет насосной установки), теплопередачи (расчет холодильника), массопередачи (расчет абсорбера).

 Полученные результаты проанализированы, определено соответствие их реальным условиям производства.

 

 

 

 

                                                      

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, АБСОРЦИЯ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС, ХОЛОДИЛЬНИК, НАСАДКА, АММИАК, ДВИЖУЩАЯ СИЛА, ПОГЛОТИТЕЛЬ, МАССОПЕРЕДАЧА, АБСОРБЕНТ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность проблемы очистки воздуха от аммиака можно объяснить с двух точек зрения: экологической и экономической.

С экологической точки зрения аммиак в больших количествах и концентрациях оказывает губительное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Предельно допустимой нормой является содержание аммиака — 20 мг на кубический метр воздуха.

По физиологическому действию на организм аммиак относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Животные, подвергшиеся воздействию аммиака, испытывают симптомы, похожие на те, которые испытывает человек, в частности, трудности с дыханием.

Аммиак в основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. В холодильной технике используется в качестве холодильного агента. Аммиачная вода является азотным удобрением. Нашатырный спирт используют в медицине. В связи с этим очищать воздух от аммиака не только экологически необходимо, но и выгодно с экономической точки зрения [1].

Целью данной курсовой работы является разработка установки для очистки воздуха от аммиака.

 

 

 

 

 

1. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ

 

 

 

 

Схема абсор6цнонной установки представлена на рис. 1. Газ, охлажденный в холодильнике 4, поступает в нижнюю часть абсорбера 3, где равномерно распределяется по сечению колонны и поступает на контактные элементы (насадку). Абсорбент подастся в верхнюю часть колонны центробежным насосом 2 из емкости 1. В колонне осуществляется противоточное движение газа и жидкости. Очищенный газ выходит из колонны в атмосферу. Абсорбент, насыщенный аммиаком, подается на регенерацию [5].

 

 

 

 

2. РАСЧЕТ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

 

         Наиболее широкое применение в химической промышленности получили лопастные (центробежные, вихревые) и объемные (поршневые, плунжерные, шестеренчатые, винтовые и др.) насосы.  Основными задачами при расчете насосов являются определение необходимого напора и мощности двигателя при заданном расходе жидкости, выбора насоса по каталогам или ГОСТам с учетом свойств перемещаемой жидкости [5].

 

2.1 Описание конструкции

 

             1-рабочее колесо

             2-направляющий аппарат

             3-всасывающий трубопровод

             4-нагнетательный трубопровод

             5-корпус

             6-вал

 

 

 

Рисунок 2.  – Центробежный насос

 

В центробежных насосах разряжение и нагнетания вещества происходит под действием центробежной силы, возникающей при вращении замкнутого в корпус колеса с лопатками (рис.2). В чугунном корпусе 5 спиралевидной формы движется вал 6, который приводится в движение непосредственно от электродвигателя или от трансмиссии; на валу закреплено рабочее колесо 1 с лопатками предназначенной формы, образующих между собой каналы для прохода вещества. Для уменьшения затрат рабочее колесо снабжают направляющим аппаратом 2, который окружает рабочее колесо. Корпус насоса оборудован двумя штуцерами. Один находится на осевой части корпуса и непосредственно сообщается с пространством внутренней окружности колеса; к этому штуцеру присоединен всасывающий трубопровод 3. Второй штуцер находится тангенциально на боковой части корпуса и соединяется с нагнетательным трубопроводом 4.

Если внутреннее пространство корпуса заполнено веществом, то при перемещении колеса, лопатки предоставляют веществу, что находится в колесе, вращательное движение. При этом возникающая при вращении центробежная сила отбрасывает вещество от центра к периферии колеса; отсюда она отбрасывается в корпус и поступает в нагнетательный трубопровод 4.

Преимущества:

1) компактность и непосредственный привод от двигателя;

2) дают большую производительность при относительно небольшом напоре;

3) возможность перекачивать вещество с твердыми взвесями;

4) простота конструкции.

Недостатки:

1) невозможность перекачки вещества под большими давлениями;

2) не столь экономичны, как поршневые насосы [5].

2.2 Исходные данные для расчета

Определить напор, который развивает центробежный насос, и потребляемую им мощность при перекачивании воды из открытой емкости в абсорбер, работающий при избыточном давлении. Температура воды 30ºС [4].

1. Продуктивность насоса по воде V=50 м³/ч;
2. Диаметр всасывающего трубопровода d₁=200мм;
3. Диаметр нагнетательного трубопровода d₂=250мм;
4. Длинавсасывающеготрубопроводаl₁=100м;
5. Длина нагнетательного трубопровода l₂=65м;
6. Число отводов под углом 90ºС на каждом трубопроводе n = 6шт;
7. Число вентилей на каждом трубопроводе m=1шт;
8. Абсолютная шероховатость трубопроводов ∆=0,1мм;
9. Высота подъема жидкости в нагнетательном трубопроводе Н =25м;
10. Коэффициент полезного действия насоса ɳ=0,72;
11. Давление избыточное в абсорбере P*10² =0,26Мпа [4].

 

2.3. Определение напора и потребляемой мощности

 

 

 – напор, развиваемый насосом;

 

 

Физические характеристики воды для определения режима движения воды при температуре 30ºС:

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

Таблица 1. Потери на местные сопротивления.

 

Всасывание		Нагнетание
Разновидность		Разновидность
1.Вход в трубу		1. Кран
2.Кран		2. Поворот на 90⁰
3.Поворот на 90⁰

[2].

 

      Н ≈ 50 м.

 

 

 

Принимаем стандартный центробежный насос для перекачивания воды из открытой емкости в абсорбер, работающий при избыточном давлении, с такими характеристиками: марки КМ 80-50-200 с электродвигателем типа 4А160Ѕ2, Q =50 м^3//ч, n =2900 об/мин, N = 15,0 кВт [2].

 

 

3. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА

При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмене), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, - холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, но он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппарате периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменения режима их работы.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому. Известны три основных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Теплообмен всех этих видов может происходить одновременно, но при анализе процессов теплопередачи каждый из них целесообразно рассматривать в отдельности. Теплообмен применяется для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

Различают следующие типы аппаратов по назначению:

1. Подогреватели, в которых тепло передается технологическому продук­ту горячим теплоносителем - нагревающим агентом.
2. Холодильники, в которых технологический продукт охлаждается холод­ным теплоносителем - охлаждающим агентом.
3. Испарители (кипятильники), в которых происходит кипение техноло­гического продукта за счет подвода тепла нагревающим агентом.
4. Конденсаторы, в которых происходит полная конденсация технологи­ческого пара.
5. Дефлегматоры, в которых идет частичная конденсация технологичес­кого пара.
6. Теплообменники, в которых один технологический продукт нагревается за счет тепла, выделенного при охлаждении другого технологического продукта.

При выборе теплоносителя следует обратить внимание на обеспечение им заданной температуры, достижение высоких коэффициентов теплоотдачи, на его дефицитность и стоимость.

3.1 Описание конструкции

 

                                         1-кожух

                                         2-трубная решетка

                                         3-трубы

                                         4-патрубок

                                         5-днище

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. – Кожухотрубный теплообменник.

 

Кожухотрубные аппараты относятся к числу наиболее часто применяемых. Они представляют собой пучок параллельных труб 3 небольшого диаметра, которые размещены с помощью трубных решеток 2 в трубе большого диаметра 1, который называется кожухом (рис 3).

Один из теплоносителей движется по трубам, другой – в пространстве между трубами и кожухом (межтрубном пространстве).

Существует большое количество вариантов конструкционного исполнения кожухотрубных аппаратов. Для компенсации разности температурных расширений применяются различные компенсационные устройства (линзовые компенсаторы, плавающие головки, u-образные трубы, и др.). Существуют также многоходовые аппараты, в которых межтрубное пространство разделяется перегородками, или перегородки устанавливаются так, чтобы теплоноситель, который движется по трубам, проходил по ним несколько раз для увеличения скорости потоков теплоносителей и вследствие чего увеличивается эффективность аппарата [5].

 

Преимущества кожухотрубных аппаратов:

1) компактность;

2) небольшая поверхность тепловых потерь;

3) небольшая металлоемкость.

Недостаток - сложность очистки межтрубного пространства.

3.2 Исходные данные

Определить необходимую поверхность холодильника для охлаждения воздуха водой и потери давления в аппарате.

1. Расход воздуха G=5 кг/с.
2. Температура воды:

начальная t₁=10⁰С;

конечная t₂=41⁰С.

3. Температура воздуха:

начальная t₃=65⁰С;

конечная t₄ ,⁰С (принимаем 28⁰С) [4].

3.3 Тепловой баланс

Количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени, называется тепловой нагрузкой. Уравнение теплового баланса в общем виде без учета потерь теплоты в окружающую среду, выразится равенством:

Q = Q₁ – Q₂,

где Q₁- количество тепла, отдаваемое горячим теплоносителем, Вт;

     Q₂-количество тепла, передаваемое холодному теплоносителю, Вт.

Уравнение теплового баланса с учетом потерь теплоты в окружающую среду:

Q₁ = Q₂ + Q_пот,

где Q_пот – потери тепла в окружающую среду, Вт.

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то

                              Q₁ = G₁c₁(t_1н - t_1к);     Q₂ = G₂c₂(t_2к  - t_2н);                               

Таким образом, уравнение теплового баланса примет вид:

G₁c₁(t_1н - t_1к) = G₂c₂(t_2к - t_2н)    

–расход воды;

3.4 Конструктивный расчет

Необходимая площадь поверхности теплопередачи определяется по формуле:

Определяем среднюю разность температур при противоточном движении теплоносителей:

65________________28

41________________10

 

 ^oС

 

Скорость движения воды принимаем

ρ_воды =996 кг/м^3, µ=0,810^-3, d_вн=0,021 м ; [3].

 

 

Скорость движения воздуха принимаем  , ρ_воздух = 1,29 кг/м³,  µ=0,019710^-3, d_н=0,025 м, =0,0258 ; [3].

 

 

 

 

 

 

3.5 Выбор типового аппарата

[2].

 

 

[2].

Рассчитаем потери на местные сопротивления:

 

Таблица 2.Типы местных сопротивлений

Тип
1.Внезапное расширение
2.Внезапное сужение
3. Внезапное расширение
4. Поворот на 180⁰
5. Внезапное сужение	0,45
6.Внезапное расширение
7.Внезапное сужение

[2].

 

РАСЧЕТ АБСОРБЕРА 

Для проведения процесса абсорбции применяют абсорбционные установки, основным элементом которых являются абсорбционные аппараты. В зависимости от внутреннего устройства различают тарельчатые, насадочные, распылительные, роторные, поверхностные и каскадные абсорберы. Наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные аппараты.

4.1 Описание конструкции

 

                         1-насадка

2-направляющий конус

3-решетка;

4-распределительная форсунка

 

 

Рисунок 4.  – Насадочный абсорбер

Наиболее распространены в химической промышленности насадочные абсорберы (рис.4), которые представляют собой колонны с колосниковыми или плоскими перфорированными решетками 3, на которых размещается насадка 1 в виде мелких тел различной формы. Решетки служат опорой для слоя насадки, а также способствуют равномерному распределению по сечению колонны газового потока. Над слоем насадки размещаются устройства 4 для равномерного распределения по сечению колонны абсорбента, который стекает сверху вниз. Взаимодействие газа с жидкостью проходит в основном на смоченной поверхности насадки, по которой стекает оросительная жидкость.

В насадочном абсорбере жидкость течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поверхность которой является поверхностью абсорбции.

Для улучшения смачивания насадки в крупных абсорберах под каждой секцией насадки, кроменижней, устанавливаются распределители направления движения 2 вещества на периферии и направляющих ее до центра.

Относительно насадок, чаще всего применяют разнообразные керамические и стеклянные трубки, деревянную хордовую насадку, металлическую спиральную насадку, и др. Насадка может быть регулярная, когда элементы насадки укладываются правильными рядами, и нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом.

Основное преимущество данных аппаратов – возможность создания значительной поверхности массопередачи [5].

4.2 Исходные данные

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 25х25х3 мм.

1. Расход воздуха G=5 кг/с;
2. Концентрация распределяемого компонента в воздухе:

на входе в абсорбер у₁=0,04 мольные доли;

на выход из абсорбера у₂=0,004 мольные доли;

3. Концентрация распределяемого компонента в поглотителе на входе в абсорбер х₁, мольные доли (принимаем х₁=0).
4. Давление воздуха Р=0,26 МПа.
5. Температура воздуха t, ⁰С (принимаем t=28 ⁰С).
6. Скорость движения воздуха в общем сечении аппарата W=0,82 м/с.
7. Коэффициент массопередачи К_у=0,58 кмоль/м²ч. [4].

4.3 Материальный баланс

Количество аммиака, переходящего из воздуха в жидкость, определяют из уравнения материального баланса. По закону сохранения масс материальный баланс процесса абсорбции рассчитывается по формуле:

G(Y_н- Y_к) = L(X_к- X_н),

где G – расход инертного газа, кмоль/с;

     L – расход абсорбента, кмоль/с;

Y_н, Y_к – начальная и конечная концентрация абсорбтива в газовой смеси, кмоль/кмоль инертного газа;

         X_к, X_н -  начальная и конечная концентрация абсорбтива в поглотителе, кмоль/кмоль абсорбента.

Общий расход абсорбента:

L = G(Y_н- Y_к)/ (X_к- X_н),или

l = L/G = (Y_н- Y_к)/ (X_к- X_н), кмоль/кмоль инертного газа

Это выражение определяет зависимость между составами газа и жидкости в произвольном сечении аппарата и описывается уравнением прямой линии.

 

Константа Генри по аммиаку при t=28 ⁰С:

 

 

 

Из условий, что продуктивность насоса по воде:

, получаем:

 

 

 

 - коэффициент распределения компонента между фазами при равновесии.

 

 

 

 

4.4 Конструктивный расчет

Геометрические размеры колонного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, которая необходима для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массы передачи находим из следующего сравнения:

 

 

 

Насадка – хаотично уложена кольцами Рашига размером 25х25х3 мм,

имеющая такую характеристику: удельная поверхность, а=200 м²/м³; доля свободного объема ԑ=0,74 м³ /м³; [4].

      Берем с запасом

 

, значит запас площади массопередачи будет:

 

 

Принимаем

 

 

 

5. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для предупреждения аварийных ситуаций в случае отклонений от технологического режима на практике пользуются аппаратами, которые имеют запас по определяющему параметру.

 

Таблица 3. Параметры выбранных машин и аппаратов.

Аппарат, машина	Расчетное значение	Принятое значение	Запас, %
Насос: подача Q, м3/ч мощность N, КВт	50 12,623	50 15	0 18,8
Холодильник: площадь теплопередачи, м2	60,6	73	20,4
Абсорбер: площадь массопередачи, м2	4453,82	5054	13,5

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

         В данной курсовой работе рассчитана установка для улавливания аммиака из воздуха, приведены расчеты основного оборудования и выбраны стандартные машины (насос) и аппараты. Она состоит из насоса для перекачивания регенерированной воды, холодильника для охлаждения загрязненного воздуха и абсорбера для поглощения аммиака. По проведенным расчетам были выбраны стандартные аппараты и намечена технологическая схема установки с указанными материальными потоками. Все процессы в аппаратах были описаны и рассчитаны в соответствующей практической части. Физико-химические константы для расчетов были взяты из рекомендуемой литературы к выполнению курсовой работы.

Аппараты были выбраны с параметрами, больше рассчитанных.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плановский А. Н. Процессы и аппараты химической технологии / А. Н. Меликов, В. М. Рамм, С. З. Каган. — М.: Химия, 1968. — 848 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2008. – 753 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». – М. ООО ТИД «Альянс», 2005 – 576 с.
4. Методические указания по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» / Л.Н. Акимова, А.В. Кипря, И.Г.Дедовец, – Донецк; 2012 – 25 с.
5. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов – Л.: Химия, 1991. – 352с.

Скачать: kursovaya_pakht.rar