Методика расчета и проектирования насадочного абсорбера для улавливания паров ацетона

Введение. Актуальность и цели проектирования установки газоочистки

Промышленные выбросы летучих органических соединений (ЛОС), и в частности ацетона, представляют собой серьезную экологическую проблему. В связи с ужесточением нормативных требований к качеству воздуха, разработка и внедрение эффективных систем газоочистки становится одной из приоритетных задач для многих производств. Одним из ключевых физико-химических методов для решения этой задачи является абсорбция — процесс поглощения газов или паров из газовых смесей жидкими поглотителями.

В абсорбционном процессе участвуют две фазы — газовая и жидкая, и происходит избирательный перенос целевого компонента (в нашем случае, ацетона) из газа в жидкость. Актуальность данной темы обусловлена необходимостью поиска и расчета оптимальных и экономически целесообразных решений для улавливания вредных веществ.

Основная цель данной курсовой работы — спроектировать насадочный абсорбер для очистки воздуха от паров ацетона. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Проанализировать существующую научно-техническую литературу по методам очистки газов.
• Выбрать и обосновать тип абсорбционного аппарата.
• Изучить теоретические основы и процессы, протекающие в абсорбере.
• Выполнить полный технологический, гидродинамический и массообменный расчет насадочного абсорбера.

Глава 1. Аналитический обзор методов очистки воздуха и теоретические основы процесса абсорбции

Для очистки промышленных выбросов от летучих органических соединений, помимо абсорбции, применяются и другие методы, каждый со своими преимуществами и недостатками:

• Адсорбция: Эффективный метод, особенно при низких концентрациях загрязнителя. Часто используется активированный уголь. Однако адсорбенты требуют периодической регенерации или замены, что усложняет и удорожает процесс.
• Конденсация: Применяется для высоких концентраций паров. Метод заключается в охлаждении газовой смеси ниже точки росы компонента, что требует значительных энергозатрат на охлаждение.
• Термическое и каталитическое окисление: Позволяет достичь высокой степени очистки, превращая ЛОС в безвредные CO₂ и H₂O. Минусы — высокая стоимость (особенно катализаторов) и образование побочных продуктов, таких как оксиды азота.

Выбор абсорбции для улавливания ацетона (CH₃COCH₃) обусловлен его ключевым свойством — высокой растворимостью в воде. Это делает воду доступным и экономичным абсорбентом, что значительно упрощает технологическую схему. Суть процесса заключается в массопереносе, движущей силой которого выступает разность концентраций ацетона в газовой фазе и в жидкости. Чем выше эта разница, тем интенсивнее протекает процесс. Для инженерного расчета и оценки эффективности ключевыми параметрами являются число единиц переноса (NTU) и высота единицы переноса (HTU). NTU показывает, насколько «трудно» разделить смесь, а HTU характеризует эффективность конкретной насадки и гидродинамических условий в аппарате. Эти два параметра станут основой для дальнейших расчетов.

Глава 2. Устройство и принцип действия насадочного абсорбера как основа проекта

Насадочный абсорбер представляет собой вертикальную колонну, заполненную специальными телами — насадкой. Его конструкция включает несколько ключевых элементов:

1. Корпус: Цилиндрическая колонна, рассчитанная на рабочее давление и температуру.
2. Насадка: Элементы различной формы, которые загружаются в колонну для создания развитой поверхности контакта фаз. Могут быть неструктурированными (случайными, например, кольца Рашига) или структурированными (гофрированные сетчатые пакеты).
3. Опорные решетки: Служат для удержания слоя насадки.
4. Распределитель жидкости: Устройство в верхней части колонны, которое обеспечивает равномерное орошение всей поверхности насадки. Это критически важный узел, так как от качества распределения жидкости напрямую зависит эффективность массообмена.

Принцип действия абсорбера основан на противотоке: загрязненный газ подается в нижнюю часть колонны и поднимается вверх, в то время как абсорбент (вода) подается сверху и стекает вниз по насадке. На поверхности насадки образуется тонкая пленка жидкости, где и происходит интенсивный массообмен. Для нашего проекта целесообразно рассмотреть использование структурированной насадки, поскольку она при прочих равных условиях обеспечивает более высокое отношение площади поверхности к объему и создает меньший перепад давления по сравнению со случайной насадкой, что снижает энергозатраты на подачу газа.

Глава 3. Формулирование исходных данных для выполнения расчетов

Для выполнения проектных расчетов насадочного абсорбера принимаем следующие исходные данные. Они являются основой для всех последующих вычислений и определения размеров аппарата.

Все расчеты должны базироваться на четко определенных начальных условиях, чтобы обеспечить точность и воспроизводимость результатов.

• Производительность по газовой смеси: V = 10 000 м³/ч
• Начальная концентрация ацетона в воздухе: y_н = 20 г/м³
• Требуемая конечная концентрация ацетона в воздухе: y_к = 1 г/м³ (степень очистки 95%)
• Абсорбент: Вода (H₂O)
• Температура процесса: T = 20 °C
• Давление в системе: Атмосферное

Для расчетов также потребуются физико-химические свойства компонентов (плотность, вязкость, коэффициенты диффузии для ацетона и воды), которые берутся из справочной литературы для указанной температуры.

Глава 4. Расчет материального баланса процесса абсорбции

Первым шагом в проектировании является составление материального баланса, цель которого — определить необходимое количество абсорбента (воды) для поглощения заданного объема ацетона. Расчет выполняется последовательно.

Сначала определяем массу ацетона, которую необходимо уловить в час, исходя из начальной и конечной концентраций и объемного расхода газа. Затем, используя равновесные данные для системы «ацетон-вода», рассчитывается минимальный расход абсорбента. Это теоретическое количество воды, которое необходимо для поглощения всего ацетона при бесконечно большой высоте аппарата.

На практике всегда используется рабочий расход, который превышает минимальный. Для этого вводится коэффициент избытка (обычно в диапазоне 1.2–1.5). Выбор рабочего расхода абсорбента является компромиссом: с одной стороны, его увеличение повышает движущую силу процесса и позволяет уменьшить высоту аппарата, с другой — приводит к увеличению затрат на перекачку жидкости и необходимости очистки большего объема сточных вод. После определения рабочего расхода воды можно рассчитать конечную концентрацию ацетона в отработанном абсорбенте, что необходимо для проектирования дальнейших стадий технологического процесса (например, регенерации).

Глава 5. Гидродинамический расчет, который определяет диаметр абсорбера

Диаметр абсорбера является его ключевым радиальным размером и определяется исходя из объемного расхода газа и допустимой скорости его движения внутри колонны. Слишком высокая скорость может привести к нежелательным явлениям, таким как унос жидкости, подвисание и, в конечном итоге, захлебывание насадки, когда жидкость перестает стекать вниз и полностью перекрывает сечение аппарата.

Методика расчета включает в себя следующие шаги:

1. Определение физических свойств газовой и жидкой фаз (плотность, вязкость).
2. Расчет скорости захлебывания с использованием критериальных уравнений (например, на основе диаграммы Лобы или уравнения Шервуда). Эти уравнения связывают свойства фаз и характеристики насадки.
3. Выбор рабочей скорости газа как доли от скорости захлебывания. Обычно рабочую скорость принимают равной 60–80% от критической. Работа на таком удалении от точки захлебывания обеспечивает стабильный режим и достаточный запас по производительности.
4. Расчет площади поперечного сечения колонны на основе объемного расхода и рабочей скорости газа.
5. Определение итогового диаметра абсорбера. Полученное значение округляют до ближайшего стандартного размера из нормативного ряда.

Правильно рассчитанный диаметр обеспечивает оптимальные условия для контакта фаз и влияет на такой важный эксплуатационный параметр, как перепад давления через насадку, который напрямую связан с энергозатратами вентилятора.

Глава 6. Определение высоты насадки через расчет параметров массопереноса

Высота насадочного слоя — это главный параметр, определяющий, будет ли достигнута требуемая степень очистки. Ее расчет является наиболее сложной частью проекта и выполняется через определение числа и высоты единиц переноса.

Общая высота насадки (H) вычисляется как произведение двух величин:

H = NTU × HTU

Процесс расчета разбит на несколько этапов:

1. Расчет движущей силы процесса. Сначала определяются равновесные концентрации и вычисляется движущая сила (разность между рабочей и равновесной концентрациями) на входе и выходе из абсорбера. Затем рассчитывается средняя движущая сила по всей высоте аппарата.
2. Расчет числа единиц переноса (NTU). Этот безразмерный параметр показывает, во сколько раз изменение концентрации в газе превышает среднюю движущую силу. Фактически, NTU отражает «сложность» задачи разделения.
3. Расчет высоты единицы переноса (HTU). Этот параметр имеет размерность длины (метры) и характеризует эффективность массопередачи на конкретном типе насадки при заданных гидродинамических условиях. HTU рассчитывается на основе эмпирических корреляций, которые учитывают коэффициенты массопередачи в газовой (k_y) и жидкой (k_x) фазах или общий коэффициент массопереноса (KGa).
4. Определение итоговой высоты насадки. Перемножив полученные значения NTU и HTU, мы находим требуемую высоту рабочего слоя насадки, которая обеспечит очистку воздуха от ацетона до заданной конечной концентрации.

Глава 7. Подбор и обоснование выбора вспомогательного оборудования

Проектирование абсорбционной установки не ограничивается расчетом самой колонны. Для ее функционирования необходима обвязка, включающая насосное и вентиляционное оборудование. Это демонстрирует комплексный подход к инженерной задаче.

На основе ранее выполненных расчетов подбирается следующее оборудование:

• Насос для подачи абсорбента (воды). Его ключевые параметры — производительность и напор. Производительность определяется рабочим расходом жидкости из материального баланса. Напор рассчитывается как сумма высоты подъема жидкости (высота абсорбера), потерь давления на преодоление гидравлического сопротивления насадки, распределителя жидкости и трубопроводов.
• Вентилятор для подачи газовой смеси. Главные параметры — производительность и создаваемое давление (напор). Производительность равна заданному расходу газовоздушной смеси. Давление должно быть достаточным для преодоления суммарного гидравлического сопротивления системы, основной вклад в которое вносит слой насадки.

Для каждого аппарата (насоса и вентилятора) на основе требуемых параметров (производительность, напор, мощность) по каталогам производителей выбирается конкретная марка. Кроме того, проект должен предусматривать систему трубопроводов, запорную и регулирующую арматуру, а также контрольно-измерительные приборы (расходомеры, манометры) для управления и мониторинга технологического процесса.

Глава 8. Требования к технике безопасности и охране окружающей среды

Обеспечение безопасности и минимизация воздействия на окружающую среду — неотъемлемая часть инженерного проекта. При работе с ацетоном необходимо учитывать его потенциальные опасности: он является легковоспламеняющейся жидкостью, а его пары образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Кроме того, ацетон обладает токсическим действием на человека.

В связи с этим, проект должен предусматривать следующие меры безопасности:

• Использование взрывозащищенного исполнения для электрооборудования (двигатели насоса и вентилятора).
• Обеспечение герметичности всего оборудования и трубопроводов.
• Оснащение рабочей зоны системой приточно-вытяжной вентиляции.
• Установка датчиков контроля загазованности для своевременного обнаружения утечек.
• Обеспечение персонала средствами индивидуальной защиты (СИЗ): защитными очками, перчатками, спецодеждой.

С экологической точки зрения, сама спроектированная установка является природоохранным объектом. Ее основная функция — снижение негативного воздействия на окружающую среду за счет улавливания ЛОС и предотвращения их попадания в атмосферу, что полностью соответствует современным нормативным требованиям в области охраны воздуха.

Заключение. Основные результаты и выводы по курсовой работе

В ходе выполнения данной курсовой работы была успешно решена поставленная задача по проектированию насадочного абсорбера для очистки воздуха от паров ацетона. Были достигнуты все цели, сформулированные во введении.

Основные результаты проекта:

• Проведен анализ существующих методов очистки и обоснован выбор абсорбции как наиболее целесообразного для данных условий.
• На основе исходных данных выполнен материальный баланс процесса и определен рабочий расход абсорбента (воды).
• Выполнен гидродинамический расчет, по результатам которого определен необходимый диаметр абсорбера.
• Проведен детальный расчет параметров массопереноса, включая определение числа и высоты единиц переноса, что позволило вычислить ключевой размер аппарата — высоту слоя насадки.
• Предложены рекомендации по выбору вспомогательного оборудования и описаны меры по обеспечению безопасности эксплуатации установки.

Таким образом, предложенное техническое решение является эффективным и позволяет достичь требуемой степени очистки промышленных выбросов в соответствии с экологическими нормами.

Список использованной литературы

1. Теоретические основы защиты окружающей среды: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / под ред. В.П. Панова.– М.: Издательский центр «Академия», 2008.– 320 с.
2. Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды: учеб. пособие / А.Г. Ветошкин.– М.: Высш.шк., 2008.– 397 с.
3. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2006. – 168 с.
4. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты атмосферы от газовых выбросов. Учебное пособие по проектированию. – Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2003. — 189 с.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд. доп. и переработ.– М.:Химия, 1991.– 496 с.
6. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для ВУЗов. Изд. 2. В 2 кн.– М.: Химия, 1995.
7. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник / А.С. Тимонин; 2-е изд. доп. и переработ. – Калуга: Издательство И. Бочкаревой, 2002.– 1007 с.
8. Экологические требования к установкам очистки газов: методическое пособие / Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ.– СПб, 1996.– с.
9. Оборудование и сооружения для защиты биосферы от промышленных выбросов: учеб. пособие / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. — М.: Химия, 1985.– с.
10. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: учебник / под ред. В. И. Ксензснко. — М. : Химия, 2001 (Изд. 2-е, стереотип. — М. : КолоС, 2003.)
11. Охрана окружающей среды: учеб. пособие для студентов вузов / С. В. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков и др. Под ред. С.В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. школа, 1991.- 319 с.
12. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики/: Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 3-е изд., перераб. и доп. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 200.- 800 с., ил, табл. С. 14-15.
13. Токсикологическая химия: Учебник для вузов / Под ред. Т.В. Плетеневой.- М.: ГЭОТАР-Медиа,2005. — 512 с. С. 331.
14. Трифонов К.И., Девисилов В.А. Физико-химические процессы в техносфере: Учебник. – М.: Форум: ИНФРА-М, 2007. – 240 с.: ил. – (Высшее образование).
15. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, книга вторая, М., Химия, 1981. – 460 с.
16. Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии»; изд. «Химия», М., 1971. – 190 с.
17. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. И доп. М., «Химия», 1976. – 486 с.
18. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1-2. М. – Л.: Наука. 1966. — 640 + 786 с.
19. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1991. – 352 с.
20. Александров А.И. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Изд. 3-е. М.: Химия, 1978. — 280с.