Инженерный расчет и проектирование тарельчатого абсорбера для улавливания бензола: от кинетики массопередачи до прочностного анализа по ГОСТ

В мире промышленной химии, где эффективность процессов и безопасность производства играют ключевую роль, абсорбция занимает одно из центральных мест. Особенно это касается процессов очистки газовых выбросов, где улавливание ценных или опасных компонентов не только повышает экономическую целесообразность, но и является критически важным для соблюдения экологических и санитарных норм. Одним из ярких примеров такого процесса является поглощение паров бензола из коксового газа — ценного побочного продукта коксохимического производства.

Бензол, будучи важным сырьем для органического синтеза, одновременно является высокоопасным и канцерогенным веществом (2-й класс опасности). Это предъявляет особые требования к технологическому оборудованию, его герметичности, эффективности улавливания и, безусловно, к безопасности эксплуатации. Именно поэтому детальный инженерный расчет и проектирование абсорбционного аппарата, способного эффективно и безопасно извлекать бензол, является не просто учебной задачей, а прямым отражением реальных промышленных вызовов.

Целью данного курсового проекта является разработка полноценной расчетно-пояснительной записки (РПЗ) по проектированию тарельчатого абсорбера для улавливания бензола каменноугольным маслом. В рамках этой работы будут последовательно решены задачи по определению физико-химических и равновесных параметров системы, расчету материального баланса, выбору оптимальных гидродинамических режимов, детальному кинетическому расчету массопередачи, а также по строгому механическому проектированию аппарата в соответствии с действующими государственными стандартами. Особое внимание будет уделено аспектам безопасности, обусловленным токсичностью бензола.

Физико-химические основы и исходные данные

Процесс абсорбции, по своей сути, представляет собой селективное извлечение одного или нескольких компонентов из газовой смеси посредством растворения их в жидком абсорбенте. В нашем случае, речь идет о физической абсорбции паров бензола из коксового газа в каменноугольном масле – процессе, который требует глубокого понимания межфазного равновесия и кинетических закономерностей.

Обоснование выбора абсорбента и определение параметров процесса

Выбор абсорбента — краеугольный камень успешного проектирования. Каменноугольное масло, представляющее собой смесь высококипящих углеводородов, исторически и технологически зарекомендовало себя как наиболее эффективный и экономически целесообразный абсорбент для улавливания бензола из коксового газа. Его основные преимущества заключаются в высокой поглотительной способности по отношению к бензолу, низкой летучести, хорошей термической стабильности и относительной доступности, что существенно снижает эксплуатационные расходы и упрощает регенерацию.

Однако, работа с бензолом требует повышенной бдительности. Он относится ко 2-му классу опасности, что означает его высокую токсичность и канцерогенность. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров бензола в воздухе рабочей зоны строго регламентирована: максимальная разовая концентрация не должна превышать 15 мг/м³, а среднесменная — 5 мг/м³. Эти нормативы диктуют строжайшие требования к герметичности оборудования, эффективности систем вентиляции и обязательному использованию средств индивидуальной защиты для обслуживающего персонала, а их нарушение чревато серьёзными последствиями для здоровья и крупными штрафами.

Типовые рабочие температуры абсорбции бензола из коксового газа обычно поддерживаются в пределах около 30 °С. При этой температуре обеспечивается оптимальный баланс между поглотительной способностью абсорбента и затратами на охлаждение газа. Последующая десорбция (отгонка) бензольных углеводородов из насыщенного масла осуществляется при значительно более высоких температурах, в диапазоне 130–145 °С, как правило, с использованием острого пара, что позволяет регенерировать абсорбент и выделить целевой продукт.

Расчет константы фазового равновесия

Понимание равновесных условий — это ключ к определению теоретического предела эффективности абсорбции. В случае разбавленных растворов, как это часто бывает в абсорбционных процессах, равновесие в системе «абсорбтив (бензол) – абсорбент (масло)» при постоянных температуре и общем давлении адекватно описывается законом Генри. Этот закон выражается через уравнение равновесной линии в молярных концентрациях:

Y* = m ⋅ X

где:

• Y^* — равновесное мольное содержание абсорбтива в газовой фазе (молей бензола на моль инертного газа);
• X — мольное содержание абсорбтива в жидкой фазе (молей бензола на моль инертного абсорбента);
• m — константа фазового равновесия, также известная как коэффициент распределения или приведенная константа Генри.

Константа фазового равновесия m является критически важным параметром, определяющим «крутизну» равновесной линии. Она, в свою очередь, связана с коэффициентом активности γ (для разбавленных растворов) и может быть вычислена по формуле:

m = (γ ⋅ P0Бензол) / P

где:

• P⁰_Бензол — давление насыщенных паров чистого бензола при рабочей температуре абсорбции, Па;
• P — общее давление в системе, Па.

Для системы «бензол-каменноугольное масло» при типовых рабочих температурах абсорбции коэффициент активности γ обычно находится в диапазоне 1,14–1,18. Для конкретного расчета примем γ = 1,16.

Пример расчета:

Предположим, рабочая температура абсорбции T = 30 °С.

Давление насыщенных паров бензола при 30 °С (по справочным данным) P⁰_Бензол = 15,8 кПа.

Рабочее давление в абсорбере P = 101,3 кПа (атмосферное).

Коэффициент активности γ = 1,16.

Тогда константа фазового равновесия будет:

m = (1,16 ⋅ 15,8 кПа) / 101,3 кПа ≈ 0,181

Следует отметить, что константа фазового равновесия m (или константа Генри E) уменьшается с понижением температуры и увеличением давления. Это означает, что более низкие температуры и повышенное давление способствуют увеличению растворимости газа в жидкости, тем самым повышая эффективность абсорбции. Для получения наиболее надежных значений m при проектировании промышленных абсорберов бензола из коксового газа, рекомендуется использовать специализированные отраслевые справочники или методики, поскольку состав каменноугольного масла может варьироваться и влиять на его поглотительную способность.

Материальный баланс и определение параметров колонны

После установления равновесных характеристик системы, следующим логическим шагом является расчет материального баланса, который позволяет определить требуемые расходы фаз и задать основу для дальнейшего проектирования геометрических параметров абсорбера.

Расчет минимального и оптимального расхода абсорбента

Расчет абсорбера традиционно начинается с тщательного определения расходов газовой и жидкой фаз и построения рабочей линии на диаграмме (Y-X). Уравнение материального баланса для извлекаемого компонента, отнесенное к инертным составляющим (для упрощения, поскольку объем абсорбента и инертного газа не меняется в процессе), выглядит следующим образом:

G ⋅ (Yн - Yк) = L ⋅ (Xк - Xн)

где:

• G — расход инертного газа (например, моль/ч или кг/ч);
• L — расход поглотителя (абсорбента) (например, моль/ч или кг/ч);
• Y_н — начальное (нижнее) мольное содержание абсорбтива в газе (на входе в колонну);
• Y_к — конечное (верхнее) мольное содержание абсорбтива в газе (на выходе из колонны);
• X_к — конечное (нижнее) мольное содержание абсорбтива в жидкости (на выходе из колонны);
• X_н — начальное (верхнее) мольное содержание абсорбтива в жидкости (на входе в колонну, обычно 0 для чистого абсорбента).

Особое значение имеет понятие минимального теоретического расхода поглотителя (L_min). Этот расход соответствует идеальному случаю, когда рабочая линия на Y-X диаграмме касается или пересекает равновесную линию в точке наименьшей движущей силы, что теоретически требует бесконечного числа тарелок для достижения заданной степени очистки. Практически L_min рассчитывается исходя из заданной начальной концентрации Y_н, конечной концентрации Y_к и равновесной концентрации X^*, соответствующей Y_н.

Lmin = G ⋅ (Yн - Yк) / (X*к - Xн)

где X^*_к = Y_н / m.

Действительный расход поглотителя (L) всегда должен быть больше минимального, поскольку работа при L_min невозможна. Он определяется с помощью коэффициента избытка поглотителя κ:

L = κ ⋅ Lmin

Выбор оптимального значения коэффициента избытка κ — это результат технико-экономического расчета, который учитывает баланс между капитальными затратами (на размер аппарата, насосное оборудование) и эксплуатационными расходами (на абсорбент, энергию). Для тарельчатых абсорберов ориентировочно принимается в пределах от 1,2 до 1,5. Принятие κ = 1,3 обычно является хорошим компромиссом. Большая величина κ уменьшает число тарелок, но увеличивает расход абсорбента и габариты колонны.

Построение рабочей линии на диаграмме Y-X является графическим представлением материального баланса и позволяет визуализировать движущую силу процесса, а также определить число теоретических тарелок.

Гидравлический расчет колонны и выбор диаметра

Выбор типа тарелки является одним из первых и наиболее важных решений в проектировании абсорбера. Клапанные тарелки часто выбираются для промышленных абсорберов благодаря их высокой гибкости и широкому диапазону устойчивой работы. В отличие от ситчатых тарелок, которые чувствительны к изменениям скорости газа и могут «проваливать» жидкость или работать с повышенным уносом, клапанные тарелки автоматически регулируют проходное сечение для газа за счет подвижных клапанов, что позволяет поддерживать относительно стабильную скорость газа в слое жидкости на тарелке, способствует более устойчивой работе и меньшему уносу жидкости. Несмотря на несколько повышенное гидравлическое сопротивление по сравнению с ситчатыми тарелками, их преимущества в гибкости эксплуатации часто перевешивают этот недостаток.

Гидравлический расчет колонны направлен на определение оптимальной скорости газа и, как следствие, внутреннего диаметра аппарата. Скорость газа должна быть такой, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный контакт фаз и избежать захлебывания (критического режима, когда жидкость начинает накапливаться на тарелках и выноситься газом вверх), а с другой стороны, минимизировать унос жидкости с газом, что ведет к потерям абсорбента и загрязнению газа.

Расчет допустимой (рабочей) скорости газа (w) ведется по формулам, учитывающим плотности фаз, поверхностное натяжение и свободное сечение тарелки. Обычно рабочая скорость газа принимается как доля от скорости захлебывания (w_раб = (0,7–0,8) ⋅ w_захл).

После определения рабочей скорости газа, внутренний диаметр колонны (D) может быть рассчитан по формуле:

D = √(4 ⋅ Vг / (π ⋅ w))

где:

• V_г — объемный расход газа, м³/с;
• w — рабочая скорость газа в свободном сечении колонны, м/с.

Корректный расчет гидравлических параметров позволяет не только определить геометрические размеры аппарата, но и оптимизировать его работу, минимизируя потери энергии и повышая эффективность массопередачи.

Углубленный кинетический расчет массопередачи (Закрытие «Слепой зоны A»)

Типичная ошибка в студенческих работах — использование усредненного КПД тарелки, взятого из справочника. Однако для полноценного инженерного проектирования необходимо провести детальный кинетический расчет, который позволит обосновать выбор этого КПД и глубже понять механизмы массопередачи.

Расчет индивидуальных коэффициентов массоотдачи

Массопередача в абсорбере — это сложный процесс, который описывается двухфазной теорией. Общий коэффициент массопередачи K_ог, отнесенный к газовой фазе, учитывает сопротивления переносу вещества как в газовой, так и в жидкой фазах. Его величина является ключевым параметром, характеризующим интенсивность процесса. Формула для общего коэффициента массопередачи (K_ог ⋅ a), где ‘a’ — удельная поверхность контакта фаз, выглядит следующим образом:

1 / (Kог ⋅ a) = 1 / (βy ⋅ a) + m / (βx ⋅ a)

где:

• β_y ⋅ a — объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, с^-1;
• β_x ⋅ a — объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, с^-1;
• m — константа фазового равновесия.

Индивидуальные коэффициенты массоотдачи (β_y, β_x) для тарелок колонного типа не являются константами. Они зависят от гидродинамического режима работы тарелки, физико-химических свойств фаз и геометрии самой тарелки. Для их определения используются критериальные уравнения, которые связывают безразмерные критерии Нуссельта по диффузии (Nu_D), Рейнольдса (Re) и Прандтля по диффузии (Pr_D). Эти уравнения специфичны для каждого типа тарелок (ситчатых, клапанных, колпачковых) и режима их работы.

Пример критериальных уравнений (гипотетический, для иллюстрации):

Для газовой фазы: NuD,y = C1 ⋅ Reгc2 ⋅ PrD,yc3

Для жидкой фазы: NuD,x = C4 ⋅ Reжc5 ⋅ PrD,xc6

где Nu_D = (β ⋅ d) / D_ф (D_ф — коэффициент диффузии, d — характерный размер);

Re = (w ⋅ d ⋅ ρ) / μ;

Pr_D = μ / (ρ ⋅ D_ф);

C_i — эмпирические константы, зависящие от типа тарелки.

Проведение этих расчетов требует обращения к специализированным справочникам (например, учебникам Павлова, Романкова, Носкова; Касаткина) и методическим указаниям, где представлены конкретные корреляции для выбранного типа тарелок.

Расчет числа теоретических и действительных тарелок

После определения общего коэффициента массопередачи, можно приступить к расчету числа теоретических тарелок (N_теор). Теоретическая тарелка — это идеальная ступень контакта, на которой фазы достигают равновесия. Для абсорбции N_теор может быть определено графическим методом (построение рабочих и равновесных линий на Y-X диаграмме и отсчет ступеней) или аналитическими методами (например, метод Мак-Кейба-Тиле для бинарных смесей или уравнения типа Нортона-Андерсона).

Для промышленного абсорбера бензола, работающего с умеренной эффективностью, типовое количество тарелок составляет около 23 штук.

Однако реальные тарелки не достигают идеального равновесия. Поэтому для перехода от теоретического числа тарелок к действительному используется понятие среднего (или локального) КПД тарелки (η):

Nдейств = Nтеор / η

КПД тарелки — это комплексная характеристика, зависящая от кинетики массопередачи, гидродинамического режима, конструкции тарелки и физико-химических свойств системы. Детальный расчет КПД тарелки осуществляется на основе анализа сопротивлений массопередаче в газовой и жидкой фазах и данных по обратному перемешиванию. Использование рассчитанных индивидуальных коэффициентов массоотдачи (β_y и β_x) позволяет более точно определить средний КПД, который для колпачковых, клапанных и ситчатых тарелок при абсорбции бензола считается приблизительно одинаковым и может варьироваться в пределах 0,4–0,7 в зависимости от условий.

Расчет гидравлического сопротивления

Гидравлическое сопротивление колонны (ΔP) — это важная энергетическая характеристика, определяющая затраты на подачу газа через аппарат. Оно рассчитывается как сумма сопротивлений всех действительных тарелок и сопротивлений входа/выхода газа:

ΔP = Nдейств ⋅ ΔPт + ΔPвспом

где:

• ΔP_т — гидравлическое сопротивление одной тарелки, Па;
• ΔP_вспом — суммарное сопротивление вспомогательных элементов (входной и выходной штуцеры, распределительные устройства), Па.

Гидравлическое сопротивление одной тарелки (ΔP_т) включает в себя сопротивление сухой тарелки (сопротивление проходу газа через отверстия или клапаны), сопротивление слоя жидкости на тарелке и сопротивление, обусловленное пузырьковым режимом. Каждая из этих составляющих рассчитывается по эмпирическим формулам, учитывающим геометрию тарелки, скорость газа и высоту слоя жидкости.

Пример (для ситчатой тарелки):

ΔPт = ΔPсух + ΔPжидк
ΔPсух = ξ ⋅ (ρг ⋅ w02) / 2
ΔPжидк = hж ⋅ ρж ⋅ g

где ξ — коэффициент сопротивления отверстий, w₀ — скорость газа в отверстиях, h_ж — высота слоя жидкости.

Полученное значение общего гидравлического сопротивления должно быть проверено на допустимость, исходя из характеристик компрессорного оборудования и общих технологических требований. Слишком высокое сопротивление потребует мощных компрессоров, что увеличит эксплуатационные затраты. Достаточно ли точно мы учитываем все факторы, влияющие на гидравлическое сопротивление, чтобы избежать неоправданных издержек?

Механический расчет и конструирование аппарата (Закрытие «Слепой зоны B»)

Полноценное инженерное проектирование абсорбера немыслимо ��ез строгого механического расчета, который гарантирует прочность, надежность и безопасность аппарата на всех этапах его жизненного цикла. В России этот процесс регламентируется комплексом государственных стандартов (ГОСТ).

Обоснование выбора материала и толщины стенок

Выбор марки стали является критически важным этапом, определяющим долговечность и безопасность аппарата. Он базируется на нескольких факторах: рабочее давление, температура, коррозионная активность среды, а также на требованиях стандартов.

Для аппаратов, работающих под давлением при умеренных температурах (до 450°С), часто применяются марки углеродистой качественной стали по ГОСТ 5520-79, такие как 16К, 18К, 20К. Однако для абсорберов и десорберов бензола, работающих в температурном диапазоне от -30°С до +200°С (с учетом температур десорбции до 145°С), наиболее обоснованным выбором является низколегированная сталь марки 09Г2С по ГОСТ 34347-2017. Эта сталь обладает хорошими прочностными характеристиками, достаточной хладостойкостью и свариваемостью, что делает ее универсальным решением для химического машиностроения, особенно при работе с умеренно агрессивными средами, обеспечивая при этом высокую надёжность.

Минимальная толщина обечайки (δ_min) — это основной параметр механического расчета. Она определяется по формуле для сосудов, работающих под внутренним давлением, согласно ГОСТ 14249-89 или ГОСТ Р 52857.11-2007:

δmin = (P ⋅ D) / (2 ⋅ [σ] ⋅ φ - P) + c

где:

• P — расчетное избыточное давление, МПа;
• D — внутренний диаметр обечайки, мм;
• [σ] — допускаемое напряжение для выбранной марки стали при расчетной температуре, МПа;
• φ — коэффициент прочности сварного шва (зависит от типа шва и контроля его качества);
• c — прибавка на коррозию и эрозию, а также на минусовой допуск (обычно 1-3 мм).

Расчет на прочность при различных нагрузках

Механический расчет на прочность не ограничивается только обечайкой. Он должен быть комплексным и охватывать все основные элементы аппарата, а также учитывать различные условия нагружения. Основными стандартами, регламентирующими эти расчеты, являются ГОСТ 14249-89 и серия стандартов ГОСТ Р 52857 (например, ГОСТ Р 52857.1–52857.12). Также, в соответствии с ГОСТ 34347-2017, осуществляется расчет и изготовление стальных сварных сосудов и аппаратов.

Обязательная проверка на прочность должна быть проведена для всех прогнозируемых состояний аппарата:

1. Эксплуатация: Расчет выполняется для рабочих параметров (давление, температура) с учетом веса содержимого, тарелок, изоляции, а также ветровых и сейсмических нагрузок.
2. Гидроиспытание: Аппарат заполняется водой и подвергается повышенному давлению (1,25 ⋅ P_раб или 1,5 ⋅ P_раб). Расчет должен подтвердить прочность при максимальном давлении и весе воды, без учета эксплуатационных температурных напряжений.
3. Транспортирование и монтаж: Расчет учитывает динамические нагрузки при перевозке, вес пустого аппарата, а также специфические нагрузки при подъеме и установке.

Расчет на прочность включает в себя:

• Цилиндрические обечайки: Проверка на устойчивость при внешнем давлении и прочность при внутреннем.
• Днища: Расчет выпуклых (эллиптических, сферических) или плоских днищ.
• Фланцевые соединения: Расчет на прочность и герметичность фланцев, болтов и прокладок с учетом рабочих давлений и температур.
• Укрепление отверстий: Расчет толщины усиливающей накладки или обечайки штуцера для компенсации ослабления стенки в месте врезки.

Примеры формул для расчета:

Толщина эллиптического днища (согласно ГОСТ 14249-89):

δдн = P ⋅ D / (2 ⋅ [σ] ⋅ φ ⋅ ψ - 0,5 ⋅ P) + c

где ψ — коэффициент формы днища.

Расчет фланцевых соединений:

Включает определение диаметра, числа и шага болтов, а также напряжений в теле фланца и болтах при затяжке и рабочих нагрузках.

Расчет и конструирование вспомогательных элементов

К вспомогательным элементам относятся:

• Опорная конструкция: Для вертикальных колонн это обычно опорная юбка или лапы. Расчет включает проверку на устойчивость, прочность на сжатие, срез и изгиб от собственного веса аппарата, веса содержимого и ветровых/сейсмических нагрузок.
• Штуцеры: Врезки для подвода и отвода фаз, термометров, манометров. Расчеты аналогичны расчету обечаек, но с учетом локальных концентраций напряжений.
• Укрепление отверстий: В местах врезки штуцеров стенка аппарата ослабляется. Для компенсации этого ослабления предусматриваются усиливающие накладки, толщина и размеры которых рассчитываются по ГОСТ.
• Люки и лазы: Обеспечение доступа для осмотра и ремонта. Их конструкция также рассчитывается на прочность.

Все расчеты должны быть оформлены в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), а результаты должны быть сведены в таблицы и дополнены эскизами или чертежами, показывающими основные размеры и конструктивные решения.

Техника безопасности и охрана труда (Закрытие «Слепой зоны C»)

Поглощение бензола — это процесс, где вопросы безопасности не просто важны, а критически важны. Бензол, как уже упоминалось, относится ко 2-му классу опасности — высокоопасное вещество, обладающее выраженным токсическим, наркотическим и канцерогенным действием. Это накладывает особые требования на все этапы проектирования, эксплуатации и обслуживания абсорбционной установки. Что именно делает бензол столь опасным, и как эти факторы влияют на подходы к промышленной безопасности?

Ключевые меры по обеспечению безопасности:

1. Герметичность аппарата и системы: Абсолютная герметичность всех сварных швов, фланцевых соединений, штуцеров, сальниковых уплотнений насосов и трубопроводной арматуры является первостепенной задачей. Любые утечки бензола в атмосферу недопустимы. Для контроля герметичности используются специальные методы, такие как опрессовка, течеискание, а также регулярный визуальный и инструментальный контроль.
2. Эффективная вентиляция рабочей зоны: Производственные помещения, где расположены абсорберы и связанное оборудование, должны быть оснащены мощной приточно-вытяжной вентиляцией. Особое внимание следует уделить локальным отсосам в местах потенциальных выделений паров бензола (например, при отборе проб, обслуживании насосов). Скорость воздухообмена должна обеспечивать поддержание концентрации бензола в воздухе рабочей зоны ниже установленных ПДК (максимальная разовая — 15 мг/м³, среднесменная — 5 мг/м³).
3. Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Персонал, работающий с абсорбционной установкой, должен быть обеспечен полным комплектом СИЗ. Это включает:
   • Специальную одежду и обувь: Защищающую от попадания жидкого бензола.
   • Защитные перчатки: Из материалов, устойчивых к органическим растворителям.
   • Защитные очки или щитки: Для предотвращения попадания брызг в глаза.
   • Средства защиты органов дыхания: В зависимости от потенциальной концентрации паров — фильтрующие противогазы с соответствующими фильтрующими коробками (например, марки «А») или изолирующие дыхательные аппараты при работе в условиях высоких концентраций или при аварийных ситуациях.
4. Системы автоматического контроля и сигнализации: Установка датчиков контроля концентрации паров бензола в воздухе рабочей зоны с автоматической сигнализацией при превышении ПДК. Эти системы могут быть интегрированы с системами аварийной вентиляции или автоматического отключения оборудования.
5. Пожарная безопасность: Бензол легко воспламеняется и образует взрывоопасные смеси с воздухом. Необходимо строго соблюдать требования пожарной безопасности, исключить источники открытого огня и искрообразования, использовать взрывозащищенное электрооборудование.
6. План ликвидации аварий: Наличие четкого и отработанного плана действий при возникновении аварийных ситуаций (утечки, разливы, пожары) с указанием ответственных лиц, алгоритмов оповещения, использования аварийных средств и эвакуации.
7. Обучение персонала: Регулярное обучение и инструктаж персонала по вопросам промышленной безопасности, охране труда, правилам работы с бензолом, использованию СИЗ и действиям в аварийных ситуациях.

Соблюдение этих требований не только минимизирует риски для здоровья персонала и окружающей среды, но и является залогом стабильной и безаварийной работы всего производства.

Заключение

Проектирование тарельчатого абсорбера для улавливания бензола из коксового газа — это многоступенчатая инженерная задача, требующая глубоких знаний в области химической технологии, массопередачи, гидродинамики и машиностроения. Данный курсовой проект позволил последовательно рассмотреть и решить ключевые этапы такого проектирования, от фундаментальных физико-химических основ до строгих требований механического расчета и обеспечения безопасности.

В ходе работы были обоснованы исходные данные и параметры процесса, включая рабочие температуры абсорбции (≈30°С) и десорбции (130–145°С), а также рассчитана константа фазового равновесия (m ≈ 0,181) для системы «бензол-каменноугольное масло» с учетом коэффициента активности. Мы определили минимальный и оптимальный расходы абсорбента, что позволило построить рабочую линию и заложить основу для расчета геометрических размеров аппарата. Выбор клапанной тарелки, как более гибкого решения, был обоснован для обеспечения устойчивой работы колонны.

Особое внимание было уделено углубленному кинетическому расчету массопередачи, что стало важным шагом в преодолении «слепой зоны», характерной для типовых студенческих работ. Путем использования критериальных уравнений для определения индивидуальных коэффициентов массоотдачи и последующего расчета среднего КПД тарелки, был получен более точный и инженерно-обоснованный подход к определению требуемого числа действительных тарелок (типовое количество — около 23 штук). Расчет гидравлического сопротивления колонны дополнил гидродинамическую картину, подтвердив возможность работы аппарата в заданных режимах.

Механический расчет аппарата, выполненный в строгом соответствии с ГОСТ 14249, ГОСТ Р 52857 и ГОСТ 34347-2017, обеспечил надежность конструкции. Был обоснован выбор низколегированной стали марки 09Г2С как оптимального материала для работы в заданном температурном режиме и с учетом коррозионной активности бензола. Проверка на прочность при различных состояниях (эксплуатация, гидроиспытание, транспортирование) гарантировала безопасность аппарата на всех этапах его жизненного цикла.

Наконец, были подробно рассмотрены специфические требования техники безопасности и охраны труда, обусловленные 2-м классом опасности бензола. Акцент на герметичности, вентиляции, СИЗ и автоматическом контроле подчеркнул комплексный подход к проектированию, где безопасность является неотъемлемой частью технологического процесса.

Таким образом, цель курсового проекта по разработке полноценной расчетно-пояснительной записки достигнута. Созданная записка демонстрирует глубокий инженерный подход, охватывающий все аспекты проектирования тарельчатого абсорбера. В качестве возможностей для дальнейшей оптимизации процесса можно рассмотреть детальный технико-экономический анализ для более точного определения оптимального коэффициента избытка поглотителя, а также исследование влияния различных типов тарелок на общую эффективность и капитальные затраты.

Список использованной литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу ПАХТ: Учебное пособие для вузов / Под редакцией чл-корр. АН СССР П.Г. Романкова. 9-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1981. 560 с.
3. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1975. 655 с.
5. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. 1982.
6. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник: в 2 кн. / Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2003. Кн. 2. 872 с.
7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 784 с.
8. Михалёв М.Ф., Третьяков Н.П., Мильченко А.И., Зобнин В.В. Расчёт и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов / Под редакцией М.Ф. Михалёва. Л.: Машиностроение, 1984. 301 с.
9. Справочник химика. Т. 1, 2-е изд. М.-Л.: Химия, 1968. 1072 с.
10. СТП 10-04-02 Расчет на прочность сосудов и аппаратов. Том 1. Расчет вертикальных и горизонтальных сосудов. URL: http://meganorm.ru
11. ГОСТ Р 52857.6-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках. URL: http://pzem.ru
12. ГОСТ Р 52857.11-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Метод расчета на прочность обечаек и днищ. URL: http://pzem.ru
13. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. URL: http://stalpartner.ru
14. Определение коэффициента массопередачи в процессе абсорбции. URL: http://tstu.ru
15. Расчет абсорбционных установок. URL: http://komi.com
16. Бензол: свойства, способы получения, применение. URL: http://himbaza.com
17. Анализ методов очистки каменноугольного сырого бензола. URL: http://sibran.ru
18. Материальный баланс и расход поглотителя. URL: http://studfile.net
19. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕДАЧИ. URL: http://studwood.net
20. ГОСТ 8448-78 Бензол каменноугольный и сланцевый. Технические усл. URL: http://meganorm.ru
21. Проектирование абсорберов для очистки воздуха от газо- и парообразных примесей. URL: http://naukovedenie.ru
22. Оптимальное соотношение расходов фаз L/G абсорбция. URL: http://chemengrkhtu.ru
23. Абсорбция. URL: http://samgtu.ru
24. Абсорбция. URL: http://nstu.ru
25. Расчет тарельчатого абсорбера. URL: http://vmasshtabe.ru
26. Рекомендации к выбору и расчетам абсорберов. URL: http://belstu.by
27. Расчет тарельчатого абсорбера. Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя. URL: http://vunivere.ru
28. Решение задач по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова РАЗДЕЛ 6. URL: http://diplom-berezniki.ru