4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]
Определение числа ступеней концентратора серной кислоты при концентрировании от 70% масс до 91-92% масс H2SO4 проводим аналитическим методом. При нагреве серной кислоты до 260-280 ОС продукционную 92% H2SO4 можно получить в одной ступени. Однако при этом содержание серной кислоты в парах достигает 30-50 г/м3 , что приводит к значительному газовому выбросу. Для уменьшения содержания в парах, серную кислоту концентрируют в 2-3 ступенчатых аппаратах, однако, если при этом пересыщение паров H2SO4 во второй ступени превышает критическое значение более, чем в 30 раз: Sкр> =3,3, то происходит образование тумана серной кислоты. Концентрация кислот во второй ступени для работы концентратора в режиме без образования тумана серной кислоты должна составлять 85-90% масс, температура 240 ОС.
Аналитическое определение числа ступеней, концентрации и температур H2SO4 на ступенях концентратора, работающего без образования тумана, представлено в таблице .
Таблица №18 - Число ступеней, концентрации и температуры серной кислоты на ступенях концентратора.
Ступени концентратора | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
1. Температура газа, ОС | |||||
на входе | 850 | 230 | 210 | 190 | 175 |
на выходе | 230 | 210 | 190 | 175 | 160 |
2. Концентрация H2SO4, % | |||||
на входе | 88 | 84 | 80 | 75 | 70 |
на выходе | 92 | 88 | 84 | 80 | 75 |
3. Температура H2SO4, ОС | 220 | 200 | 180 | 165 | 150 |
Давление насыщенных паров H2SO4, Па | |||||
на входе | 200 | 56 | 16 | 2,2 | 0,47 |
на выходе | 960 | 200 | 56 | 16 | 2,2 |
5. Пересыщение, S | 4,8 | 3,57 | 3,5 | 7,3 | |
6. Критическое состояние, Sкр | 4,5 | 6 | 7,1 | 12,27 | |
7. Отношение: S : Sкр | 1,07 | 0,6 | 0,5 | 0,6 |
Принимая равными эффективности ступеней вихревой колонны по температуре, массоотдаче в газовой и жидкой фазах для процессов десорбции паров воды и абсорбции паров серной кислоты, задаемся распределением концентрации (xi) и температур (ti) серной кислоты.
Таблица №19
Ступени концентратора | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
1. Температура газа, ОС | |||||
на входе | 850 | 250 | 210 | 190 | 175 |
на выходе | 250 | 210 | 190 | 175 | 170 |
2. Концентрация H2SO4, % масс. | |||||
на входе | 89 | 85 | 81 | 76 | 70 |
на выходе | 92 | 89 | 85 | 81 | 76 |
3. Давление насыщенных паров H2SO4, Па | |||||
на входе | 250 | 56 | 16 | 2,2 | 0,47 |
на выходе | 980 | 250 | 56 | 16 | 2,2 |
4. Пересыщение, S | 3,8 | 4,5 | 3,5 | 7,3 | |
5. Критическое пересыщение, Sкр | 4,3 | 6 | 7,1 | 12,27 | |
6. Отношение: S : Sкр | 0,88 | 0,75 | 0,49 | 0,59 | |
7. Брызгоунос на 1 кг подаваемой на ступень кислоты | 0,319 | 0,318 | 0,317 | - | - |
1. Определяем расходы СК на ступенях вихревой колонны
[Li, (i=1-5)]
Li=Li+1* , кг/час
Количество слабой H2SO4, поступающей в колонну (из материального баланса) составляет:
L6= 7654.9 кг, температура кислоты t6=150 ОС, концентрация C6=70%, =1,494 т/м3
Количество серной кислоты, поступающей из пятой на четвертую ступень:
L5= =7654.9*0.7/0.75=7143 кг/ч (4687,5 м3 /ч)
X5=0,75; t5=165 ОС, =1,524 т/м3
Количество СК, поступающей из четвертой на третью ступень:
L4= =7143*0.75/0.8=6696.6 кг/ч (4273.49 м3 /ч)
X4=0,8; t4=180 ОС, =1,567 т/м3
Количество СК, поступающей из третьей на вторую ступень:
L3= =6696,6*0.8/0,84=6377,7 кг/ч (4059,6 м3 /ч)
X3=0,84; t3=200 ОС, =1,571 т/м3
Количество СК, поступающей из второй на первую ступень:
L2= =6377,7*0.84/0,88=6087,8 кг/ч (3848 м3 /ч)
X2=0,88; t2=220 ОС, =1,582 т/м3
Количество продукционной СК, выходящей из первой ступени:
L1 = =6087,8*0.88/0,92=5823,1 кг/ч (3653,14 м3 /ч)
X1=0,92; t1=250 ОС, =1,594 т/м3
По уравнению и табличным значениям (таблица №19 ) определяем равновесные концентрации паров серной кислоты на ступенях колонны:
, Па
Рассчитываем значения пересыщения паров H2SO4 на ступенях колонны:
S=yi-1/yi; i = 2-5
По уравнению [5]
Рассчитываем значения критического пересыщения паров H2SO4 на ступенях колонны Sкр-Sкр5
Определяем соотношения Si/ Sкрi на ступенях колонны. При
Si/Sкрi 1 происходит образование тумана H2SO4, а при Si/Sкрi <1 – туман не образуется.
Для ступеней колонны, в которых Si/Sкрi 1 из графоаналитического определения числа ступеней концентратора определяем концентрации и температуры серной кислоты, позволяющие достичь Si/Sкрi <1. Значения концентраций (хi) и температур (ti) СК на ступенях колонны в режиме ее работы без образования тумана представлены в таблице 19.
Количество СК, поступающей на ступень из нижележащей ступени в виде брызгоуноса, необходимое для получения концентрации (хi), при котором соблюдается условие безтуманной работы ступеней: Si/Sкрi <1. определяется по выражению:
1. Для второй ступени:
кг/ч
Для третьей ступени:
кг/ч
Для четвертой ступени:
кг/ч
2. Определяем относительный брызгоунос серной кислоты со ступени:
С первой ступени:
кг/ч
Со второй ступени:
кг/ч
С третьей ступени:
кг/ч
Расход топочных газов, поступающих при t=900 ОС на первую ступень составляет G1=8934 м3 /ч (состав газа после топки).
Гидродинамический расчет
4.2.1. Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]
1. Односопловое вихревое контактное устройство
2. Вторая ступень контакта фаз
3. Вертикальный канал входа топочных газов
4. Горизонтальный канал
1. Площадь отверстия входа топочных газов:
d=0.35 м; S1=0.785*0.352=0.096 м2
2. Площадь сечения горизонтального канала входа газов:
S2=a*b=0.4*0.38=0.152 м2
3. Площадь сечения односоплового вихревого контактного устройства (Dко=0,7 м)
S3=0.785*0.72=0.39 м2
4. Определяем скорость газового потока в первой ступени колонны:
м/сек
м/сек
м/сек
5. Гидравлическое сопротивление орошаемой первой ступени вихревой колонны определяется по формуле:
= -5601,32 + 287,77Z1 +266.7Z2 + 147.52Z3 +2128.38Z4 –7.81Z1Z2 - 33.4Z1Z3 - 69.37Z1Z4 - 72.93Z2Z3 - 68.03Z2Z4 - 103.58Z3Z4 + 3.72Z1Z2Z3 +2.71Z1Z2Z4 + 15.46 Z1Z3Z4 + 31.52 Z2Z3Z4 - 1.5Z1Z2Z3 Z4, Па
где Z1 - Wщ, м/с
Z2 - , м3 /м2 час
Z3 – б/Дк.д, м/м
Z4 – н/ Дк.д, м/м
Для первой ступени:
Z1- Wщ= W2=16,33м/с
Z2 – плотность орошения ступени:
м3 /ч, где
Sкол – площадь сечения колонны (Двн=1мм)
Sкол=0,785 м2
Z3=б/Дко; б – зазор между контактной обечайкой первой ступени и тарелкой второй ступени
б= 0,21 м
Дк.о=0,7м; Z3=б/ Дк.о=0,21/0,7=0,3м/м
Z4= н/ Дк.о;
Н – высота контактной зоны односоплового ВКУ;
Н= 21 м
Z4 = н/ Дк.в =2,1/0,7=3м/м
Гидравлическое сопротивление первой ступени вихревой колонны равно:
=3302.94 Па.
6. Уравнение, описывающее изменение относительного брызгоуноса жидкости с первой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:
E*102=-71+Z1 + Z2 + 110Z3 + 38 Z4 -2Z1Z3 - 2Z2Z3-58Z3 Z4+Z2Z3 Z4 кг/кг
Определим значение относительного брызгоуноса с первой ступени при заданных конструктивных и режимных параметрах:
E1=0,61 кг/кг
4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по ходу газа ступеней вихревой колонны [5]
1. Тарелка
2. Контактная обечайка
3. Завихритель
4. Вышележащая ступень
1. Площадь отверстия проходов газа тарелки
(d=0.4 мм); S1=0.785*d2=13 м2
2. Площадь сечения прохода газов завихрителя:
S2=b*h*n = 0,04*0,3*8=0,096 м2
b – ширина щелей, b = 0,04 м
h – высота щелей, h = 0,3 м
n – количество щелей, n = 8 шт
3. Площадь сечения контактной обечайки (Дко=0,66 м)
S3=0,785* Дко2=0,785*0,662=0,34 м2
4. Площадь кольцевого сечения между контактной обечайкой и завихрителем:
S4= м2
Где Дзав=0,51 – наружный диаметр завихрителя
5. Площадь свободного сечения колонны:
Двн=1,0 м – внутренний диаметр колонны
S5=0,785* Двн2=0,785 м2
6. Рассчитаем скорости газового потока: на второй по ходу газа ступенях колонны
W1= м/сек
На третьей ступени ( а также на последующих ступенях):
W2= м/сек
W3= м/сек
W4= м/сек
W5= м/сек
7. Гидравлическое сопротивление орошаемых второй и последующих ступеней определяется по уравнению:
= -4232,32 + 584,91Z1 +62,22Z2 + 3323,29Z4 +3372.03Z5 –7.14Z1Z2 – 184,01Z1Z4 – 403,7Z1Z5 - 72.09Z2Z4 - 56.8Z2Z5 – 2486,54Z4Z5 + 8.75Z1Z2Z4 +7.12Z1Z2Z5 + 145,99Z1Z4Z5 + 76,65Z2Z4Z5 – 8,49Z1Z2Z4 Z5, Па
где Z1 - W4, м/с=17,3 м/с
Z2 - , м3 /м2 час
Z3 – б/Дк.о, м/м
Z4 – н/ Дк.о, м/м
Z5 – S2/S1 м2 /м2
Для второй ступени:
Z2= м3 /м3 час
Для третьей ступени:
Z2= м3 /м3 час
Для четвертой ступени
Z2= м3 /м3 час
Для пятой ступени:
Z2= м3 /м3 час
Z3=б/Дко=0,19/0,66=0,28 м/м
Z4=б/Дко=0,36/0,66=0,55 м/м
Z5=S2/S1=0.096/0.13=0,74 м/м
Гидравлическое сопротивление второй ступени равно:
Па
третьей ступени:
Па
четвертой ступени
Па
пятой ступени
Па
8. Уравнение, описывающее изменение брызгоуноса с вихревой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:
E = -2.46 + 0.14Z1 +0.05Z2 + 3.44Z3 +2.08Z4 +2.09Z5–0.01Z1Z2 – 0.19Z1Z3 – 0.11Z1Z4 – 0.11Z1Z5 – 0.07Z2Z3 – 0.05Z2Z4 – 0.04Z2Z5 – 2.87Z3Z4 – 2.91Z3Z5 – 1.73Z4Z5 + 0.01Z1Z2Z3 +0.01Z1Z2Z5 + 0.15Z1Z3Z4 + 0.14Z1Z3Z5 + 2.37Z3Z4Z5 – 0.01Z1Z2Z3 Z4 – 0.01Z1Z2Z3 Z5 – 0.11Z1Z3Z4 Z5 + 0.08Z1Z4Z5 + 0.06Z2Z3Z4 + 0.05Z2Z3Z5 + 0.04Z2Z4Z5 - 0.04Z2Z3Z4 Z5, kJ/kJ
Относительный брызгоунос со второй ступени при принятых значениях (Z1- Z5) составляет:
E2=0,54 кг/кг
Относительный брызгоунос с третьей ступени:
E3=0,47 кг/кг.
Относительный брызгоунос с четвертой ступени:
E4=0,44 кг/кг
9. Гидравлическое сопротивление вихревой колонны составляет:
= + + + + +2 +2+ , где
- - гидравлическое сопротивление ступеней вихревой колонны, Па
= 2000 Па - гидравлическое сопротивление брызгоуловительной ступени
=2200 Па - гидравлическое сопротивление абсорбционной ступени
=3302,94+2152,54+2153,21+2155,52+2156,88+2*2000+2*2200=20321,1Па
Рассчитанные значения относительно брызгоуноса жидкости между ступенями колонны (E1-E4) соответствуют режиму работы вихревой колонны без образования тумана серной кислоты.
10. Расчет линий перетока жидкости
Площадь сечения переточных труб жидкости между ступенями: (Дтр=0,08 мм) Sпер=0,785*0,082=0,005024 м2
а) линии перетока жидкости после первой ступени:
Дтр=0,1 мм; Sпер=0,785*0,12=0,00785 м2
uж= м/с
б) линии перетока жидкости между второй и первой ступенями:
Sпер=0,005 м2
uж= м/с
в) линии перетока жидкости между третьей и второй ступенями:
uж= м/с
г) линии перетока жидкости между четвертой и третьей ступенями:
uж= м/с
д) линии перетока жидкости между пятой и четвертой ступенями:
uж= м/с
с) линия подачи слабой (70%) серной кислоты на пятую ступень колонны:
uж= м/с
4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6], [7]
1. Расчет толщины обечаек
Расчет производится в соответствии с ГОСТ 14249-80. Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением рассчитываем по формуле:
Условие: , где
P – внутренне давление (0,1 Мпа)
- коэффициент прочности сварного шва продольном направлении, =1
Ck – поправка на коррозию с учетом срока службы аппарата, Ck = 0,001
D – внутренний диаметр, D=1 м
- допустимое напряжение, =2,2 Н/м2
S= м
- условие выполняется
Толщина обечайки по расчетам равна 0,025 м
2. Расчет толщины днища:
, где
=0,1 мПа внутреннее давление
- коэффициент прочности днищ, изготовленных из цельной заготовки
= 2,2мН/м2 - допустимое напряжение
С=0,001
R=1 м – радиус кривизны в вершине днища. Для элептических днищ R=D, где D – внутренний диаметр аппарата, D=1 м
м
Условие:
Условие выполняется. Толщина днища равна 0,025 м.
3. Расчет фланцевых соединений
Расчетное растягивающее условие в болтах
, где
Дп – средний диаметр уплотнения, м
- расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностях в рабочих условиях, необходимых для обеспечения герметичности, =0,00563
-рабочее давление, =0,1 Мпа
Дп=1070 мм,
Расчетная сила сжатия прокладки прямоугольного сечения определяется по формуле:
, где
в – эффективная ширина прокладки, м
;
к – коэффициент, учитывающий зависимость от материала и конструкции прокладки
к = 2,5 (материал – асбест)
в0 – действительная ширина прокладки, м
Диаметр болтовой окружности:
Дб=(1,1-1,2)Дв0,933=1,1*1,050,933=1,15 мм, где
Дв – внутренний диаметр фланца, равный наружному диаметру аппарата,м
Дв = 1050 мм = 1,05м
Расчет диаметра болтов
, где
Дт=1.098 м – наружный диаметр сварного шва на фланце
число болтов: , где
Fб – площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м2
- допустимое напряжение на растяжение на болтах
Округлим и получаем число болтов 16 шт.
Наружный диаметр фланца
Дф=Дб+(1,8+2,5)dб
Дф=1,15+4,3*0,02=1,24 м
Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях:
Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях (в м2 )
Ф=
Вспомогательная величина А:
- предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, =240 /м2
S – толщина обечайки, соединяемой фланцем, м, , - коэффициенты, определяемые графическим путем =0,99, =9
Высоту фланца h определяем по формулам
, м; при ,
2,74*10-4 м2 1,13*0,01125 м2
2,74*10-4 м2 0,0127
Расчет опор аппарата [10]
Толщина ребра: , где
- нагрузка на одну опору, в мН
к – коэффициент, зависящий от соотношения ; k=0.6, n=4
z- количество ребер на опоре принимаем из конструктивных соображений
L – высота опоры, L=0.2 м
=108000 кгс = 10800кг = 1,08мн = 10,79*103кГс
Высота ламп: L=L/0.5 = 0.2/0.5=0.4 м
Общая длина сварного шва, Lш:
Lш=4(h+ )=4(0.4+0.026)=1.17 м
Прочность сварного шва, , при соблюдении условия: LшhшTшс, где
Lш - общая длина сварных швов, м
hш – катет свободного шва, м hш=0,008м
Tшс – допускаемое напряжение материала шва на срез, нм/ м2
Tшс - =100мн/ м2
1,08/4 = 0,27 мн <0,7*1,74*0,008*100=0,97 мн
0,27 мн < 0,97
Условие прочности выполняется.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 220.