Реконструкция основного оборудования отделения абсорбции производства олеума (1094869), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3.1. Расчёт олеумного абсорбера
-
Данные для расчёта:
Распад газа на входе: 20589,72 мм3/ч (29946,8 кг/ч)
Состав:
SO3 – 1616,04м3/ч (5771,4 кг/ч), 7,85%(об)
SO3 – 67,3 нм3/ч (192,4 кг/ч), 0,32%(об)
О2 – 1964,5 нм3/ч (2806,5 кг/ч), 9,54%(об)
N2 – 16939,78 нм3/ч (21174,8 кг/ч), 82,28%(об)
H2O – 2,14 нм3/ч (1,7 кг/ч), 0,01%(об)
-
Материальный баланс абсорбера
Олеумный абсорбер состоит из двух элементов; форсуночного скруббера Вентури и плёночного теплообменника для отвода тепла абсорбции. Заданная степень абсорбции в двух аппаратах: 80%. Степень абсорбции в абсорбере Вентури – 70% (см. рис. 1)
При степени абсорбции 80% из 5771,4 кг/ч SO3, подаваемой в установку, абсорбируется:
В составе отходящих газов из абсорбера имеем:
или 323,2 нм3/час.
В скруббере Вентури улавливается:
В газах выходящих из скруббера Вентури содержится:
На орошение скруббера Вентури подаётся 98% серная кислота, которая содержит 80%(масс.) триоксида серы и 20% воды. Так как в результате абсорбции должен образовываться 20% олеум, который содержит 85,3% SO3 и 14,7 H2O (масс.), количество кислоты, подаваемой на орошение может быть расчитано из уравнения:
=0,8 содержание триоксида серы в 98%-ой кислоте;
=0,853 содержание триоксида серы в 20%-ом олеуме.
Отсюда:
-
Размеры аппарата.
Основные размеры аппарата определяем следующим образом:
Начальная концентрация SO3 в газе
Gин – количество газа – инерта, кг/ч.
Концентрация SO3 в газе после скруббера Вентури:
Равновесным значением концентрации над серной кислотой можно пренебречь. Парциальное давление SO3 над олеумом 9 мм.рт.ст.
Тогда y*=9/760=0,012
Мсм – молекулярная масса смеси:
Число единиц переноса в абсорбере:
C другой стороны для абсорберов Вентури:
где w0-скорость газа в горловине, м/с;
qуд-удельная плотность орошения, л/м3;
A, m, n – коэффициенты. Для системы SO3 – H2SO4:
A=0,375 ; m=0,49; n=0,54 [8]
ж – плотность жидкости (кислоты), ж=1830 кг/м3 [11]
Тогда скорость газа в горловине трубы Вентури:
сечение горловины:
Диаметр горловины:
Выбираем трубу Вентури с типоразмерами ТВПВ-0,100.
Основные размеры: [5]
d0=370 мм
hr=0,15d0=55,5 мм
D1=1,120 м
D2=1,000 м
H2=5,150 м
H3=1,480 м
Действительная скорость газа в горловине:
Тепловой баланс
Тепло абсорбции в абсорбере:
содержание воды в поступающей кислоте [9]
qол, q98% - теплота образования кислоты при температуре 55С.
q98% = 1669ккал/кг H2O=6933,11кДж/кг H2O
qол = 2046ккал/кг H2O=8572,74кДж/кг H2O
Таким образом, в теплообменнике нужно будет отвести 1123,8 кВт теплоты.
Гидравлический расчёт
Массовая скорость жидкости к сечению горловины рассчитывается следующим образом:
Для сухой трубы Вентури сопротивление находим по формуле [8].
с = 0,2 – коэффициент сопротивления.
Г – плотность газа в абсорбере, кг/м3.
Сопротивление орошаемого скруббера:
-
Расчёт абсорбера – теплообменника
За счёт выделившегося в ходе абсорбции тепла Q=1123,8 кВт орошающая кислота разогревается.
Нагрев кислоты составит:
LH, LK – начальное и конечное количество жидкой фазы:
С98%, Сол – теплоёмкость 98% кислоты и образующегося 20% олеума.
С98%=0,342ккал/кг*град=1,433кДж/кг*К
Сол=0,340ккал/кг*град=1,425кДж/кг*К
За основу абсорбера – теплообменника принимаем кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 1 м, трубками 38х2,5 мм. Для шахматного варианта разбивки трубного пучка принимаем нормализованный шаг.
Основные параметры решётки:
Количество трубок по диагонали шестиугольника:
Принимаем в=17.
Количество трубок на стороне шестиугольника:
А=(в+1)/2=(17+1)/2=9
Число трубок в зоне шестиугольника:
N=3a(a-1)+1=3*9(9-1)+1=217шт
Предварительная прорисовка трубной решётки показала, что на ней можно разместить 317 трубок.
Смоченный периметр трубок
П=3.14*d*n=3,14*0,033*317=32,86м
Площадь сечения трубного пространства:
Минимальная плотность орошения в плёночном абсорбере для обеспечения смоченности внутренней поверхности трубок:
Ж=10,4мПа – вязкость олеума при 60С
=70 мН/м – поверхностное натяжение олеума [9]
Тогда, количество жидкости, необходимой для орошения теплообменника:
Таким образом, необходимо дополнительно подать не менее Lдоп=64514-16846=47668кг/ч
Общая температура олеума на входе в абсорбер – теплообменник, за счёт смещения с дополнительным количеством олеума, подаваемого при 30С из уравнения:
Пусть охлаждающая вода в теплообменнике нагревается с 20С до 25С. Тогда средняя разность температур:
6
5,3 25 tб=40,3С
30 20 tм=10С
Примем предварительно значение коэффициента теплопередачи в абсорбере – теплообменнике К=750 Вт/м2К. Тогда необходимая поверхность теплообмена составит:
Тогда длина трубки теплообменника предварительно:
Принимаем l=2м.
Количество газа в аппарате при его средней температуре:
V0=20589,72-0,8-1616,04=19296,8 нм3/ч
Объёмный расход газа в теплообменнике.
Скорость газа в трубках теплообменника:
Плотность орошения трубного пространства (объёмная):
ж=1880 кг/м3 – плотность олеума при 40С [9]
Критерий плёнки жидкости:
Критерий Рейнольдса газа:
где Г=0,021*10-3Па*с – вязкость газа
Г-плотность газа 19296,8/11597,5=1,7 кг/м3
Критерий Прандтля плёнки при t=40С:
где СОЛ=1425 Дж/кгК - теплоёмкость олеума.
Ж=15,4*10-3Па*с – вязкость олеума при 40С
Ж=0,3ккал/м*ч*град=0,349Вт/м*град.
Критерий Нуссельта модифицированный:
Коэффициент теплоотдачи:
где =Ж/Ж=15,4*10-3/1840=8,37*10-6 м2/с
Количество охлаждающей воды:
VВ=0,054 м3/с
Диаметр штуцера при w=1,5 м/с принимаем dу=200мм
Проход по межтрубному пространству при размещении перегородок с шагом 0,3 м:
Критерий Нуссельта для межтрубного пространства [11]
=0,6 – коэффициент учитывающий угол атаки.
PrВ=(CBB)/B=6,5 – критерий Прандтля для охлаждающей воды при её средней температуре 22,5 С.
Prcт=5,3 – критерий Прандтля при средней температуре стенки.
Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:
где В=0,618
Коэффициент теплопередачи:
где ст=17,5 Вт/мК – теплопроводность стенки
rB=5,55*10-4 м2К/Вт – загрязнённость со стороны воды
Уточняем поверхность теплообмена:
Длина трубок теплообменника:
принимаем l=4 м.
4. Прочностной расчёт основных элементов оборудования
4.1. Прочностной расчёт трубы Вентури
-
Данные для расчёта:
Давление расчётное PR=0,11Мпа
Температура расчётная tR=100C
-
Расчёт конической обечайки диффузора:
Допускаемое напряжение при 20 С:
[]20=140Мпа, при 100 С []t=130Мпа
Пробное давление при гидроиспытании
Толщина стенки обечайки:
где DК=1м – расчётный диаметр конической обечайки;
Р=1 – коэффициент сварного шва;
1=3,5 - угол конусности.
С учётом прибавки на коррозию
SK=SKR+C=0,4+2=2,4мм
Окончательно принимаем SK=4мм.
Допускаемое внутреннее избыточное давление
Так как PR и Рпр < [P], условие прочности выполняется.
-
Расчёт конической обечайки конфузора.
Где DK=1,2м расчётный диаметр обечайки;
1 – угол конусности 14
Принимаем окончательно SK=4 мм
Допускаемое внутреннее избыточное давление:
Условие прочности выполняется.
-
Расчёт фланцевого соединения.
-
Исходные данные S=4мм, D=1м, PR=0,11Мпа, tR=100C
Фланец плоско приварной для аппаратов, болты ВСт5
Прокладка – плоская, неметаллическая, фторопласт.
Диаметр болтов М20.
-
Расчётная температура фланцевого соединения.
-
Диаметр болтовой окружности
Принимаем DБ=1090мм.
-
Наружный диаметр фланца
-
Наружный диаметр прокладки
-
Средний диаметр прокладки
-
Эффективная ширина прокладки
-
Расчётные параметры прокладок
-
Ориентировочное число болтов
Принимаем
-
Ориентировочная толщина фланца
Принимаем
-
Безразмерные параметры
-
Угловая податливость фланца
Где Еф=1,91*105Мпа – модуль продольной упругости материала фланца.
-
Линейная податливость прокладки
Еn=2000Мпа – модуль продольной упругости материала прокладки;
Sn=2мм – толщина прокладки;
-
Расчётная длина болта
Где lБ0 – длина болта между поверхностями головки болта и гайкой 65 мм.
-
Линейная податливость болтов
Где fБ=2,35*10-4 м2 – расчётная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;
ЕБ=1,99*105Мпа – модуль продольной упругости материала болта.
-
Параметры
-
Коэффициент жёсткости фланцевого соединения
-
Нагрузка действующая на фланцевое соединение от внутреннего избыточного давления.
-
Реакция прокладки в рабочих условиях
-
Усилие возникающее от температурных деформаций
-
Болтовая нагрузка в условиях монтажа
-
Болтовая нагрузка в рабочих условиях
-
Приведённые изгибающие моменты в диаметральном сечении фланца
Расчётное значение M0=0,012 МН*М
-
Условие прочности болтов
Условие выполнено.
-
Условие прочности прокладки
Условие выполнено.
-
Расчёт форсунки
Зададимся давлением жидкости на входе в форсунку РВХ=1500кПа (15кгс/см2), расход жидкости L=12806кг/ч=6,998м3/ч=6998л/ч, корневой угол факела 2=60, физические свойства жидкости =1830кг/м3, =1,09*10-5м2/с=0,109см2/с.
Для величины корневого угла 2=60,находим С=0,45 [6].
Площадь поперечного сечения сопла:
Радиус сопла 8 мм.
Массовая скорость истечения из сопла:
Принимаем по конструктивным соображениям:
N=4, =0,5, =30, LK=35, =90