Расчет абсорбционной установки

2.2 Расчет абсорбционной установки

Улавливание бензольных углеводородов из коксового газа каменноугольным маслом представляет собой процесс многокомпонентной абсорбции, когда из газа одновременно поглощается смесь компонентов – бензол, толуол, ксилол и сольвенты. Инертная часть коксового газа состоит из многих компонентов – Н₂, СН₄, СО, N₂, СО₂, О₂, NH₃, Н₂ и др. сложным является и состав каменноугольного масла, представляющего собой смесь ароматических углеводородов (двух- и трехкольчатых) и гетероциклических соединений с примесью фенолов. Для упрощения приведенных ниже расчетов газовая смесь и поглотитель рассчитываются как бинарные, состоящие из распределяемого компонента (бензольные углеводороды) и инертной части (носителей); физические свойства их приняты осредненными.

Для линеаризации уравнения рабочей линии абсорбции составы фаз выражают в относительных концентрациях распределяемого компонента, а нагрузки по фазам – в расходах инертного носителя. В приведенных ниже расчетах концентрации выражены в относительных массовых долях распределяемого компонента, а нагрузки – в массовых расходах носителей.

Материальный баланс

В бензольные скрубберы поступает из конечных газовых холодильников газ следующего состава:

Состав	кг/ч	м³/ч
сухой коксовый газ	33783,08	76370,4
водяные пары	1804,16	2255,2
бензольные углеводороды	2315,8	626,4
сероводород	1136,96	748
итого	39040	80000

Температура поступаемого газа 25ºС и давление 847 мм. рт. ст. принимаем потери бензольных углеводородов с выходящим газом, равным 1,167 г/м³ сухого газа, что составляет

 кг/ч

тогда степень улавливания

или 96%

Количество поглощаемых бензольных углеводородов:

G=2315,8 – 92,632 =2223,168 кг/ч

Таким образом, из скрубберов выходит:

Состав	кг/ч	м³/ч
сухой коксовый газ	33783,08	76370,4
водяные пары	1804,16	2255,2
бензольные углеводороды	92,632	25,056
сероводород	1136,96	748
итого	36816,8	79398,656

Фактическое содержание бензольных углеводродов в поступающем газе:

 г/м³

и выходящем газе:

 г/м³

 

где 825-давление газа после бензольных скрубберов, мм рт ст

847-давление газа до бензольных скрубберов, мм рт ст

303-температура газа после скруббера, ºК

Максимальное содержание бензольных углеводородов в поступающем масле определяем по уравнению:

где a2-содержание бензольных углеводородов в выходящем газе

a2=1,91гр/м³

p2=825 мм рт ст

Mn-молекулярная масса поглотителя 170

Pω-упругость паров бензольных углеводородов над поступающим маслом, мм рт ст

 Для определения упругости бензольных углеводородов над поступающим маслом принимаем следующий состав сырого бензола:

бензола 73%, ксилолов 5%, толуола 21%, сольвентов 1%

При t=30ºC упругость: бензол 118,4

толуол 39,5

ксилол 23,5

сольвент 5

Средняя молекулярная масса сырого бензола:

Молекулярная доля компонентов в сыром бензоле:

где 78,92,106,120-молекулярные массы компонентов.

Тогда упругость бензольных углеводородов при 30ºС: Рсб в поглотительном масле:

Действительное содержание С должно быть менее равновесным для создания движущей силы абсорбции вверху скруббера:

n - коэффициент сдвига равновесия, который можно принять равным 1,1-1,2

Максимальное содержание бензольных углеводородов в выходящем из скрубберов масле при условии равновесия внизу скруббера определяем по уравнению:

Для сдвига равновесия внизу абсорбера принимаем коэффициент сдвига равновесия n=1.5, тогда

Минимальное количество поглотителя:

L min =

Действительное количество поглотителя:

L =

Что составит на 1м³ сухого газа:

Таким образом, в поступающем масле содержатся бензольных углеводородов:

99314·

и в выходящем:

99314·2,22/100=2205 кг/ч

Следовательно, поглощается маслом бензольных углеводородов:

2205-178=2027 кг/ч

материальный баланс скрубберов, кг/ч

Компоненты	Приход	Расход
коксовый газ	37506	35479
поглотительное масло	99314	99314
бензольные углеводороды	178	2205
Итого	136998	136998

Определение поверхности абсорбции и размеров скрубберов

Для скрубберов принимаем деревянную хордовую насадку со следующей характеристикой:

толщина рейки…………… а = 0,01 м =10мм;

зазоры между ними……… в = 0,02 = 20мм

высота рейки……………… с = 120мм

Критическая скорость газа определяется уравнением:

U=2.32

Вязкость коксового газа при Т = 30ºС Z=0.0127 спз

Плотность газа на выходе:

p =

dэ=2b=2·0,02=0,04м.

критическая скорость газа:

U=2.32 ·

Требуемое живое сечение насадки:

Sж =

Где V-фактический объем газа на выходе из скруббера.

V=74452.4 ·

Отсюда:

Sж =

Общее сечение насадки скруббера:

S общ =

и диаметр скруббера:

Д=

Поверхность абсорбции определяется уравнением:

F=

Где G-количество поглощенных бензольных углеводородов, кг/ч;

∆pср - средняя движущая сила абсорбции.

К- коэффициент абсорбции, кг/(м²·ч·мм рт ст)

Движущая сила абсорбции вверху скруббера:

где -парциальное давление бензольных углеводородов в выходящем газе.

=0.0224 · =0.418 мм.рт.ст.

мм.рт.ст.

Тогда

∆p2=0.418-0.363=0.055 мм.рт.ст.

Движущая сила абсорбции внизу скруббера:

где pг - парциальное давление бензольных углеводородов в поступающем газе.

=0,0224· 

 

мм.рт.ст.

средняя движущая сила абсорбции:

коэффициент абсорбции определяется:

K=

Где Кг-коэффициент массоотдачи при абсорбции через газовую пленку.

Плотность газа на входе

и плотность газа на выходе:

Средняя плотность газа:

и при фактических условиях:

тогда:

Uг =

Коэффициент диффузии бензольных углеводородов в коксовом газе Дr при нормальных условиях:

Дr=

Мr-молекулярная масса коксового газа

Мr=22,4·0,488=11, тогда

Дr=

Pср=825+ мм. рт. ст. T=300ºK

Приводим коэффициент диффузии к фактическим условиям:

Число Нуссельта

Число Рейнольдса

Число Прандтля

таким образом

и коэффициент массоотдачи через газовую пленку

или

коэффициенты массоотдачи при абсорбции через жидкую пленку:

Число Рейнольдса для поглотителя

 орошения м³/(м·ч)

Uж-кинематическая вязкость поглотителя, м²/ч

qж=

где L-количество поглотителя, кг/ч pж- плотность поглотителя,  U- периметр сбегания поглотителя в одном круге насадки, м

Периметр сбегания жидкости в одном круге насадки: где L- длинна реек в одном круге

U-периметр сбегания жидкости в одном круге насадки

Вязкость поглотительного масла при t=30ºC равна 16,5 спз, что в пересчете на кинематическую вязкость составит:

или

тогда

Число Прандтля для поглотителя:

Коэффициент диффузии бензольных углеводородов в поглотительном масле при 30ºС равен Дж=0,14·10 м

Тогда,

Отсюда коффициент массотдачи через жидкостную пленку:

Для пересчета на движущую силу абсорбции в мм.рт.ст. необходимо полученное значение  делить на константу равновесия Генри.

Н-упругость Генри (мм. рт. ст ·м³)/кг

тогда константа Генри будет равна

над входящим газом

таким образом,

отсюда коэффициент массопередачи будет равен:

Необходимая поверхность абсорбции:

или на 1м³ сухого коксового газа

Поверхность круга насадки:

где U-периметр сбегания жидкости по насадке

C-высота рейки насадки 0,1м

Необходимое число кругов насадки.

 Принимаем три скруббера по 240 кругов и в каждом скруббере по 24 круга. Считая расстояние между секциями 0,5м, высоту опорных реек 0,12 м и расстояние от верха насадки до крышки и от низа насадки до дна 5 м, получим общую высоту скруббера.

Механический расчет. Подбор толщины обечайки

Расчет толщины обечаек проводят в соответствии с ГОСТ-14249-80.

Исполнительную толщину гладкой тонкостенной цилиндрической обечайки, рассчитывают по формуле:

где Д-диаметр скруббера,

p- давление внутри скруббера, МПа

φ-коэффициент прочности сварных швов, φ=1

с-исполнительная толщина стенки элементов, с=0,02мм

Принимаем диаметр из стандартного ряда p=0.160 МПа

Допускаемое напряжение в рабочем состоянии при расчетной температуре 20ºС δ=140 МПа

Расчет толщины днища

Толщину стенки днища определяют

где

Принимаем днище эллиптическое отбортованное стальное по ГОСТ-6533-68

Дв, мм	hв, мм	Fв, м²	емк. V·10
5000	500	4,5	1124

Расчет и подбор диаметров штуцеров

Принимаем диаметр штуцеров для входа и выхода коксового газа 1,500 м

Материал штуцеров сталь марок 08 и 10.

Где ω = 15 м/с принятая скорость коксового газа в трубопроводе.

Для входа и выхода поглотительного масла:

где- ρ плотность поглотительного масла 1060 кг/м³

ω - маловязкие жидкости 0,5-1,0м/с

Принимаем диаметр штуцеров для входа и выхода поглотительного масла Д = 0,200 м Подбор фланцевых соединений

Принимаем фланцы плоские стальные приварные Тип 1 по ГОСТ1255-54

	Присоединительные размеры, мм					Болты, шт		Тип фланца
Рy, мн/м²	Дв, мм	Д, мм	Дб, мм	Д1,мм	Д	dσ	z	h,мм
1,500	1500	1640	1590	1560	1513	М20	32	25

	Присоединительные размеры, мм					Болты, шт		Тип фланца
Py, мн/м²	Дy	Дн	Д	Дб	Д1	d	z	h,мм
0,2	200	219	290	255	232	М16	8	22