4.2.3 Конструктивный и гидравлический расчет моногидратного абсорбера

Исходные данные:

Расход газа из контактного отделения — 91 830 нм³/ч

Состав газа:

SO₃ – 7,8 % об.,

SO₂ — 0,159 % об.,

О₂ — 10,4 % об.,

N₂ — 81,7 % об..

Расход кислоты серной - 690 м³/ч (351,92кг/с)

Степень абсорбции — 0,999

Температура газа: на входе — 130ºС;

на выходе — 65ºС.

Температура орошающей кислоты серной: на входе — 45ºС;

на выходе — 65ºС.

Теплоемкость:

SO₃ – 2,93 кДж/м³·ºС;

SO₂ — 2,05 кДж/м³·ºС;

О₂ — 1,38 кДж/м³·ºС;

N₂ — 1,34 кДж/м³·ºС.

Характеристика насадки:

Керамические кольца Рашига 100х100х10;

Удельная поверхность — 60,00 м²/м³;

Сводный объем — 0,72 м³/м³;

Эквивалентный диаметр — 0,048 м;

Насыпная плотность — 670,00 кг/м³.

Технологический расчет:

Расчет ведем на часовую производительность.

1) Объем газа, выходящего из абсорбера, можно рассчитать по формуле:

V₂ = V₁·(1 – y₁·z), (4.2.1)

где

V₁ и V₂ – объем газа на входе и выходе из абсорбера, м³/ч;

y₁ – концентрация серного ангидрида в газе на входе в абсорбер, объемные доли;

z — степень абсорбции, доли единицы.

V₂ = 91 830·(1 — 0,078·0,999) =84 674,42 м³/ч

2) Концентрация серного ангидрида в газе на выходе из абсорбера составит:

(4.2.2)

3) Плотность газа в абсорбере можно рассчитать по формуле:

, (4.2.3)

где

- плотность газа в абсорбере и при нормальных условиях, кг/м³;

Т₀ — абсолютная температура, К;

t — средняя температура газа в абсорбере, ºС;

Р и Р₀ — давление газа в абсорбере, Па.

Плотность газа при нормальных условиях составляет:

кг/м³

Средняя температура газа в абсорбере составит:

t = (4.2.4)

Давление газа в абсорбере равно атмосферному.

Плотность газа в абсорбере составит:

кг/м³

4) Предельную скорость газа можно рассчитать по формуле:

, (4.2.5)

где

- предельная скорость газа, м/с;

- плотность газа и орошающей кислоты серной (моногидрата), кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

d_э — эквивалентный диаметр насадки, м;

ε — свободный объем насадки, м³/м³;

μ_мнг и μ_H2О — вязкость орошающей кислоты серной и воды, Паּс;

A и B — коэффициенты;

L и G — расход орошающей кислоты серной и воды, кг/с.

Плотность орошающей кислоты серной составляет 1836 кг/м³, вязкость — 1,2·10^-5 Па·с. Коэффициенты А и В для насадки из керамических колец Рашига соответственно — 0,073 и 1,75.

= 0,73 м/с,

учитывая гидравлическое сопротивление насадки, скорость газа в абсорбере принимаем 0,8 м/с.

5) Средний расход газа в абсорбере составит:

м³/ч (4.2.6)

6) Площадь поперечного сечения абсорбера составит:

м² (4.2.7)

7) Диаметр абсорбера составит:

м (4.2.8)

Примем стандартный диаметр D = 7 м.

Площадь поперечного сечения абсорбера составит:

м² (4.2.9)

Рабочая скорость газа составит:

м/с (4.2.10)

8) Плотность орошения можно рассчитать по формуле:

, (4.2.11)

где

U — плотность орошения, м³/м²·с;

G — расход орошающей кислоты серной, м³/ч;

S — площадь поперечного сечения абсорбера, м².

м³/м²·с

9) Минимальную эффективную плотность орошения можно рассчитать по формуле:

U_min = a·q_эф, (4.2.12)

где

U_min -минимальная эффективная плотность орошения, м³/м²·с;

а - удельная поверхность насадки, м²/м³;

q_эф — эффективная линейная плотность орошения, м²/с.

Для насадки из керамических колец Рашига размером 100 мм эффективная линейная плотность орошения составляет 2,2·10^-5 м²/с

Минимальная эффективная плотность орошения составит:

U_min=60·2,2·10^-5=1,32 м³/м²·с

10) Удельную активную поверхность насадки можно рассчитать по формуле:

, (4.2.13)

где

- удельная активная поверхность насадки, м²/м³;

- доля активной поверхности насадки, доли единицы;

- удельная поверхность насадки, м²/м³.

При плотности орошения более 3,00·10^-3 м³/м²·с для правильно уложенной насадки смачивается практически вся ее геометрическая поверхность. В этом случае доля активной поверхности насадки равна 1.

м²/м³

11) Количество поглощенного серного ангидрида можно рассчитать по формуле:

, (4.2.14)

где

G_SO3 -количество поглощенного серного ангидрида, кг/ч;

V₁ – объем газа, поступающего в абсорбер, м³/ч;

y₁ – концентрация серного ангидрида в газе, объемные доли;

z – степень абсорбции, доли единицы;

µ_SO3 – молярная масса серного ангидрида, кг/моль;

υ — мольный объем газа при нормальных условиях, м³/моль.

кг/ч (4.2.15)

12) Концентрация вытекающей из абсорбера кислоты серной можно определить по формуле:

, (4.2.16)

где

х₁ и х₂ — концентрации поступающей на орошение и вытекающей из абсорбера кислоты серной, массовые доли;

L — расход орошающей кислоты серной, кг/ч;

G_so3 - количество поглощенного серного ангидрида, кг/ч.

Концентрация поступающей на орошение кислоты серной 0,98.

Концентрация вытекающей серной кислоты составит:

13) Коэффициент скорости абсорбции можно рассчитать по формуле:

К = К₀·ώ^0,8₀, (4.2.17)

где

К — коэффициент скорости абсорбции, кг/(м²·ч·Па);

К₀ — коэффициент, зависящий от концентрации и температуры орошающей серной кислоты, кг/(м²·ч·Па);

ώ₀ — рабочая скорость газа, м/с.

К = 1,94·10^-4·(0,73)^0,8= 1,51·10^-4 кг/(м²·ч·Па)

14) Площадь поверхности насадки можно рассчитать по формуле:

, (4.2.18)

где

F_H - площадь поверхности насадки, м²;

G_SO3 - количество поглощенного серного ангидрида, кг/ч;

К — коэффициент скорости абсорбции, кг/(м²·ч·Па);

Δр — движущая сила абсорбции, Па.

Площадь поверхности насадки составит:

м²

15) Объем насадочной части составит:

м³ (4.2.19)

16) Высоту насадки можно рассчитать по формуле:

, (4.2.20)

где Н_Н — высота насадки, м

м

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой примем равным 0,8D. Это расстояние составит:

H_g = 0,8·D=0,8·7=5,6 м

Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера примем равным 3 м на основании практических данных.

17) Высота абсорбера составит:

H_a =3 + 6,13+5,6=14,73 м (4.2.21)

18) Коэффициент гидравлического сопротивления насадки можно рассчитать по формуле:

, (4.2.22)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления;

Re — критерий Рейнольдса для газа в насадке.

Критерий Рейнольдса для газа в насадке составит:

(4.2.23)

Коэффициент гидравлического сопротивления насадки составит:

19) Гидравлическое сопротивление сухой насадки можно рассчитать по формуле:

, (4.2.24)

где Δр_с — гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки составит:

Па

20) Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки можно рассчитать по формуле:

ΔР=ΔР_с·10^B·U, (4.2.25)

где

ΔР — гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па;

В — коэффициент;

U — плотность орошения, м³/(м²·с).

Для насадки колец Рашига в укладку размером 100 мм коэффициент В = 119,00.

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки составит:

Δр = 20,56·10^{119·4,98·10-3}= 80,47 Па

В результате расчета аппарата определены его габаритные размеры. Диаметр моногидратного абсорбера составляет 7м, а высота — 14,73 м. Также произведен расчет гидравлического сопротивления аппарата.