Впровадження безсатураторного методу отримання сульфату амонію

5.6.1 Матеріальний розрахунок

У випарник поступає розчин з першого ступеня абсорберу наступного складу:

кг/год %

Сульфату амонію………….2037,7 40

Сірчаної кислоти…………......50,9 1

Води………………………...3005,7 59

Всього……5094,3 100

У випарнику випаровується вода у кількості 2321,6 кг/год. Тому з випарника виходить пульпа наступного складу :

кг/год %

Сульфату амонію………….2037,7 73,4

Сірчаної кислоти…………......50,9 1,8

Води……………………….....684,1 24,8

Всього.........2772,7 100

При відділенні кристалів сульфату амонію у кількості 1440,4 кг/год після центрифуги залишиться маткового розчину 2772,7 - 1440,4=1331,8 кг/год.

Склад цього розчину: кг/год %

Сульфату амонію ……..2037,7 - 1411,6=626,1 47,0

Сірчаної кислоти…………...………............50,9 3,8

Води…………………...........684,1 - 28,8=655,3 49,2

Всього……...............1332,3 100

5.6.2 Тепловий розрахунок випарника

Прихід. 1. Тепло, що вноситься розчином при температурі 57,8°С :

Q₁=5094,3Ч2,933Ч57,8=863623,4 кДж/год.

2. Тепло кристалізації сульфату амонію

Q₂=,

де 10894- тепло кристалізації , кДж/моль (NH₄)₂SO₄.[6]

3. Тепло гріючої пари Q₃.

Всього прихід: Q_прих.=980123,2+ Q₃.

Витрата. 1. Тепло, що уноситься пульпою з випарника:

Q₄=(1332,3Ч2,68+1440,4Ч1,42)Ч58=325724,1 кДж/год.

2. тепло, що уноситься парами води з випарника :

Q₅=2321,6Ч4,19Ч2576,9=25066805,1 кДж/год,

де 2576,9- ентальпія пари,кДж/кг, при тиску у апараті, рівному

760-685=75 мм рт. ст.

3. Тепло концентрування сірчаної кислоти незначне (від 1% до 3,8%), тому ним нехтуємо.

4. Тепло, що втрачається зовні:

Q₆=125700 кДж/год.

Загальна витрата тепла Q_витр.=25518229,2 кДж/год.

Прирівнюючи прихід та витрату, отримаємо тепло гріючої пари :

980123,2+ Q₃=25518229,2

Q₃=24538106 кДж/год.

Приймаючи пару тиском 1,75 кг/см² з температурою 115°С та теплотою конденсації 2220,7 кДж/кг, отримаємо витрату пари :



6. Технологічні розрахунки

6.1 Визначення розмірів абсорберів першого та другого ступенів

Кількість газу, який поступає в абсорбер наведено у таблиці 5.1

Об'єм коксового газу визначаю за формулою [6] :

V_к.г= (6.1)

де G - кількість коксового газу, кг/год;

t - температура коксового газу після нагнітача, приймаю t=50°С;

p - атмосферний тиск, мм рт.ст.;

P - тиск газу перед абсорбером P=960 мм рт.ст.;

V_к.г =

Приймаємо швидкість газу в абсорбері 4 м/с [6]. Тоді потрібний переріз абсорберу:

, (6.2)

де V_к.г. -об'єм газу, м³/год

н- швидкість газу, м/с;

та діаметр абсорберу

D= , (6.3)

де S- переріз абсорберу,м²

Приймаємо D=2,5 м.

Тоді переріз буде дорівнювати

S=рR²

S=3,14Ч1,25²=4,9 м².

Об'єм абсорберу визначаємо з умов абсорбції аміаку за рівнянням [6] :

, (6.4)

де V_к.г. - об'єм газу, який поступає, V_к.г. =51609,4 м³/год;

К - коефіцієнт абсорбції аміаку сірчаною кислотою у розпилюючих апаратах, за практичними даними К=5000 год^-1;

a₁ і а₂ - вміст аміаку у газі, що входить та виходить, г/м³.

Об'єм абсорберу першого ступеня буде дорівнювати:

,

Тоді потрібна висота робочої частини абсорберу першого ступеня [6]

, (6.5)

Розміри робочої частини абсорберу другого ступеня абсорбції залишаються такими ж, як і першого ступеня, так як

де a₃ - вміст аміаку в газі, що виходить з другого ступеня абсорбції.

H₂= 5,8 м.

Загальна висота абсорберу

H= H₁+ H₂+ H₃+ H₄

де H₃ - висота від робочої частини абсорберу до кришки абсорберу, приймаємо =1,25м;

H₄ - висота простору від нижньої робочої частини до днища, приймаємо =1,25 м.

H=5,8+5,8+1,25+1,25=14,1 м.

6.2 Визначення поверхні теплопередачі випарника

Поверхню теплопередачі випарника визначаємо за формулою:

, (6.6)

де Q- кількість тепла, що передається ,

Q=Q₃ - Q₆

Q₃ =24538106 кДж/год- тепло граючої пари;

Q₆ =125700 втрати тепла зовні.

Q=24538106 - 125700= 24412406 кДж/год;

Дt_ср- різниця температур у теплопередачі між парою та розчином, Дt_ср=115-58=57°С;

К- коефіцієнт теплопередачі визначаємо за формулою [6]

(6.7)



б₁- коефіцієнт тепловіддачі пари, б₁=41900 кДж/(м²ЧгодЧ°С); [6]

д₁/л₁- термічний опір стінок трубок; цією величиною нехтуємо;

д₂/л₂- термічний опір забруднень, приймаємо рівним 4,773Ч10^-4 м²ЧгодЧ°С/кДж;

б₂- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до киплячого розчину визначаємо за наближеною формулою : [6]

, (6.8)

тут q- тепловий потік; q=KДt_ср.

Задаємося q=62000 кДж/(м²Чгод), [6] тоді

,

і

Перевіряємо значення q:

q=KДt_ср=1085,2Ч57=62000 кДж/(м²Чгод),

тобто б₂ та К розраховані правильно.

Необхідна поверхня теплопередачі

Приймаємо трубки діаметром 57/ 4 мм та довжиною 2,5 м.

Тоді необхідна кількість трубок

Приймаємо 1027 трубок, що розміщені на 18 шестикутниках.

Тоді діаметр трубчатки буде дорівнювати:

D=2Ч(xt+t?), (6.9)

де x- число шестикутників x=18;

t- шаг розміщення трубок, t=1,4 d=1,4Ч0,057=0,08 м;

t?- відстань від кожуху, t?=0,06 м.

Тоді

D=2Ч(18Ч0,08+0,06)=3 м.

Асорбер.

При безсатураторному методі отримання сульфату амонію очищення газу від аміаку здійснюють в двоступінчатому абсорбері зрошувального типу.

Корпус апарату складається з циліндричної обичайки 4, конічного днища 5 і кришки 1. Внутрішній простір апарату розділений на дві секції за допомогою кільцевої перегородки з обичайкою 10, у верхній частині якої змонтована (суворо горизонтально) ковпачкова барботажна тарілка з кільцевим переливанням на рівні кромок обичайки 10. Штуцери 3, а також встановлені над ними ковпаки 11 мають трапецеїдальну форму і на тарілці розташовані радіально.

Усередині обичайки 10 встановлений краплевідбійник 9, виконаний із зігнутих смуг листового матеріалу. Верхня і нижня секції абсорбера обладнані індивідуальними системами зрошування і виконують функції першого і другого ступеня абсорбції аміаку. Нижня секція (перший ступінь) обладнана двома ярусами форсунок 8 по шість штук в кожному. Верхня секція (другий ступінь) має один ярус форсунок 12, крім того, уздовж осі апарату розташована форсунка 13 з крупнокаплевим зрошуванням призначена також для зменшення бризкоуносу газовим потоком. Верхня секція обладнана люками 2.

Коксовий газ поступає в нижню секцію апарату через патрубок 7, промивається кислим розчином циркуляційного циклу першого ступеня абсорбції за допомогою форсунок 8, потім звільняється від бризок розчину в краплевідбійнику 9 і поступає в штуцери 3 ковпачкової тарілки, яка заповнена рідиною до рівня кромок обичайки 10. При цьому в нижній секції абсорбера з газу витягається близько 95 % аміаку, що міститься в ньому.

Циркулюючий розчин кислотністю близько 1 % після контакту з газом поступає в конічне днище 5 і виводиться через патрубок 6.

Вхід газу у верхню секцію абсорбера здійснюється в режимі барботажу завдяки наявності занурених в рідину ковпаків 11. Далі газ піддається повторному контакту з рідкою фазою в режимі зрошування за допомогою форсунок 12 і 13. В процесі рециркуляції в контурі зрошувальної системи другого ступеня розчину кислотністю 10-12% з газу витягаються залишки аміаку і легкі піридинові основи. Очищений коксовий газ виводиться з абсорбера через патрубок 14, а розчин накопичується в кільцевому проміжку між стінками абсорбера і обичайки 10 і виводиться через патрубок 15.

Випарник

Отримання кристалічного сульфату амонію шляхом переробки ненасиченого маточного розчину, що виводиться з першого ступеня аміачного абсорбера, здійснюється у випарному кристалізаторі .

Корпус апарату має циліндричну форму. Порожниста частина його складається з секцій 3 і 4 різних діаметрів, причому секція 3 частково заповнюється розчином, рівень якого візуально контролюється за допомогою оглядових вікон 10. Секція 3 стикується за допомогою фланцевого з'єднання з верхніми трубними гратами нагрівача 1, в центральній частині якого розташована циркуляційна труба 2, а в периферійній частині - вертикальна трубчатка. Верхня частина нагрівача 1 обладнана кільцевим колектором з патрубком 7 для подачі гріючої пари, а в нижній частині встановлений патрубок 9 для виведення конденсату. Нижні трубні грати нагрівача 1 за допомогою фланцевого з'єднання стикується з конічним днищем, у якому є

люк - лаз, патрубок 5 для подачі живлячого розчину і труба 6 для виведення готової суспензії.

Секція 4 забезпечена системою краплевідбію у вигляді похило встановлених полиць і патрубком 8 для виведення вторинної пари.

В процесі роботи у випарному кристалізаторі підтримується постійний рівень розчину шляхом регулювання витрати живлячого розчину на вході в патрубок 5. У зоні конічного днища апарату живлячий розчин змішується з, циркулюючим розчином, що поступає з труби 2.

Циркулюючий розчин містить кристалічну фазу і на виході з труби 2 має залишкове пересичення, яке знижується або повністю знімається в результаті змішення з живлячим розчином. Після змішення розчин поступає в трубчатку нагрівача 1.

В результаті конденсації пари в міжтрубному просторі нагрівача 1 розчин, що знаходиться в трубчатці, отримує відповідну кількість тепла. Залежно від висоти рівня розчину над верхніми трубними гратами, який визначає величину гідростатичного тиску рідини у верхній частині трубчатки, отримуване розчином тепло витрачається в певному співвідношенні на підвищення його температури або на випар води безпосередньо у трубчатці. Ця обставина визначає два можливі режими роботи нагрівача 1: при збільшеному рівні розчину в апараті в трубчатці переважає режим конвективного підігрівання розчину з подальшим його кипінням поза трубчаткою у міру підйому розчину і зниження гідростатичного тиску; при мінімальному рівні розчину відносно верхніх трубних грат процес теплопередачі супроводжується кипінням розчину безпосередньо в трубчатці.

У другому випадку можливий форсований режим роботи апарату при високих теплових навантаженнях, оскільки кипіння розчину в трубчатці істотно інтенсифікує тепловіддачу. Проте при такому режимі зростає вірогідність пристінкового солеутворення в трубчатці, а також надмірного зародкоутворення при підвищеному пересиченні розчину. Оптимальний режим роботи нагрівача 1 припускає забезпечення таких умов випарної кристалізації , які гарантують отримання великокристалічного продукту при безперервній роботі апарату між його промиваннями впродовж 3 діб.

Кипіння розчину в периферійній частині перерізу апарату супроводжується його пересиченням і створює низхідний потік в трубі 2 і висхідний в трубчатці нагрівача 1, тобто циркуляцію суспензії кристалів по замкнутому контуру. Багатократне проходження кристалів через зону утворення пересичення (зону кипіння) забезпечує їх ріст і накопичення маси твердої фази в циркуляційному контурі. Безперервне виведення суспензії з постійною об'ємною швидкістю по трубі 6 забезпечує постійність маси твердої фази у випарному кристалізаторі на оптимальному рівні.

Парова фаза, що утворилася в процесі кипіння розчину проходить крапле відбійну секцію 4, де звільняється від бризок розчину, що виносяться, і виводиться через патрубок 8 на конденсацію. Для зниження температури кипіння розчину у випарному кристалізаторі підтримується відповідний вакуум.



7. Механічні розрахунки

7.1 Товщина обичайки

Товщина обичайки визначається за формулою [16]

(7.1)

де p- тиск у апараті, н/м²

D- діаметр апарату, м

[] = 137 МН/м² -напряження, що допускається [16 c 394];

= 0,8 - коэффициент ослаблення з-за зварного шву [16];

С_к = 0,001 м - поправка на коррозию [16].

Приймаю S=0,008 м.

7.2 Днище

Товщина конічного днища розраховується за формулою [16]

(7.2)

де p- тиск у апараті, н/м²;

D- діаметр апарату, м;

= 137 МН/м² -напряження, що допускається [16 c 394];

= 0,8 - коэффициент ослаблення з-за зварного шву;

С_к = 0,001 м - поправка на коррозию;

б=60° кут при вершині

Приймаю S_д=0,007 м.

Обираю днище по ГОСТ 12621 - 78 [17], товщина стінки S_д =0,007 м

Маса днища m_д = 133,5 кг.

Об'єм днища V_д = 0,18 м³ .

7.3 Штуцери

Діаметр штуцерів розраховується за формулою:

, (7.3)

де G - масова витрата речовини в секунду, м³/год;

с -густина речовини, кг/м³;

х- швидкість руху речовини в штуцері, м/с.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері х = 1 м/с, а для газу х = 25 м/с, тоді :

діаметр штуцеру для входу і виходу газу

;

приймаємо 1000 мм,

діаметр штуцеру для входу і виходу циркулюючого маткового розчину

,

приймаємо 250 мм.

Всі штуцера забезпечуються плоскими приварними фланцями по ГОСТ 12820-80 [18], параметри яких наведено у таблиці 7.3.1 та на рисунку 7.3.1:



Таблиця 7.3.1 Параметри фланців

Dу	dн	dв	b	маса, кг
250	273	273	18	6,95
1000	1020	1020	25	52,58

Рисунок 7.1 Фланець

7.4 Розрахунок опори

Апарати вертикального типу із співвідношенням Н/D > 5, розміщувані на відкритих майданчиках, оснащують так званими юбочними циліндричними опорами.

Орієнтовна маса апарату.

Маса обичайки

, (7.4)

де D_н =2,516 м - зовнішній діаметр колони;

D_вн = 2,5 м - внутрішній діаметр колони;

Н_об = 19,2 м - висота циліндричної частини колони;

с = 7900 кг/м³ - густина стали

m_об = 0,785(2,516²-2,5²)Ч19,2Ч7900 = 9556 кг

Загальна маса колони. Приймаємо, що маса допоміжних пристроїв (штуцерів, вимірювальних приладів, люків і так далі) складає 10% від основної маси колони, тоді

m_к = m_об + m_д = 1,1(9556+133,5 кг) = 10658,5 кг

Максимальна вага колони:

m_max = m_к + m_ф = 10658,5 +20000 =30658,5 кг = 0,307 МН

Приймаємо внутрішній діаметр опорного кільця D₁ = 2,44 м, зовнішній діаметр опорного кільця D₂ = 2,64 м.

Площа опорного кільця:

Питоме навантаження опори на фундамент

у = Q/A = 0,307/0,8 = 0,38 МПа < [у] = 15 МПа - для бетонного фундаменту.



Список літератури

1. Ковалев, Е.Т. Справочник коксохимика . В 6 т. Т 3. Улавливание и переработка химических продуктов коксования / Евгений Ковалев.- Харьков: Издательский Дом «ИНЖЭК» , 2009. - 432 с.

2. Белицкий, А.Н. Правила технической эксплуатации коксохимических предприятий / А.Н. Белицкий [и др.] - М.: Металлургия, 1985.- 248 с.

3. Кауфман, А.А. Технология коксохимического производства : учебное пособие / А.А. Кауфман, Г.Д. Хармалпович - Екатеринбург: ВУХИН-НКА, 2005.- 288 с.

4. Гребенюк, А.Ф. Улавливание химических продуктов коксования : учебное пособие. В 2ч. Ч 1. / А.Ф. Гребенюк [и др.].- Донецк: «Восточный издательский дом», 2002. - 228 с.

5. Лейбович, Р.Е. Технология коксохимического производства : ученик для техникумов / Р.Е. Лейбович [и др.] : М. : Металлургия , 1982.- 360 с.

6. Коробчанский, И.Е. Расчеты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования / И.Е. Коробчанский, М.Д. Кузнецов : Изд-во «Металлургия», 1972. - 296 с.

7. Шелков, А.К. Справочник коксохимика . В 6 т. Т 3. Улавливание и переработка химических продуктов коксования / А.К. Шелков - М.: Издательство «Металлургия» 1966. - 394 с.

8. Кокс и химия : научно-технический и производственный журнал. Влияние добавок на расыпчатость сульфата аммония / М.: «Металлургия». - 1988, сентябрь - № 9.

9. Кокс и химия : научно-технический и производственный журнал. Возможность повышения рассыпчатости сульфата аммония / М.: «Металлургия». - 1987, август - № 8.

10. Кокс и химия : научно-технический и производственный журнал. Улучшение качества сульфата аммония / М.: «Металлургия». - 1988, май - №5.

11. ТУ У 40.2-05393085-001-2003. Газ коксовый неочищенный. Технические условия с зим 1,2. - Введ. 2009-09-21

12. ГОСТ 2184-77 . Кислота серная техническая. Технические требования. - Введ.1978-07-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 21 с.

13. ТУ У 24.1-00190443-067:2007 Амония сульфат коксохимического производства. Технические условия. - Введ.2008-01-01.

14. ТУ У 23.1-05393085-002-2004 Смолка кислая сульфатного отделения. Технические условия с зим. 1. -Введ. 2004-05-14.

15. Башлай, З.И. Оборудование цехов улавливания и переработки продуктов коксования : Справочник / З.И. Башлай [и др.] - М.:Металлургия , 1992. - 256 с.

16. Борисов, Г.С. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.] - М.: Химия,1991. -496 с.

17. Михалев, М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств : Примеры и задачи / М.Ф. Михалев - Ленинград «Машиностроение», 1984. - 150 с.

18. ГОСТ 12621-78. Днища конические неотбортованные. Основные размеры. - Введ. 1979-01-01. - М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1978. - 3 с.

19. ГОСТ 12820-80. Фланцы стальные плоские приварные. Конструкция и размеры. - Введ. 1983-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 40 с.

20. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. 2004. - 48 с.

21. СНиП II-89-80. Генеральные планы промышленных предприятий. - Введ.1982-01-01. Госстрой СССР. - ЦНИИпромзданий.

22. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. - Введ.1987-01-01. Госстрой СССР.

23. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - Введ. 1989-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. - 50 с.

24. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования. - Введ. 1977-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2007. - 7 с.

25. ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы. - Введ. 1976-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1999. - 3 с.

26. Макаров, Г.В. Охрана труда в химической промышленности / Г.В. Макаров [и др.] - М.: Химия, 1989. - 496 с.

27. СНиП 11-4-79. Естественное и искусственное освещение. Госстрой СССР - М.: Стройиздат. 1980. - 48 с .

28. ГОСТ 12.1.001-91. Пожарная безопасность. Общие требования. - Введ. 1992-07-01. - М.: Стандартинформ, 2006. - 68 с.

29. РД 34.21.122-87 Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений. Введ. 1988-07-01. - Государственный научно-исследовательский энергетический институт им. Г М. Кржижановского Минэнерго СССР.

30. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - Введ. 2000-04-01. СоюзводоканалНИИпроект.

31. Правила устройства электроустановок (ПУЭ-2009) Украина. Х.: Изд-во «Форт», 2009. - 726 с.

32. ДНАОП 0.00-1.32-01 Правила устройства электроустановок. Электрооборудование специальных установок. Киев 2001.

33. Бабіченко, В. І. промислові засоби автоматизації. Ч. 1. Вимірювальні пристрої / В.І. Бабіченко [и др.] :Навч.посібник. - Харків:НТУ «ХПІ», 2001 р. - 470 с.

34. Тематический каталог. Метран. Датчики давления. - 2009. - 312 с.

35. Тематический каталог. Метран. Уровнемеры. - 2009. - 187 с.

36. Методичні вказівки до виконання розділу АСК ТП дипломного проекту для студентів V-VI курсів спеціальностей 7.091600 Технологія жирів та жирозамінників. 7.051401 Біотехнологія. 7.091700 Харчові добавки та компоненти / Укл.: О. Ф. Шуть, О. Ю. Олійник, Н. С. Петрова. - Дніпропетровськ: УДХТУ, 2010. - 28 с.

37. Методичні вказівки до виконання організаційно-економічної частини дипломного проекту студентів V-VI курсів та курсової роботи з курсу «Економіка хімічної промисловості» для студентів IV курсу спеціальності 7.091604 (ХТП) / Укл. І.В. Багрова, Т.С. Яровенко. - Дніпропетровськ ДВНЗ УДХТУ, 2008. - 26 с.

Размещено на Allbest.ru