Проект установки первичного охлаждения коксового газа

Проект установки первичного охлаждения коксового газа

Министерство образования Российской Федерации

Кафедра химической технологии, экологии и литья

Курсовой проект

по дисциплине «Проектирование предприятий»

На тему: ”Проект установки первичного охлаждения коксового газа”

Выполнил:

студент группы

Проверил:

Аннотация

охлаждение коксовый газ угольный

Коксовый газ, газосборник, угольная шихта, аммиак, сероводород, бензольные углеводороды, надсмольная вода, первичный трубчатый газовый холодильник, давление, расход, материальный баланс, тепловой баланс, нагнетатель, электрофильтр, очистка.

В курсовом проекте рассчитана установка первичного охлаждения коксового газа для производства с производительностью 1,5 млн. т шихты в год. В проект входит расчет материального баланса коксования, расчет газосборника, расчет количества первичных газовых холодильников с горизонтальным расположением труб, расчет нагнетателей для коксового газа, расчет электрофильтров для очистки коксового газа от смолы.

Содержание

Введение

Технологическая схема первичного охлаждения коксового газа

.1 Значение первичного охлаждения коксового газа

.2 Технологическая схема

.3 Назначение и конструкция газосборника

.4 Назначение и конструкция холодильников

.5 Характеристика нагнетателей для коксового газа

.6 Назначение и конструкция электрофильтров

Расчетная часть

.1 Расчет материального баланса коксования угольной шихты

.2 Расчет материального баланса коксования для проектируемого завода

.3 Расчет газосборника

.3.1 Исходные данные для расчета

.3.2 Материальный расчет

.3.3 Тепловой расчет

.4 Расчет газового холодильника с горизонтальным расположением труб

.4.1 Материальный расчет

.4.2 Тепловой расчет

.4.3 Определение потребной поверхности теплопередачи холодильников

.5 Определение необходимой мощности на валу нагнетателей

2.6 Расчет электрофильтра

Заключение

Список использованных источников

Введение

Первой технологической операцией, которой подвергается газ по выходе из коксовых печей, является его охлаждение.

Несмотря на простоту физического процесса первичного охлаждения коксового газа, конструктивное его оформление встречает определенные трудности технического порядка. Это объясняется большим объемом газов, подлежащих охлаждению, выделением на поверхности аппаратуры пленок смолы и отложений нафталина, нарушающих нормальный тепловой режим, а также агрессивностью образующейся в процессе охлаждения коксового газа аммиачной воды, содержащей сульфиды, соли синильной кислоты, сероводород и другие соединения.

Неблагоприятные условия работы охлаждающей аппаратуры коксового газа должны быть учтены при выборе технологической схемы и расчете аппаратуры с тем, чтобы обеспечить необходимую производительность аппарата и установленные правилами технической эксплуатации режимные показатели.

Первичное охлаждение коксового газа проводится в две стадии:

. Охлаждение коксового газа в коленах стояков и газосборниках при орошении водой до 80 - 85°С.

. Охлаждение коксового газа в первичных газовых холодильниках до 20 - 25°С.

1 Технологическая схема первичного охлаждения коксового газа

.1 Значение первичного охлаждения коксового газа

Химические продукты, образующиеся при коксовании каменного угля, выходят из подсводового пространства коксовых печей с температурой равной 650 - 700ºС. Для дальнейших же технологических процессов коксовый газ должен быть охлажден до 25 - 35ºС.

Это необходимо по следующим причинам:

. В результате охлаждения газа и конденсации паров воды и смолы резко уменьшается объем газа и, следовательно, уменьшаются производительности нагнетателей и расход энергии на сжатие и перемещение газа через улавливающую аппаратуру.

. Улавливание химических продуктов коксования (аммиака, бензольных углеводородов, сероводорода и др.) при температуре 25 - 35ºС обеспечивает достаточно высокую степень поглощения.

. Выделение из коксового газа при его охлаждении смолы позволяет уменьшить загрязнение аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования и газопроводов. Кроме того, выделение паров смолы из косового газа необходимо для улучшения качества сульфата аммония. Присутствие смолы в газе ухудшает также качество поглотительного масла, применяемого для улавливания бензольных углеводородов.

Поэтому первой технологической операцией, которой подвергается газ по выходе из коксовых печей, является его охлаждение.

Несмотря на простоту физического процесса первичного охлаждения коксового газа, конструктивное его оформление встречает определенные трудности технического порядка. Это объясняется большим объемом газов, подлежащих охлаждению, выделением на поверхности аппаратуры пленок смолы и отложений нафталина, нарушающих нормальный тепловой режим, а также агрессивностью образующейся в процессе охлаждения коксового газа аммиачной воды, содержащей сульфиды, соли синильной кислоты, сероводород и другие соединения.

Неблагоприятные условия работы охлаждающей аппаратуры коксового газа должны быть учтены при выборе технологической схемы и расчете аппаратуры с тем, чтобы обеспечить необходимую производительность аппарата и установленные правилами технической эксплуатации режимные показатели.

Первичное охлаждение коксового газа проводится в две стадии:

. Охлаждение коксового газа в коленах стояков и газосборниках при орошении водой до 80 - 85°С.

. Охлаждение коксового газа в первичных газовых холодильниках до 20 - 25°С.

В отечественной коксохимической промышленности применяются в настоящее время две схемы первичного охлаждения коксового газа:

. В трубчатых холодильниках.

. В холодильниках непосредственного действия.

Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки. В последнее время в качестве типовой применяется схема первичного охлаждения коксового газа в трубчатых холодильниках как более экономичная.

.2 Технологическая схема

Коксовый газ в смеси с водяными парами и химическими продуктами коксования (смолой, аммиака, бензольными углеводородами, сероводородом и другими компонентами) с температурой 650 - 700°С поступает из камер коксования (рис.1) через стояки в газосборники 1, соединенные между собой перекидным газопроводом.

Рис. 1 - Схема первичного охлаждения коксового газа

В коленах стояков и газосборниках газ орошается надсмольной водой, подаваемой в количестве 5 - 6 м на 1 т сухой шихты и распыляемой специальными форсунками. В результате этого происходит охлаждение газа от 650 - 700°С до температуры 80 - 85°С, частичная конденсация паров смолы, а также вымывание твердых частиц угля и кокса, которые, смешиваясь со смолой, образуют так называемые фусы. Количество образующихся фусов составляет 0,01 - 0,02% от массы сухой шихты.

Охлажденный в газосборниках коксовый газ вместе с надсмольной водой и смолой поступает в сепаратор 2, в котором происходит отделение от газового потока надсмольной воды и сконденсировавшейся смолы. Из сепаратора надсмольная вода поступает в механизированный осветлитель 3 для отстаивания от смолы и фусов, а коксовый газ из сепаратора направляется по газопроводу в первичные газовые холодильники 4.

Таким образом, первоначальная стадия охлаждения коксового газа осуществляется в коленах стояков и в газосборниках.

В результате охлаждения газа в газосборниках происходят следующие процессы:

. Испарение части надсмольной воды в коксовый газ, при этом точка росы коксового газа увеличивается от 65 - 70°С до 80 - 85°С.

. Конденсация паров смолы в количестве от 50 до 60% от общих ее ресурсов в коксовом газе.

. Выделение фусов.

В трубчатых газовых холодильниках 4 коксовый газ подвергается дальнейшему охлаждению технической водой.

Охлаждающая вода поступает в трубное пространство холодильников, а коксовый газ - в межтрубное пространство. При температуре входящей технической воды 20 - 28°С коксовый газ охлаждается до 25 - 35°С. Выводимая из холодильника нагретая до 45°С техническая вода охлаждается на градирне и вновь поступает в холодильники.

Таким образом, в трубчатых газовых холодильниках происходит вторая стадия первичного охлаждения коксового газа.

При этом происходят следующие процессы:

. Конденсация водяных паров из коксового газа до состояния насыщения его при температуре 25 - 35°С.

. конденсация и выделение остатка паров смолы в количестве от 40 до 50% от общих ресурсов их в коксовом газе; однако в коксовом газе остается еще туманообразная смола в количестве 1,5 - 2 г/м коксового газа, которая в дальнейшем выделяется в нагнетателях и электрофильтрах.

. Частичная абсорбция из коксового газа аммиака, углекислоты, сероводорода, синильной кислоты и других компонентов, образующимся конденсатом воды.

. Выделение нафталина из коксового газа и поглощение его конденсирующейся каменноугольной смолой.

Из трубчатых газовых холодильников охлажденный коксовый газ поступает в нагнетатели 5 и под избыточным давлением 2500 - 3000 мм вод.ст. направляется в электрофильтры 6 для выделения остатков смолы. Иногда электрофильтры располагают до нагнетателей, т.е. на стороне всасывания.

О преимуществах и недостатках обоих вариантов установки электрофильтров будет сказано ниже.

В электрофильтрах из коксового газа выделяется примерно 98% содержащейся в нем туманообразной смолы.

Очищенный от смолы коксовый газ направляется далее в аппаратуру для улавливания химических продуктов коксования (сульфатное и бензольное отделение и цех сероочистки).

Таков путь движения коксового газа.

Переходим к описанию движения надсмольной воды. Как было сказано выше, надсмольная вода вместе со смолой и фусами из сепаратора 2 поступает самотеком в механизированный осветлитель 3, в котором осуществляется процесс их разделения на три слоя: верхний - надсмольная аммиачная вода плотностью 1,01 - 1,02 кг/л; средний - каменноугольная смола плотностью 1,17 - 1,18 кг/л и нижний, представляющий собой фусы плотностью около 1,25 кг/л.

Надсмольная вода из механизированного осветлителя 3 поступает в промежуточный сборник для воды 7, из которого центробежным насосом 8 подается в газосборники для охлаждения коксового газа. Таким образом, замыкается циклнадсмольной воды: газосборники → сепаратор → механизированный осветлитель → промежуточный сборник → газосборники.

Отделенная от воды каменноугольная смола (содержащая до 2% воды) из механизированного осветлителя самотеком поступает в промежуточный сборник для смолы 9, из которого насосом 18 подается в сборник смолы 10.

На новых КХП вместо промежуточного сборника 10 устанавливают второй механизированный осветлитель, в котором смола дополнительно отстаивается от фусов. Фусы из механизированного осветлителя 3 непрерывно удаляются скребковым транспортером через бункер, из которого периодически направляются в отвал.

Рассмотрим движение конденсата, образующегося в трубчатых холодильниках при охлаждении коксового газа. Конденсат воды и смолы из межтрубного пространства трубчатых холодильников проходит через гидрозатвор 11 в промежуточный сборник 12, из которого центробежным насосом 13 подается в отстойник 14 для отделения воды от смолы.

Конденсаты воды и смолы из нагнетателей, газопроводов и электрофильтров через соответствующие гидрозатворы поступают также в отстойник 14 или в специальный промежуточный сборник для конденсата.

Из нижней части отстойника 14 смола через смолоотводчик поступает в сборник смолы, из которого насосом 15 направляется на склад.

Осветленная надсмольная вода из верхней части отстойника 14 поступает в хранилище избыточной воды 16, из которого насосом 17 подается для переработки в аммиачно-известковую дистилляционную колонну.

Вследствие частичного испарения надсмольной воды в газосборниках и перехода ее в парообразном состоянии в коксовый газ баланс надсмольной воды в цикле газосборников будет отрицательным. Поэтому необходимо непрерывно пополнять цикл надсмольной воды газосборников конденсатом трубчатых холодильников. Для этого часть воды из отстойника 14 по трубопроводу 19 поступает в промежуточный сборник воды 7.

Обычно газ из двух батарей коксовых печей объединяется в один газовый поток и направляется для первичного охлаждения коксового газа по отдельному газопроводу.

Таким образом, каждый газовый поток имеет свою охлаждающую и конденсационную аппаратуру.

.3 Назначение и конструкция газосборника

В настоящее время коксовые батареи оборудуют двумя газосборниками с машинной и коксовой стороны, соединенные между собой перекидным газопроводом. Установка двух газосборников способствует более равномерному отсасыванию коксового газа из печей, поддержанию в них оптимального давления и обеспечивает лучшие условия для бездымной загрузки.

Основное назначение газосборников заключается в следующем:

. Собирание коксового газа, выделяющегося из камер коксования печей в течение всего периода коксования, и выравнивание его состава.

. Охлаждение коксового газа от температуры 650 - 700°С до 80 - 85°С путем орошения его в газосборнике распыленной надсмольной водой.

Газосборник представляет собой горизонтальный коллектор диаметром 1200 - 1500 мм, укладываемый вдоль батареи на кронштейнах анкерных колонн.

В газосборниках предусмотрены штуцеры для подсоединения стояков, газосбросных свечей и гидрозатворов. Для облегчения схода фусов газосборники устанавливают с уклоном, равным 0,006. В центре каждого газосборника имеется тройник для присоединения перекидного газопровода.

Коксовый газ из камер коксования поступает в газосборники через стояки, которые при помощи колен соединены с газосборником. В колене стояка установлен тарельчатый клапан, посредством которого камера может быть отключена от газосборника. В верхней части колена стояка предусмотрено отверстие для подвода пара, необходимого для бездымной загрузки камер коксования шихтой.

В газосборнике газ орошается мелкораспыленной водой, подаваемой через форсунки, установленные в газосборнике. Для облегчения схода смолы из газосборника охлаждение коксового газа в нем осуществляется горячей водой. Кроме того, орошение горячей водой обеспечивает испарение воды в газ, а, следовательно, охлаждение газа меньшим количеством воды. Обычно температура водоы, поступающей в газосборник, выше точки росы поступающего в него газа и составляет 70 - 75°С.

Надсмольная вода вместе со смолой и фусами выводится из газосборников через соответствующие гидрозатворы.

.4 Назначение и конструкция холодильников

Основное назначение первичных трубчатых газовых холодильников заключается в охлаждении коксового газа после газосборников с помощью технической воды.

Охлаждение газа в трубчатых газовых холодильниках осуществляется через поверхность теплопередачи, состоящую из вертикальных или горизонтальных труб. В соответствии с этим применяют трубчатые холодильники с вертикальным или горизонтальным расположением труб.

В процессе охлаждения коксового газа в этих холодильниках происходит конденсация значительной части воды, выделение из газа смолы, а также растворение в образующемся конденсате некоторого количества аммиака, сероводорода и углекислоты. Кроме того, происходит выделение значительного количества нафталина.

Трубчатый холодильник с горизонтальным расположением трубок показан на рис.2.

Корпус холодильника имеет прямоугольное сечение. Трубы в холодильнике расположены горизонтально, в виде отдельных пучков, ввальцованных в решетки по обе боковые стороны холодильника. Всего в холодильнике 59 пучков труб.

В этом холодильнике газ движется сверху вниз, а вода подается снизу и выходит сверху; при этом вследствие горизонтального расположения труб осуществляется перекрестное движение газа и воды.

Рис. 2 - Газовый холодильник с горизонтальными трубками

Таблица 1 Характеристика типового холодильника с горизонтальным расположением труб

2. Площадь поперечного сечения: для прохода газа труб в одном ходе         2,15 0,1864        м

4. Поверхность теплопередачи: одного пучка труб всего холодильника       50 2 950              м

Образующийся при охлаждении газа конденсат (вода и смола) стекает по трубам сверху и через гидрозатвор отводится в сборник конденсата.

Осуществляемое в данном холодильнике движение газа и конденсата сверху вниз является более рациональным, чем движение газа в многоходовом холодильнике с вертикальными трубами, так как при выпадении в нижней части холодильника нафталина последний может растворяться стекающей вниз смолой. Для смыва оставшихся отложений нафталина со стенок предусмотрена подача в верхнюю часть холодильника надсмольной воды и в нижнюю часть - смолы. Предусмотрена также подача пара для пропарки межтрубного пространства.

Скорость движения воды в этом холодильнике составляет 0,5 - 0,7 м/с, что значительно больше, чем в холодильнике с вертикальными трубами, где скорость воды менее 0,1 м/с.

Все эти обстоятельства обеспечивают более высокий коэффициент теплопередачи в холодильнике с горизонтальными трубами, чем в холодильнике с вертикальными трубами.

Охлаждение газа в этом холодильнике может осуществляться не только технической водой, но и другими жидкостями, в частности поглотительным раствором сероочистки. Распределение поверхности охлаждаемой технической водой и раствором сероочистки путем перестановки разделительной крышки.

Холодильник с горизонтальными трубами требует обязательной подготовки технической воды, для взвесей и временной жидкости, т. к. доступ к трубам затруднен, что является недостатком этих холодильников.

.5 Характеристика нагнетателей для коксового газа

Нагнетатели служат для отсасывания газов из коксовых печей и создания напора, необходимого для продвижения газа через аппаратуру химических цехов и газопроводы. Аппаратура и газопроводы, расположенные до нагнетателей, находятся под разрежением, а после них - под давлением.

Сопротивления отдельных участков газопроводов и аппаратуры представлены в таблице 2.

Таблица 2 Отдельных участков газопроводов и аппаратуры

При избыточном давлении после нагнетателей 2500 мм вод. ст. и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. общее давление будет равно 760+=944 мм рт. ст.

На каждый газовый поток от двух батарей коксовых печей устанавливают один нагнетатель, а на два газовых потока от четырех батарей - два рабочих нагнетателя и один резервный. Нагнетатели - центробежного типа, приводимые в движение паровой турбиной или электродвигателем.

В нагнетателях происходит частичное выделение туманообразной смолы до содержания 0,2 - 0,5 г/м. Выделившаяся в нагнетателях смола стекает через специальные спускные линии в гидравлический затвор. Вследствие сжатия газа в нагнетателях выделяется тепло, которое повышает температуру выходящего газа. Некоторая часть тепла теряется через корпус нагнетателя наружу, но она очень мала в сравнении с общим количеством выделяющегося тепла при сжатии газа, вследствие чего сжатие газа можно приближенно считать адиабатическим. После нагнетателей температура газа обычно повышается на 10 - 15°С в зависимости от суммарного напора.

.6 Назначение и конструкция электрофильтров

В первичных газовых холодильниках не достигается полного выделения смолы из коксового газа и содержание смолы в нем составляет 2 - 5 г/м. Некоторое количество смолы выделяется в нагнетателе, однако и после него в газе остается до 0,5 г/мсмоляного тумана. Такое содержание смолы является нежелательным, т.к. она ухудшает качество поглотительного масла, идущего на поглощение бензольных углеводородов, и качество сульфата аммония, получаемого при поглощении аммиака из коксового газа. В связи с этим очистка коксового газа от оставшегося смоляного тумана является необходимой.

Очистка коксового газа от смоляного тумана осуществляется на КХП в электрофильтрах, достоинством которых является высокая степень очистки, достигающая 98 - 99%, малый расход электроэнергии и небольшое гидравлическое сопротивление.

Электрофильтры на КХП устанавливают как на всасывающей стороне, т.е. после первичных газовых холодильников, так и на стороне нагнетания, т.е. после нагнетателей. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки.

На большинстве действующих КХП электрофильтры установлены после нагнетателей. В последних проектах электрофильтры устанавливают до нагнетателей.

Конструкция электрофильтра показана на рис. 3. Коксовый газ входит через штуцер, проходит две распределительные решетки и поступает в осадительные электроды - трубы, подвешенные к трубной решетке. Распределительные решетки служат для равномерного распределения газа по всему сечению осадительных труб.

По оси каждой осадительной трубы проходят коронирующие электроды, подвешенные к верхней раме. Для натяжения коронирующих проводов к нижним концам привязан груз. Верхняя рама с помощью трех тяг подвешена к гирляндам изоляторов, заключенных в изоляторные коробки. Для подогрева стекающей с осадительных электродов выделившейся смолы коническая часть электрофильтров снабжена паровой рубашкой. Смола из электрофильтра отводится через гидрозатвор.

Ток высокого напряжения подают к коронирующим электродам от выпрямительного агрегата.

Электростатическое поле внутри осадительных труб создается постоянным током высокого напряжения, получаемым с помощью механического выпрямителя.

Рис. 3 - Электрофильтр

Расчетная часть

.1 Расчет материального баланса коксования угольной шихты

Материальный баланс коксования составляется на основании закона сохранения массы вещества

,

где - сумма массы угольной шихты (исходных продуктов) и количества влаги, поступившей с ней в коксовые печи;

- сумма массы кокса, влаги шихты, пирогенетической воды, газа, смолы и других химических веществ (конечных продуктов), полученных при коксовании угольной шихты.

Для расчета возьмем шихту следующего состава по маркам применительно к донецким углям, %: Г - 32%, Ж - 33%, К - 25%, ОС - 10%. Шихта предназначена для получения доменного кокса на КХП без углеобогатительной фабрики, поэтому она состоит из обогащенных углей, получаемых заводом с ЦОФ. Данные для расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3 Состав шихты по маркам и качество углей, выбранных для расчета

Показатели технического анализа подсчитываем, исходя из правила аддитивности.

Определим содержание в рабочей шихте, %:

влаги

;

серы

;

золы

.

.

Выход летучих веществ шихты на горючую массу составит, %:

;

.

Показатели элементного анализа:

;

;

.

В процессе термической переработки углей образуются химические продукты коксования, выход которых определяется с применением коэффициентов перехода отдельных элементов в газообразные соединения. Одновременно образуются сложные соединения, например ароматические углеводороды и другие вещества, для расчета которых также применяются коэффициенты, основанные на практических данных, зависящие от условий коксования и состава шихты.

.2 Расчет материального баланса коксования для проектируемого завода

Расчет материального баланса коксования можно вести для различного количества коксуемой шихты, но наиболее удобно вести расчет на 1000 кг сухой шихты. Материальный баланс состоит из двух частей - приходной (сухая шихта и влага шихты) и расходной (кокс валовый, коксовый газ и все улавливаемые из него химические продукты коксования, выход которых из шихты не ниже 0,1%). К ним относятся: каменноугольная смола, сырой бензол, аммиак, сероводород, влага шихты, вода пирогенетическая.

Важной статьей материального баланса является его «невязка», показывающая, насколько точно сделан его расчет.

. Под валовым коксом понимается сумма крупного кокса, коксового орешка и коксовой мелочи, получаемых при сортировке рядового кокса, а также коксовый шлам, улавливаемый из отстойников башни тушения. Выход сухого валового кокса из сухой шихты подсчитываем по формуле

,

где - выход летучих веществ шихты на сухую массу, %;

- выход летучих веществ валового кокса на сухую зольную массу, % (=1%);

П - припек кокса, определяемый по формуле:

.

Для нашего расчета величина припека составляет, %:

.

По опытным данным величина П находится в пределах от 3 до 5%.

.

Выход сухого валового кокса на рабочую шихту пересчитываем по формуле, %:

,

т.е. 725,6 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Коксовый газ обратный (сухой) из сухой шихты подсчитываем по формуле:

,

где - выход обратного газа из сухой шихты, % (по массе);

К - эмпирический коэффициент, равный 2,85.

Тогда

.

,

или 132 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Выход смолы безводной из сухой шихты подсчитываем по формуле:

,

где  - выход смолы безводной, в пересчете на сухую шихту, %;

К - эмпирический коэффициент, равный 0,93.

Тогда

.

,

или 31,8 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Выход сырого бензола определяется по формуле

,

где К - эмпирический коэффициент, равный 0,95.

Тогда

;

,

или 9,1 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Выход 100%-ного аммиака из рабочей шихты подсчитываем по формуле

,

где b - коэффициент перехода азота шихты в аммиак (принимаем b=0,137);

- молекулярная масса аммиака;

- молекулярная масса азота;

- содержание азота в рабочей шихте, % (для нашего примера =1,66%).

Тогда

,

или 1,1 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Выход серы в пересчете на сероводород из рабочей шихты подсчитываем по формуле

,

где  - коэффициент перехода серы шихты в сероводород (принимается равным 0,22);

- молекулярная масса сероводорода;

- атомная масса серы;

 - содержание серы в рабочей шихте, %.

Тогда

,

или 2,1 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Влагу шихты, испаряющуюся в камерах коксования, подсчитываем по формуле

 кг из 1000 кг рабочей шихты.

. Выход пирогенетической воды из рабочей шихты подсчитываем по формуле

,

где - коэффициент перехода кислорода шихты в пирогенетическую воду (принимается равным 0,436);

- молекулярная масса воды;

- атомная масса кислорода;

- содержание кислорода в рабочей шихте, %.

Тогда

кг из 1000 кг рабочей шихты.

. По разности между приходной и расходной частями находим невязку баланса: 1000-(725,6+132+31,8+9,1+1,1+2,1+72+29,3)=3кг, т.е. 0,3%. Невязка баланса считается допустимой до 0,5%. Для действующего завода невязка баланса считается потерями производства. Чтобы эти потери были минимальными, необходимо выявлять причины невязки баланса и устранять их.

Далее находим коэффициент озоления:

.

Тогда содержание золы в коксе будет .

Полученные результаты расчета заносятся в таблицу по принятой форме (таблица 4), называемой сводным балансом, где приводят данные на сухую и рабочую массу.

Таблица 4 Сводный материальный баланс коксования угольной шихты

.3 Расчет газосборника

.3.1 Исходные данные для расчета

Количество сухой шихты, коксуемой в двух батареях коксовых печей, 1*10 т/год или 114,16 т/ч; влажность шихты 7,2 %.

Выход основных продуктов коксования в процентах по массе на сухую шихту представлен в таблице 5.

Таблица 5 Выход основных продуктов коксования

Состав сухого кокосового газа (за вычетом бензольных углеводородов, сероводорода и аммиака) представлен в таблице 6.

Таблица 6 Состав сухого коксового газа

57,9

,2

,0

,6

,2

,5

.3.2 Материальный расчет

Количество влажной шихты, коксуемой в час, составляет

 т/ч.

Влага шихты  т/ч.

В газосборники поступает следующее количество газообразных продуктов коксования:

По массе, кг/ч:

. Сухой коксовый газ 114,16*10*0,1422=16 233,55

. Водяные пары 114,16*10*0,0318+8,86*10=12 490,29

. Пары смолы 114,16 *10*0,0343=3 915,69

. Бензольные углеводороды 114,16*10*0,0098=1 118,77

. Сероводород 114,16*10*0,0022=251,15

. Аммиак 114,16*10*0,0016=182,66

Итого: 34192,11 кг/ч.

По объему, м/ч:

. Сухой коксовый газ:

,

где  кг/м - плотность сухого коксового газа, определенная по составу газа:

 кг/м.

 м/ч.

. Водяные пары:

,

где  л/моль - молярный объем;

 г/моль - средняя молярная масса водяных паров.

 м/ч.

,

где  г/моль - средняя молярная масса смолы.

 м/ч.

. Бензольные углеводороды:

,

где  г/моль - средняя молярная масса бензольных углеводородов.

 м/ч.

. Сероводород:

.

 м/ч.

. Амммак:

.

 м/ч.

Итого: 55 060,75 м/ч.

Принимаем, что в газосборниках конденсируется 60% смолы, содержащейся в поступающем газе. Тогда количество конденсирующейся смолы будет равно:

 кг/ч.

Количество паров смолы, выходящих из газосборников равно:

кг/ч

или по объему  м/ч.

Обозначим количество воды (кг/ч), испарившейся в газосборнике через G. Это составляет по объему в парообразном состоянии 1,245G м/ч.

Из газосборника выходит следующее количество газообразных продуктов, представленное в таблице 7.

Таблица 7 Количество газообразных продуктов, выходящих из газосборника

Величину G определяем в дальнейшем по тепловому балансу газосборника.

.3.3 Тепловой расчет

Приход тепла

. Тепло, вносимое в газосборники коксовым газом.

.1. Тепло, вносимое сухим коксовым газом:

,

где °С - температура входящего газа;

 - средняя теплоемкость сухого коксового газа в пределах температур 0 - 650°С, которая может быть определена по составу газа и средним теплоемкостям компонентов:

 ккал/(м∙град) = 1,642 кДж/(м∙град)

теплоемкость по массе:= ккал/(кг∙град) = 3,624 кДж/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.2. Тепло, вносимое водяными парами:

,

где 595 - энтальпия водяных паров при 0°С, ккал/кг;

=0,484 ккал/(кг∙град) теплоемкость водяных паров в пределах 0 - 650°С.

Тогда

 кДж/ч.

.3. Тепло, вносимое парами смолы:

,

где 88 - энтальпия паров смолы при 0°С, ккал/кг;

 - теплоемкость паров смолы, определяемая по формуле:

ккал/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.4. Тепло, вносимое бензольными углеводородами:

,

где  - теплоемкость паров бензольных углеводородов, определяемая по формуле:

 , где M - средняя молекулярная масса бензольных углеводородов;

ккал/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.5. Тепло, вносимое сероводородом:

,

где  ккал/(кг∙град) - теплоемкость сероводорода в пределах 0 - 650°С.

Тогда

 кДж/ч.

.6. Тепло, вносимое аммиаком:

,

где  = 0,624 ккал/(кг∙град) - теплоемкость аммиака.

 кДж/ч.

Общее количество тепла, вносимое газом в газосборники:

Q=95 097 399,24 кДж/ч.

. Тепло, вносимое в газосборники надсмольной водой, поступающей для охлаждения газа:

,

где  - количество поступающей надсмольной воды, кг/ч;

 - температура поступающей воды, °С.

Количество надсмольной воды, поступающей в газосборники, принимаем равным 5,5 м на 1 т сухой шихты, что составляет:

 м/ч.

Минимальную температуру надсмольной воды, подаваемой в газосборники, определяем по точке росы газа, поступающего в газосборники.

Парциальное давление водяных паров в газе, поступающем в газосборники при общем давлении 760 мм рт. ст., составит

 мм рт. ст.,

что соответствует минимальной температуре воды 68°С.

Действительная температура должна быть выше точки росы поступающего газа на 5 - 10 градусов для обеспечения движущей силы испарения воды в газ. Принимаем температуру поступающей воды равной 75°С.

Тогда

 кДж/ч.

Общее количество тепла, вносимое в газосборники:

 кДж/ч.

Расход тепла

. Тепло, уносимое коксовым газом из газосборников.

.1. Тепло, уносимое сухим коксовым газом:

,

где °С - температура выходящего газа (в дальнейшем эта температура проверяется);

 - средняя теплоемкость сухого коксового газа в пределах температур 0 - 79°С, которая может быть определена по составу газа и средним теплоемкостям компонентов:

 ккал/(м∙град) = 1,4 кДж/(м∙град)

теплоемкость по массе: = кДж/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.2. Тепло, уносимое водяными парами:

,

где 595 - энтальпия водяных паров при 0°С, ккал/кг;

= 0,438 ккал/(кг∙град) = 1,84 кДж/(кг∙град) - теплоемкость водяных паров в пределах 0 - 72°С.

Тогда

 кДж/ч.

.3. Тепло, уносимое парами смолы:

,

где 88 - энтальпия паров смолы при 0°С, ккал/кг;

 - теплоемкость паров смолы, определяемая по формуле:

ккал/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.4. Тепло, уносимое бензольными углеводородами:

,

где  - теплоемкость паров бензольных углеводородов, определяемая по формуле:

 , где M - средняя молекулярная масса бензольных углеводородов;

ккал/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

.5. Тепло, уносимое сероводородом:

,

где  ккал/(кг∙град) - теплоемкость сероводорода в пределах 0 - 72°С.

Тогда

 кДж/ч.

.6. Тепло, уносимое аммиаком:

,

где  = 0,503 ккал/(кг∙град) - теплоемкость аммиака.

 кДж/ч.

Общее количество тепла, уносимое газом из газосборников:

Q=38 853 172,04+2636,57G кДж/ч.

. Тепло, уносимое из газосборников надсмольной водой и сконденсировавшейся смолой:

,

где  - температура выходящих из газосборников надсмольной воды и смолы. Эта температура принимается на 2-3 град выше температуры воды, поступающей в газосборники. Принимаем = 78°С.

 - теплоемкость смолы, определяемая по формуле:

 ккал/(кг∙град) = 1,471 кДж/(кг∙град).

Тогда

 кДж/ч.

. Тепло, теряемое газосборниками в окружающую среду. Потери тепла в окружающую среду могут быть определены по формуле:

,

где  - коэффициенты теплоотдачи от стенки газосборника к воздуху конвекцией и излучением. Эта величина может быть определена суммарно по приближенной формуле:

,

где  - температура наружной стенки газосборника; по практическим данным принимается для летних условий равной 120°С, тогда

=8+0,05*120=14 ккал/(м∙ч∙град) = 58,66 кДж/(м∙ч∙град).

°С - температура воздуха.

Поверхность двух газосборников на двух батареях коксовых печей при диаметре газосборника 1,5 м и длине каждого из них 101 м будет равна:

 м.

Тогда

 кДж/ч.

Таким образом, общий расход тепла равен:

.

Приравнивая приход и расход тепла, получим:

=;

G = 13630,05 кг/ч или 13630,05 =16961,84 м/ч.

Тогда общий объем водяных паров, выходящих из газосборников, будет равен

543,47+16961,84 = 30 505,31 м/ч,

а общий объем всех газов

751,18+16961,84 = 71 713,02 м/ч.

Парциальное давление водяных паров на выходе из газосборников будет равно

 = 344,48,

что соответствует точке росы, равной 79°С.

Следовательно температура выходящего газа из газосборников была принята правильно.

На основании проведенных расчетов в таблице 8 приведен материальный, а в таблице 9 тепловой балансы газосборников.

Таблица 8 Материальный баланс газосборников

Таблица 9 Тепловой баланс газосборников

Интерес представляет анализ статей теплового баланса газосборника. Для этого составлен тепловой баланс в таблице 10, содержащий расчеты количества полученного и израсходованного тепла.

Таблица 10 Тепловой баланс газосборников

Таким образом, на нагрев и испарение воды расходуется 80 % от всего тепла, полученного от охлаждения газа. Потери тепла наружу составляют 18,8 %; от общего же балансового тепла, представленного в таблице 9, потери тепла составляют 3,6 %.

Диаметр газосборника определяем исходя из фактического объема газа, выходящего из газосборников и скорости газа, равной 4 м/с.

Объем выходящего газа равен

71 720,59 = 92 474,9 м/ч.

Тогда из одной батареи выходит газа 46 237,45 м/ч и через один газосборник 23 118,73 м/ч, в одном направлении 11 559,35 м/ч.

Таким образом, сечение газосборника

м,

откуда D=1 м.

.4 Расчет газового холодильника с горизонтальным расположением труб

.4.1 Материальный расчет

Первичные газовые холодильники устанавливаются на газовый поток, идущий от двух батарей коксовых печей.

Количество газов, поступающих в холодильники, показано в таблице 11.

Таблица 11 Количество газов, поступающих в холодильники

Температура газа 79°С, давление 760 мм рт. ст.

Принимаем, что температура газа на выходе из холодильника равна 30°С и давление 745 мм рт. ст. Принимаем также, что в холодильнике конденсируется вся смола, имеющаяся в газе.

Объем водяных паров на выходе из холодильника определяем из уравнения

,

где  - объем сухого газа на выходе из холодильника, м/ч;

p - упругость водяных паров при 30°С, p = 31,8 мм рт. ст.;

P - общее давление газа на выходе из холодильника, мм рт. ст.

=71 720,59 - 206,38 - 32 512,88 = 39 001,33 м/ч,

тогда  м/ч

и по массе  кг/ч.

Следовательно, в холодильнике конденсируется водяных паров в количестве 26 120,34 - 1397,4 = 24 722,94 кг/ч.

Количество аммиачной воды, идущей на переработку, равно

490,29 -1397,4 =11 092,89 кг/ч,

где 12 490,29 - количество влаги шихты и пирогенетической воды, кг/ч;

,4 - количество водяных паров, уносимых из холодильника газом, кг/ч.

Разница между количеством конденсирующегося водяного пара 24 722,94 кг/ч и перерабатываемой воды 11 092,89 кг/ч, равная 13 630,05 кг/ч, идет на пополнение цикла воды газосборников.

Схема материальных потоков показана на рисунке 4.

Рис. 4 - Схема материальных потоков надсмольной воды при первичном охлаждении коксового газа

В аммиачной воде, идущей на переработку, растворяется некоторое количество аммиака, сероводорода и двуокиси углерода. Согласно практическим данным в конденсате этих холодильников содержится аммиака от 8 до 12 г/л, сероводорода от 2 до 4 г/л, двуокиси углерода 3 - 4 г/л.

В соответствии с этим в аммиачной воде, идущей на переработку в количестве 11 092,89 кг/ч, растворяется:

аммиака 11 092,89 *0,01=110,93 кг/ч;

сероводорода 11 092,89 *0,003=33,28 кг/ч;

двуокиси углерода 11 092,89 *0,0035=38,83 кг/ч.

Материальный баланс холодильника приведен в таблице 12.

Таблица 12 Материальный баланс холодильника

.4.2 Тепловой расчет

Приход тепла

. Тепло, вносимое в холодильник коксовым газом согласно расчету газосборников:

38 239 750,38 кДж/ч.

. Тепло, вносимое охлаждающей водой:

,

где W - количество технической воды, поступающей в холодильник, кг/ч;

 - температура поступающей воды, равная 20 - 28°С.

Принимаем =24°С, тогда

24W.

Общий приход тепла 38 239 750,38+24W.

Расход тепла

. Тепло, уносимое коксовым газом:

.1 Тепло, уносимое сухим коксовым газом:

 16 194,72*0,688*4,19*30=1 400 545,3 кДж/ч,

где 0,688 - теплоемкость сухого коксового газа, ккал/(кг∙град).

.2 Тепло, уносимое водяными парами:

 1397,4*4,19*(595+0,434*30)= 3 560 021,55 кДж/ч,

где 0,434 - теплоемкость водяных паров, ккал/(кг∙град).

.3 Тепло, уносимое бензольными углеводородами:

 1 118,77*4,19*0,246*30=34 594,83 кДж/ч,

где 0,246 - теплоемкость бензольных углеводородов, ккал/(кг∙град).

.4 Тепло, уносимое сероводородом:

 217,87*0,235*4,19*30=6 435,77 кДж/ч,

где 0,235 - теплоемкость сероводорода, ккал/(кг∙град).

.5 Тепло, уносимое аммиаком:

 71,73*0,493*4,19*30=4 445,12 кДж/ч,

где 0,493 - теплоемкостьаммиака, ккал/(кг∙град).

Общее количество тепла, уносимое газом:

 5 006 042,57 кДж/ч.

. Тепло, уносимое конденсатом воды и смолы:

(24 722,94+183,04+1 566,28*0,343)*4,19*51=5 436 960,41 кДж/ч,

где С=0,327+0,31*10*51=0,343 ккал/(кг∙град) - теплоемкость жидкой смолы при 48°С,

и средняя температура конденсации водяных паров

°С.

. Тепло, уносимое охлаждающей водой:

45W,

где 45 - температура выходящей воды, °С.

Общее количество тепла, уносимое из холодильника:

10 443 002,98+45W.

Приравнивая приход и расход тепла, найдем расход воды на охлаждение газа в холодильнике

239 750,38+24W=10 443 002,98+45W,=1 323 654,64 кг/ч или 1 324 м/ч,

что составляет на 1000 м сухого газа в час

 м.

На основании произведенных расчетов составляем тепловой баланс холодильников (таблица 13).

Таблица 13 Тепловой баланс холодильника

.4.3 Определение потребной поверхности теплопередачи холодильников

Первичные трубчатые холодильники соединяют между собой параллельно, так как при этом гидравлическое сопротивление их значительно меньше, чем при последовательном соединении.

Принимаем 2 параллельно работающих холодильника.

Коэффициент теплопередачи от охлаждающегося газа к воде определяем по уравнению

 ккал/(м∙ч∙град),

где  - коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, ккал/(м∙ч∙град);

 - коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде, ккал/(м∙ч∙град);

 - термическое сопротивление загрязнений на металлической поверхности, принимаемое равным 0,001 /(м∙ч∙град)/ккал.

Коэффициент теплоотдачи  определяем по формуле

,

где x - среднее содержание водяных паров в газовой смеси, % объемн.,

%,

=1,69+0,0246*24,81=2,3,

отсюда =100 ккал/(м∙ч∙град).

Коэффициент теплоотдачи  определяем по формуле

,

где .

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки к воде определяем скорость движения воды, принимая два параллельно работающих холодильника и сечение труб в пучке 0,1864 м и диаметр труб 57/3,5 мм.

Тогда скорость движения воды будет равна

м/с.

При средней температуре технической воды, равной 34,5°С, вода имеет следующие физические свойства:

удельная теплоемкость С=0,998 ккал/(кг∙град);

коэффициент теплопроводности λ=0,538 ккал/(м∙ч∙град);

динамическая вязкость Z=0,733 спз;

плотность ρ=995 кг/м.

Тогда число Рейнольдса

.

Число Прандтля

.

Тогда число Нуссельта

,

где φ=1 для Re = 67193,04.

α2 = ккал/(м2∙ч∙град).

Коэффициент теплопередачи получается равным

кДж//(м∙ч∙град).

Средняя разность температур в теплопередаче между газом и водой равна

°С.

При средней разности температур 16,16 град и количестве передаваемого тепла Q=59 564 458,8- 31 767 711,36=27 796 747,44 кДж/ч необходимо иметь поверхность теплопередачи

м.

Так как поверхность охлаждения одного холодильника равна 2950 м, то необходимо иметь рабочих холодильников 1,8 или 2 холодильника, что соответствует принятому числу холодильников при определении скорости движения воды.

Удельная поверхность на 1000 м сухого газа в час составляет

м.

.5 Определение необходимой мощности на валу нагнетателей

Для определения необходимой мощности на валу нагнетателей принимаем суммарный напор равным 3000 мм рт. ст., из них всасывание 500 мм рт. ст. и нагнетание 2500 мм рт. ст.

Таким образом, давление на всасе равно

мм рт. ст.

и давление нагнетания

мм рт. ст.

Объем газа, поступающего в нагнетатель при условиях всасывания =723 мм рт. ст. и температуре 30°С, равен

 м/ч,

где 40568,34 - объем газа, выходящего из газового холодильника.

Необходимую мощность на валу нагнетателя определяют по следующей формуле:

, кВт,

где Р - абсолютное давление всасывания, ат;

Р - абсолютное давление нагнетания, ат;

V - объем газа в условиях всасывания, м/ч.

Тогда

 кВт.

Мощность привода к нагнетателю должна быть более необходимой мощности на валу на 15% для паровой турбины и на 25 - 30% при приводе от электродвигателя из-за возможной перегрузки в случае отклонений условий работы нагнетателей.

Температура газа после нагнетателя может быть определена по уравнению

или

К = 53 град.

Таким образом, нагрев газа в нагнетателе составляет 23°С. Практически нагрев газа в нагнетателе несколько меньше, т.к. часть тепла теряется наружу с поверхности нагнетателя.

.6 Расчет электрофильтра

Ниже приводится расчет электрофильтров при установке их после нагнетателей. При установке же электрофильтров до нагнетателей метод расчета не меняется.

В электрофильтр поступает газ после нагнетателя с температурой 49°С и под давлением 914 мм рт. ст.

Объем поступающего газа в этих условиях равен

V=40568,34 *=40 281,87 м/ч.

В принимаемом электрофильтре типа С-7,2 диаметр осадительного электрода 250 мм и коронирующего 2 мм. Тогда необходимая разность потенциалов между электродами должна быть равна

,

где R- радиус коронирующего электрода, см;

R- радиус трубы осадительного электрода, см;

Е - градиент напряжения, равный 4000 в/см.

Таким образом,

V=4000(12,5 - 0,1)=49 600 в, или округленно 50 000 в, или 5*10 эл.магн.ед.

Время движения частицы определяем по уравнению

,

,

здесь V - разность потенциалов в электромагнитных единицах;

е - заряд электрона 1,59*10 эл. магн. ед.;

η - вязкость газа 1,35*10 (кг∙сек)/м;

d - диаметр наименьших капель смолы, см; принимаем d=4*10 см;

l - средний пробег газовых молекул для коксового газа при 0°С, равный 1,12*10 см, а при 49°С

 см.

Тогда

 см/сек,

сек.

Принимаем, время нахождения газа в электрофильтре t=2,5 сек. Тогда необходимый объем труб электрофильтра равен

=40 281,87  м.

При длине одной трубы 3,5 м объем одной трубы будет равен 0,785*0,25*3,5=0,172 м.

Следовательно, требуемое количество труб будет равно

шт.

Принимаем два электрофильтра С-7,2 с числом труб 148 шт. Тогда фактическое время пребывания газа в электрофильтре будет равно

сек.

Средняя скорость движения газа в трубах электрофильтра

м/сек, что лежит в пределах нормы.

Расход энергии определяем по уравнению

, кВт,

где I - сила тока, а I=nLi;

n - число труб;

η- к.п.д., равный 0,85;

L - длина одной трубы 3,5 м;

i - плотность тока 0,5*10 а/м.

Тогда I=296*3,5*0,5*10=0,52 а.

Таким образом,

кВт,

что составляет на 1000 м газа в час кВт.

Заключение

В данном курсовом проекте была рассчитана установка первичного охлаждения коксового газа, включающая в себя газосборник, первичный газовый холодильник с горизонтальными трубами, нагнетатель для коксового газа, электрофильтр для очистки коксового газа от смолы. Количество рабочих газовых холодильников, необходимых для охлаждения коксового газа - 2, удельная поверхность на 1000 м сухого газа в час составляет 116 м.

Список использованных источников

1. Расчеты коксовых печей и процессов коксования с применением ЭВМ: Учеб. пособие / И.В. Вирозуб, Н.С. Ивницкая, Р.Е. Лейбович и др. - К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. - 303 с.

. Расчеты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Изд-во «Металлург», 1972, 2-е изд., 296 с.