Расчет абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК)

Расчет абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Исходные данные для расчета

. Характеристика исходного сырья и готового продукта

. Физико-химические основы процесса

. Описание технологической схемы очистки (абсорбции) фторсодержащих газов экстракции

. КИП и автоматизация

. Материальный баланс

.1 Материальный баланс процесса абсорбции в полом абсорбере

.2 Материальный баланс в аппарате АПС

. Тепловой расчет

. Расчет основных размеров аппарата

.1 Выбор конструкционного материала

.2 Расчет полого абсорбера

.3 Расчет аппарата АПС

.3.1 Диаметр абсорбера и скорость газа

.3.2 Расчет высоты слоя жидкости

.3.3 Высоты абсорбера

.3.4 Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера

. Выбор и расчет вспомогательного оборудования

.1 Расчет центробежного насоса для подачи орошающей жидкости (4 %-я H2SiF6) в полый абсорбер

.2 Расчет вентилятора

.3 Расчет диаметров трубопроводов

. Механический расчет

.1 Выбор штуцеров

.2 Расчет обечайки

. Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В условиях спада производства, которое переживает Россия с 1990 года, и нарастание социальных проблем внимание к охране окружающей среды свелось к минимуму. Произошедшие масштабные изменения обусловили сокращение объемов загрязнений природного комплекса. Однако экологические индикаторы снижаются медленнее, чем производственные. В настоящее время в России наблюдается рост показателей природоемкости, удельных выбросов загрязняющих веществ во многих отраслях промышленности и по многим видам продукции, в том числе и при производстве фосфорной кислоты, соли которой используются для производства большинства фосфорных и комплексных минеральных удобрений. Предприятиями по производству экстракционной фосфорной кислоты выбрасываются в атмосферу вредные загрязняющие вещества, максимально допустимые концентрации которых нередко значительно превышены. Поэтому необходимо повсеместно устанавливать оборудование, позволяющее улавливать вещества, присутствие которых в атмосфере недопустимо. Для этого необходимо использовать различные установки, такие как скрубберы, адсорберы, абсорберы и т.д.

Для удаления загрязнителей из воздуха наибольшее применение находит абсорбционный метод вследствие его простоты, экономичности, высокой степени очистки.

Абсорбция - процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Он представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую, что и определяет скорость данного массообменного процесса.

Цель данной курсовой работы состоит в расчете абсорбционной установки для улавливания фторгазов в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК).

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

1. Производительность абсорбера 200 тыс. м/ч.

. Состав газовой фазы на входе в абсорбер (% об.):

Н2О (пар) - 98,9;

воздух - 0,65;

фторгазы - 0,45

. Степень абсорбции фторгазов 95 %.

. Плотность орошения 3 .

. Скорость газа в абсорбере 1,5 м/с.

. Абсорбент:

на входе в абсорбер - 4 % водный раствор H2SiF6;

на выходе из абсорбера - 20 % водный раствор H2SiF6.

. Температура газа в абсорбере 55С.

. Давление газа в абсорбере 0,0982 МПа.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ И ГОТОВОГО ПРОДУКТА

При производстве фосфорной кислоты экстракционным методом происходит выделение соединений фтора (в виде SiF4 и HF) в газовую фазу, для улавливания которого на стадии абсорбции отходящих газов применяется 4 % плавиковая кислота (H2SiF6), но после улавливания фтор-соединений ее концентрация увеличивается до 20 %

Тетрафторсилан (SiF4) применяется для получения кремнефтористоводородной кислоты и кремнефторидов. Бесцветный газ с удушливым запахом. Термически стоек. Во влажном воздухе образуется густое облако. Наблюдается раздражение слизистых глаз и дыхательных путей.

Фтороводород (HF) - бесцветный газ. Температура плавления 87,2С; температура кипения - 19,9С; плотность 0,9885 (13С). Интенсивно реагирует с большинством элементов и их окислами, разрушает стекло и фарфор, слабо действует на свинец и медь. Сильно раздражает верхние дыхательные пути. При высоких концентрациях - раздражение глаз и слизистой носа. Исходом отравлений могут быть бронхиты, пневмосклероз; при очень высоких концентрациях - спазм гортани и бронхов.

У человека наблюдалось отравление при 6 - 10-минутном пребывании в атмосфере, содержавшей 0,40 - 0,43 мг/м.

Предельно допустимая концентрация фтороводорода 0,5 мг/м.

Индивидуальная защита: фильтрующий противогаз марки В, при наличии тумана кислоты - с фильтром; резиновые перчатки, фартуки, сапоги.

Теплота растворения 20 г HF в 400 молях воды составляет 11,56 ккал.

Кремнефтористоводородная кислота (H2SiF6) - молекулярный вес равен 144.

В чистом виде кремнефтористоводородная кислота выделяется из концентрированных растворов в виде бесцветных кристаллов H2SiF6, плавящихся при температуре + 19С. В парах H2SiF6 диссоциирует на HF и SiF4, причем, в газовой фазе, находящейся в равновесии с жидкостью, отношение содержания HF: SiF4 не равно стехиометрическому отношению в H2SiF6, так как при температуре кипения растворов H2SiF6 с концентрацией больше 13,3 % в парах преобладает SiF4, при меньших концентрациях - HF.

Общее содержание фтора в газовой фазе над раствором дано в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Содержание фтора в газовой фазе над растворами H2SiF6 в зависимости от температуры и концентрации.

Температура, СКонцентрацияSiF6, г/лСодержание F, г/мТемпература, СКонцентрация

Зависимость плотности водных растворов H2SiF6 от концентрации при температуре 20С представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Плотность водных растворов H2SiF6 от концентрации при температуре 20С.

Кремнефтористоводородная кислота и ее соли ядовиты.

Продукционная H2SiF6 должна соответствовать сдедующим требованиям:

 содержание H2SiF6 -20 %;

 удельный вес - 1,168 г/см;

 содержание P2O5 - не более 0,03 %.

Кремнефтористоводородная кислота используется для производства фтористого водорода и кремнефтористого аммония.

Кремнефтористоводородную кислоту используют как компонент растворов для полировки и травления стекла, для получения гальванических покрытий, как реагент для укрепления глинистых почв, консервант древесины, дезинфицирующее средство для резервуаров в производстве пива.

Для орошения абсорбера АПС подается обесфторенная вода гидроудаления, свойства которой отражены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Свойства воды

3. Поверхностное натяжение  Н/м

,6

,8

,6

,2

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Экстракционный метод основан на разложении природных фосфатов серной кислотой с последующим отделением раствора фосфорной кислоты от плохо растворимых кристаллов сульфата кальция. Поскольку Северо-Западный район страны располагает большими запасами высококачественного фосфатного сырья для кислотной переработки (апатиты Кольского полуострова), а стоимость электроэнергии здесь относительно высока, то наиболее экономичным в этом районе будет получение фосфорной кислоты экстракционным способом с последующим ее упариванием.

Данный метод основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислоты. Процесс состоит из двух стадий: разложение фосфатов и фильтрование образовавшейся фосфорной кислоты и промывки сульфата кальция водой.

Сернокислотное разложение фосфата кальция представляет гетерогенный необратимый процесс, протекающий в системе «твердое тело - жидкость» и описываемый уравнением:

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + nH3PO4 + 5mH2O = (n + 3)H3PO4 + 5CaSO4 ∙ mH2O + HF

Составляющие F освобождаются на различных стадиях. Фтор представляет собой не только ценный побочный продукт, но и элемент, загрязняющий атмосферу и осадочные воды. Поэтому есть интерес его рекуперирования в виде H2SiF6.

Практически H3PO4 до концентрирования содержит в растворе H2SiF6. Эта кислота нагревается и высвобождается водяной пар, фтористоводородная кислота, а также SiF4:

H2SiF6  2 HF + SiF4

С этого момента устанавливается равновесие, которое зависит от различных факторов:

парциального давления HF и H2SiF6;

реакционноспособного Si в кипящей кислоте;

температуры и концентрации H3PO4.

Фтор улетучивается в виде HF и SiF4 по мере того, как температура и содержание P2O5 увеличиваются, и это высвобождение становится особенно значительным с ростом P2O5, который зависит от природы фосфата и условий производства.

Выделяющийся при кислотном разложении фторапатита HF частично вступает в реакцию с кремниевой кислотой, образующейся при разложении примесей, содержащихся в фосфатном сырье:

H2SiO3 + HF = H2SiF6 + 3H2O

Образовавшаяся кремнефтористоврдородная кислота частично разлагается, и в газовую фазу выделяется тетрафторсилан:

H2SiF6 + H2SiO3 = 3 SiF4 + 3H2O

Одновременно протекает реакция взаимодействия SiF4 с фтористым водородом с образованием кремнефтористоврдородной кислоты:

+ HF = H2SiF6

Часть фтористого водорода и четырехфтористого кремния выделяется в газовую фазу (отходящие фтористые газы).

С повышением температуры и содержания в кислоте примесей повышается давление паров H2SiF6 над растворами H3PO4, и часть фтора выделяется в газовую фазу в виде SiF4 и HF по реакциям:

2 H2SiF6 + SiO2 + nH3PO4 + ag  3SiF4 + nH3PO4 + ag,SiF6 + nH3PO4 + ag  SiF4 + nH3PO4 + HF + ag.

Фтористые газы вместе с парами воды удаляются из экстракторов и абсорбируются водой:

3 SiF4 + ag  SiO2 ∙ n H2O + 2 H2SiF6 + ag,

или+ HF + ag = H2SiF6 + ag

На базе раствора H2SiF6 организуют производство различных фторсодержащих солей.

При кислотной переработке фосфатов скорость и полнота выделения фтористых соединений в газовую фазу определяется соотношением различных форм комплексообразователей. Первоначально образуются фтористые комплексы растворенных полуторных окислов (), которые при наличии кремниевых соединений переходят в летучий кремнефторид. При недостатке разлагающихся кремниевых соединений в газовую фазу выделяется фтористый водород.

Водная абсорбция фтористых газов основывается на промывке паров, выходящих их экстрактора, растворами H2SiF6, распыляемыми на газ, что приводит к прогрессивному обогащению раствора:

H2O + 2 HF + SiF4  H2SiF6 (водный)

Необходимо, чтобы парциальное давление SiF4 и HF оставалось очень слабым, то есть орошающий раствор не должен превышать концентрацию 25 % H2SiF6.

Скорость перехода фтористых соединений в абсорбированный раствор подчиняется тем же закономерностям, что и скорость улавливания любого газообразного вещества жидкой фазой, то есть она пропорциональна разности концентраций F в одной из фаз и равновесной концентрации.

Движущая сила процесса абсорбции выражается как . При понижении температуры жидкой фазы уменьшается парциальное давление паров газового компонента над ней, и соответственно увеличивается движущая сила и общая скорость процесса.

Таким образом, для увеличения скорости абсорбции необходимо понижать температуру жидкости и увеличивать давление, так как при этом возрастает равновесная растворимость газа в жидкости.

4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ (АБСОРБЦИИ) ФТОРСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ ЭКСТРАКЦИИ

Кремнефтористоводородная кислота - основной продукт, образующийся при улавливании фтористых газов водой. Для ее получения абсорбцию ведут в одну, две или три ступени.

Еще 20 - 25 лет назад при сравнительно небольших фтористых выбросах была возможность снизить содержание фтора в отходящих газах до необходимого уровня при помощи любых устройств для промывки газа. В настоящее время ситуация резко изменилась. Объем фторсодержащих выбросов современного предприятия по производству удобрений может достигать 1 млн. м/ч и более; количество воды, которое может быть использовано в системах абсорбции, снижается в связи с переходом предприятий на замкнутые водооборотные циклы; нормы по выбросам фтористых соединений перед их рассеиванием в атмосфере стали чрезвычайно жесткими (10 и менее миллиграммов на кубометр газа).

Абсорбционные аппараты, используемые для улавливания фторсодержащих газов в промышленности, прошли большой путь развития от малоинтенсивных и малопроизводительных устройств к абсорберам с высокой эффективностью, позволяющим обрабатывать большие количества газа и постоянно вытесняющим своих предшественников. За последние 10 - 15 лет из абсорбционных схем в основном вытеснены скрубберы Дойля, механические абсорберы, насадочные колонны; широкое распространение получили полые распыливающие аппараты, пенные абсорберы, а также аэромиксы и скрубберы Вентури.

Абсорбционные аппараты должны обеспечивать необходимую степень очистки при минимальном числе теоретических ступеней контакта фаз.

Полые абсорберы отличаются низкой стоимостью, простотой конструкции, обладают низким гидравлическим сопротивлением. Направление факелов распыла в них может быть различным (сверху вниз, снизу вверх, вниз под углом). Наибольшую эффективность обеспечивает расположение форсунок в несколько ярусов. В полых распыливающих абсорберах скорость газа нельзя значительно увеличить, так как это вызвало бы унос с ним большей части жидкости.

За последние годы для улавливания фтористых газов в промышленности нашли применение высокоскоростные аппараты, которые работают при скоростях газа в рабочей зоне до 10 - 20 м/с. Аппарат снабжен сепаратором надежной конструкции, обеспечивающим минммальный брызгоунос орошающей жидкости.

Рассмотрим технологическую схему абсорбции в производстве ЭФК (рис. 4.1):

Фтористые газы и воды, воздух поддува отсасываются из-под крышки экстрактора поз. Р-119 хвостовым вентилятором поз. В-216 через полый абсорбер поз. К-95 и, далее, абсорбер поз. К-59, а из-под крышки экстрактора поз. Р-120 хвостовым вентилятором поз. В-217 через полый абсорбер поз. К-96 и, далее, абсорбер поз. К-213. При этом эвакуация парогазовой смеси из экстрактора поз. Р-119, 120 осуществляется через зонты отсоса газов поз. К-117 (А, В, С), которые предназначены для уменьшения скорости газового потока и устранения брызгоуноса с зеркала пульпы экстрактора поз. Р-119,120.

В газоходах зонтов отсоса газов поз. К-117 (А, В, С) три форсунки орошения - по одной в каждом. В полых абсорберах поз К-95, поз. К-96 установлено по одной форсунке орошения и по одной форсунке в газоходах подачи газа на поз. К-59, К-213. Подача орошающей жидкости на форсунки газоходов зонтов отсосов газов поз. К-117 (А, В, С) и абсорберов поз. К-95 и поз. К-96 производится насосами поз. Н-61 (А, В): Н-61 (А) - на форсунки газохода от поз. К-117 (А, В) к поз. К-95; Н-61 (В) - на форсунки абсорбера поз. К-95 и газоход от поз. К-95 к абсорберу поз. К-59; Н-63 - на форсунки газохода от поз. К-117(С) к поз. К-96, абсорбера поз. К-96, газоход от поз. К-96 к абсорберу поз. К-213. Возврат орошающей жидкости по циркуляционной схеме из поз. К-95, поз. К-96 соответственно производится в сборники поз. Е-60 и Е-62. Подпитка бака поз. Е-60 осуществляется подачей осветленной воды гидроудаления, через контактные устройства абсорберов поз. К-59 и поз. К-213, по самотечным линиям слива от обоих абсорберов.

Последующая очистка газов от фтористых соединений осуществляется в абсорберах типа АПС (абсорбер прямоточный скоростной) поз. К-59, поз. К-213. Абсорберы представляют собой цилиндрическую полую башню; в верней части имеются брызгоуловители. Аппарат гуммирован и футерован углеграфитовой плиткой. Внутри абсорберов установлены контактные устройства (тарелки провального типа), с помощью которых достигается необходимая степень контакта фаз при очистке фторгазов. Работа контактного устройства представляется следующим образом: нижняя кольцевая часть контактного устройства образует со стенкой абсорбера кольцевую ванну, из которой раствор орошения через отверстия диаметром 100 - 150 мм поступает в центральную полую часть устройства, по которой снизу вверх двигается газовый поток с расчетной скоростью до 18 м/с. Вследствие высокой скорости газового потока происходит интенсивное распыление раствора орошения и его перемешивание с газом, таким образом, обеспечивается эффективный контакт фаз: газа и жидкости. Далее, газожидкостная смесь через тангенциальные патрубки, расположенные в верхней части контактных устройств, выбрасывается в сепарационное пространство абсорберов. Вследствие высоких окружных скоростей капли жидкости отбрасываются к стенкам аппарата, а очищенный газ протягивается наверх за счет разрежения, создаваемого вентилятором поз. В-216, поз. В-217 и далее через выхлопной газоход и высотную трубу Н = 180 м, D = 3,0 м поступает в атмосферу.

Таким образом, использование на стадии абсорбции фторсодержащих газов экстракции в производстве ЭФК полого абсорбера и абсорбера АПС одновременно обеспечивает необходимую очистку отходящих газов.

5. КИП И АВТОМАТИЗАЦИЯ

Целью управления процессом абсорбции является поддержание постоянства заданной концентрации извлекаемого компонента в обедненном газе, а также соблюдение материального и теплового балансов абсорбционной установки.

Измерения расхода газовой смеси и начальных концентраций извлекаемого компонента в фазах представляют собой выходные величины предыдущих технологических аппаратов. Регулирующими воздействиями являются расходы свежего абсорбента, обедненного газа и насыщенного абсорбента.

Основным управляющим воздействием, поддерживающим постоянство концентрации извлекаемого компонента в обедненном газе, является измерение расхода свежего абсорбента, осуществляемое регулятором расхода (FRC).

Повышение давления в абсорбере способствует извлечению ценных компонентов из исходной газовой смеси. Поддержание заданного значения давления в верхней части колонны требует применение регулятора давления, действующего на клапан, установленный на трубопроводе отвода обедненного газа из абсорбера.

Предусмотрено измерение и автоматическое регулирование расхода орошающей жидкости прибором FIRC (показывающий, регулирующий и регистрирующий). Давление измеряется прибором FIRA (показывающий, регистрирующий с сигнальным устройством). Также предусмотрено измерение уровня в сборнике орошающей жидкости LIRSA (показывающий, регистрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного уровня).

Обозначение приборов представлено в таблице 5.1.

Таким образом, в узле абсорбции соединений фтора предусматривается регулирование: расхода воды и кремнефтористоводородной кислоты на орошение абсорбционных башен; уровня в приемных баках орошающих жидкостей; давления в трубопроводах.

Таблица 5.1. Обозначение приборов

Примечание: L, H, LL, HH ставятся на третьем месте и обозначают минимальные (L) и максимальные (H) значения измеряемой переменной величины.

6. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

.1 Материальный баланс процесса абсорбции в полом абсорбере

Материальный баланс любого технологического процесса: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу) [5]:

, (6.1)

где - суммы масс всех реагентов (Т, Ж, Г) на входе в систему (технологическую операцию). Число исходных реагентов может изменяться от 1 до n;

- сумма масс всех продуктов на выходе из системы.

1. При скорости газа 1,5 м/с площадь поперечного сечения башни будет равна:

 м, (6.2)

где 200000 - количество газов, поступающих на абсорбцию, м/с;

,5 - скорость газа в абсорбере, м/с.

Тогда количество раствора для орошения составит:

, (6.3)

где U - плотность орошения, .

 м/ч

или

 кг/г,

где 1039,5 - плотность 4 %-го водного раствора H2SiF6, кг/м.

Из них Н2О - 110769,12 кг, H2SiF6 - 4615,38 кг.

. Состав поступающего газа:

фтор:  м (или  кг)

Принимая, что на 1 моль SiH4 (4 атома F) выделяется 2 моль HF (2 атома F), получим количество фтора:

в виде SiF4:  кг

в виде HF: 763,39 - 508,93 = 254,46 кг

При этом

m(SiF4) =  кг,

где 104 и 19 - молекулярная масса SiH4 и атомная масса F соответственно.

m(HF) =  кг

Тогда общая масса фтор-газов: 696,43 + 267,85 = 964,28 кг

Н2О (пар):  м (или  кг)

воздух:  м (или кг)

. Количество образующейся кислоты:

(Н2О) + Si F 4HF  H2SiF6 + (Н2О) (6.3)

кг/кмоль - 144 кг/кмоль

,28 кг - Х кг

Отсюда Х = 964,28 кг (100 %-ной H2SiF6)

С учетом степени поглощения 95 % образуется 100 %-ной H2SiF6:

 кг

. Количество непрореагировавшего фтора:

 кг

в виде SiF4:  кг [m (SiF4) = 34,83 кг]

в виде HF:  кг [m (HF) = 13,39 кг]

. Количество образующейся H2SiF6:

,38 + 916,07 = 5531,45 кг (100 %-ной H2SiF6)

Тогда 20 %-го водного раствора будет:

 кг

. Количество Н2О, перешедшее в газовую фазу за счет тепла абсорбции:

,12 - 22125,64 = 88643,48 кг

. Тогда водяного пара образуется в абсорбере:

,43 + 88643,48 = 247589,91 кг

. Таблица материального баланса:

.1. Материальный баланс

Невязка =  %, следовательно, баланс сходится.

.2 Материальный баланс в аппарате АПС

Материальный баланс процесса абсорбции выражается уравнением:

, (6.4)

где G - количество инертного газа, кг/с;

L - количество поглотителя, кг/с;

I - содержание компонента в газовой фазе, кг/кг ин. газа;

x - содержание компонента в жидкой фазе, кг/кг поглотителя

Масса вещества, перешедшего из газовой фазы в жидкую, кг/с:

, (6.5)

где  и  - начальная и конечная концентрация поглощаемого компонента в газе, кг ФГ/кг Г;

 и  - начальная и конечная концентрация поглощаемого компонента в абсорбенте.

. Средняя плотность газовой смеси:

, (6.6)

где  - объемы газообразных компонентов смеси, м;

 - молекулярные массы компонентов, кг/кмоль;

 - температура и давление, соответствующие нормальным условиям, К и МПа;

Т и р - температура и давление, при которых протекает процесс, К и МПа.

 кг/м,

где 309434,39 - объем газа, выходящего из полого абсорбера, м.

. На абсорбцию поступает в аппарат АПС 249321,17 кг или 309434,39 м. Начальные и конечные концентрации фтор-газов в поглотителе и газовой смеси составят:

= 0, т.к. орошается абсорбер водой;

 кг ФС/кг Ж,

где 1039,5 и 983 - плотности 5 %-ной H2SiF6 и Н2О соответственно.

= 0,00019 кгФС/кгГ (следует из материального баланса процесса в полом абсорбере).

Конечная концентрация на выходе из абсорбера не должна превышать значения ПДК 1 мг/м (= 0,000001 кг/м). С учетом этого:

 (6.7)

 кг ФС/кг Г

. Расход инертной части:

, (6.8)

где  - объем газа на входе в аппарат АПС, м/с;

 - объемная доля фтор-газов на входе в АПС;

 - начальная концентрация поглощаемого компонента в газе, кг/м.

, (6.9)

где  - молекулярная масса поглощаемого компонента, кг/кмоль.

 кг/с

. Расход поглотителя находим из уравнения материального баланса:

 кг/с

7. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

фторсодержащий газ абсорбция экстракция

1. Физическое тепло поступающего в полый абсорбер газового потока:

, (7.1)

где  - масса газа, кг;

 - теплоемкость, ;

 - температура, С.

Температура газового потока, входящего в полый абсорбер, равна 90 С.

а) средняя теплоемкость компонентов при 363 К(табл. 7.1):

Таблица 7.1 Средняя теплоемкость компонентов при 363 К

б)  (7.2)

 кДж

. Физическое тепло газового потока, выходящего из полого абсорбера, определяем по формуле (7.2). Температура газового потока 40:

 кДж

. Разница тепла:

 кДж

8. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ АППАРАТА

В рассматриваемой технологической схеме улавливания фторгазов из экстрактора в производстве ЭФК применяются два вида абсорберов: полый и абсорбер АПС.

.1 Выбор конструкционного материала

В химической промышленности условия работы аппаратов характеризуется широким диапазоном температур - от -254 до +2500˚ С при давлении от 0,015 Па до 600 МПа при агрессивном воздействии среды. Основными требованиями, которым должны отвечать химические аппараты, являются механическая надежность, долговечность, конструктивное совершенство, простота изготовления, удобство транспортирования, монтажа и эксплуатации.

Для изготовления аппаратов в химической промышленности в качестве конструкционных материалов применяют черные металлы и сплавы (чугуны, стали), цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы (пластмассы, материалы на основе каучука, керамику, углеграфитовые и силикатные материалы, дерево), скорость коррозии которых не превышает 0,1 - 0,5 мм /год; чаще применяются материалы стойкие (скорость коррозии 0,01 - 0.05 мм/год).

Учитывая скорость коррозии материала в среде раствора H2SiF6, температурный режим и величины давления, выбираем конструкционный материал, стойкий в среде раствора H2SiF6 концентрации до 20%. В этих условиях химически стойкой является сталь Х17Н13М2Т (ГОСТ 5632 - 61), которая может быть использована при температурах от - 253 до + 600 ˚С при давлениях не более 10 МПа. Скорость коррозии не превышает 1,0 мм/год.

Сталь марки Х17Н13М2Т характеризуется удовлетворительными прочностными свойствами, хорошими пластичными свойствами и жаропрочностью. Она технологична в обработке, хорошо деформируется в горячих состояниях и хорошо сваривается всеми видами сварки. Коэффициент теплопроводности стали λст = 17,5 Вт/м·К. Она относится к первой группе коррозионно-стойких нержавеющих высоколегированных сталей, обладающим стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, щелочной, кислотной, солевой, почвенной).

.2 Расчет полого абсорбера

. Средний объем газа, проходящего через абсорбер:

 м/ч или 70,8 м/с

. Диаметр абсорбера находим по формуле:

, (8.1)

 м

Принимаем диаметр равный 7,8 м в соответствии с ГОСТ 9617 - 76.

. Движущая сила процесса для движения противотоком определяется по формуле:

, (8.2)

где  - концентрации фтора в газе до и после абсорбции, г/м;

 - равновесные концентрации фтора над раствором H2SiF6, орошающей абсорбер и выходящей из него, г/м.

При температуре 55С равновесная концентрация HF и SiF4 (в пересчете на F) над раствором H2SiF6 (4 %-ной) составляет  г/м, а над раствором 20 %-м H2SiF6  г/м.

При этом концентрации F на входе и выходе из абсорбера равны:

 г/м

 г/м

 г/м

. Требуемый объем башни определим по уравнению массопередачи:

, (8.3)

где G - количество поглощаемого фтора, г/ч;

К - коэффициент абсорбции,  (2000  ).

 м

. Высота абсорбционной части башни:

, (8.4)

где F - площадь поперечного сечения башни, которая равна:

 (8.5)

где d - диаметр абсорбера, м.

 м

Тогда

 м

С учетом высоты крышки и днища принимаем высоту абсорбера 12 м.

.3 Расчет аппарата АПС

Абсорбер АПС представляет собой цилиндрическую полую башню, внутри которой установлены контактные устройства - тарелки провального типа. В производстве ЭФК для очистки отходящих газов от соединений фтора применяют АПС с двумя - тремя тарелками.

.3.1 Диаметр абсорбера и скорость газа

Для нормальной работы абсорберов этого типа необходимо, чтобы газ двигался в центральной полой части со скоростью от 10 до 20 м/с. Пусть в рассчитываемом абсорбере газ движется со скоростью 12 м/с.

В колоннах с провальными тарелками с достаточной достоверностью можно принять движение газа соответствующим модели идеального вытеснения и полное перемешивание жидкости на каждой ступени.

Диаметр абсорбера с вихревым сепаратором и контактным устройством рассчитываем по формуле:

, (8.6)

где  - ширина зоны завихрения сепаратором ( = 0,6 м);

 - расстояние до стенки корпуса от края сепаратора, м ( = 0,8м).

Принимаем стандартный диаметр обечайки 5,5 м.

При этом действительная скорость газа в центральной полой части абсорбера:

 м/с

.3.2 Расчет высоты слоя жидкости

. Плотность орошения для тарелок без переливных устройств равна:

, (8.7)

где - плотность жидкости, кг/м;

- диаметр патрубка, м ( = 0,15 м) ;

n - количество патрубков при входе в сепаратор (n = 12).

. Высоту газожидкостного слоя определяем из уравнения:

, (8.8)

где Fr - критерий Фруда ;

 - скорость газа в свободном сечении тарелки, м/с;

В - коэффициент;

с - величина, равная

, (8.9)

где  - поверхностное натяжение пленки, Н/м;

 - вязкость жидкости, .

Коэффициент В равен 2,95 для нижнего и 10 - для верхнего пределов нормальной работы тарелки. Наиболее интенсивный режим тарелок соответствует верхнему пределу, когда В = 10, однако с учетом возможного колебания нагрузок по газу принимаем В = 9.

Отсюда находим высоту парожидкостного слоя:

 (8.10)

 м

. Высота светлого слоя жидкости:

, (8.11)

где  - газосодержание барботажного слоя:

 (8.12)

Тогда м

8.3.3 Высота абсорбера

Высота абсорбера определяется из уравнения:

, (8.13)

где  - высота тарельчатой части абсорбера, м;

 - высота днища и крышки соответственно, м;

 - расстояние между нижней тарелкой и днищем и между верхней тарелкой и крышкой абсорбера, м.

. Высота днища и крышки рассчитываются из условия:

 (8.14)

 м

. Высота тарельчатой части :

, (8.15)

где h - расстояние между тарелками, м.

Его принимают равным или несколько большим суммы высот барботажного слоя  и сепарационного пространства :

 (8.16)

Высоту сепарационного пространства вычисляют, исходя из допустимого брызгоуноса с тарелки и принимаемого равным 0,1 кг жидкости на 1 кг газа:

, (8.17)

где f - поправочный множитель, учитывающий свойства жидкости и равный , (где  - в Мн/м);

A, m, n - коэффициенты (А = ; m = 2,56; n = 2,56 ).

Решая относительно , получим  = 1,1 м.

Высота сепаратора с учетом высоты барботажного слоя и необходимой высоты сечения верхней части сепаратора для создания завихрения  = 2,4 м.

Тогда  м

 м

Примем расстояние  м,  м

Тогда общая высота абсорбера:

 м

.3.4 Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера

Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера определяем по формуле:

 (8.18)

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки  складывается из трех слагаемых:

 (8.19)

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

, (8.20)

где  - коэффициент (1,5).

 Па

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя:

 (8.21)

 Па

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

= (8.22)

= Па

Полное гидравлическое сопротивление:

 = 107,1 + 2822,1 + 1,86 = 2931,06 Па

Гидравлическое сопротивление всех тарелок:

= Па

9. ВЫБОР И РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

.1 Расчет центробежного насоса для подачи орошающей жидкости (4 %-я H2SiF6) в полый абсорбер

. Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения, равную 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода определяем по формуле:

,  (9.1)

где Q - объемный расход жидкости, м/с.

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 159 мм с толщиной стенки 7 мм. Внутренний диаметр трубы d = 145 мм.

Фактическая скорость будет равна:

 (9.2)

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

. Определим потери на местные сопротивления:

, (9.3)

где Re - критерий Рейнольдса;

 - плотность жидкости, кг/м;

 - вязкость жидкости, .

Re = 260982, т.е. режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной  м.

Тогда

 ; .

<Re<400000.

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение  и расчет λ следует проводить по формуле:

, (9.4)

.

. Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

1.      вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁ = 0,5;

.        вентили прямоточные: для диаметра 0,145 мм ξ = 0,64. Умножая на поправочный коэффициент К=0,97, получим ξ₂ = 0,415;

3.      отводы под углом 90⁰: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений на всвсывающей линии:

Σ ξ = ξ₁+2 ξ₂+ ξ₃ = .

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

,  (9.5)

где λ - коэффициент трения;

- длина и эквивалентный диаметр, м.

Для нагнетательной линии:

1.      отводы под углом 90⁰: ξ₁ = 0,21;

.        вентили прямоточные: ξ₂ = 0,415;

.        выход из трубы: ξ₃ = 1

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Σ ξ = .

Потерянный напор в нагнетательной линии:

.

. Общие потери напора:

. Выбор насоса.

Находим потребный напор насоса по формуле:

, (9.6)

где р₁ - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

р₂ - давление в аппарате, в который подается жидкость, Па;

Н_г - геометрическая высота подъема жидкости.

Определим полезную мощность насоса:

, (9.7)

где Q - объемная производительность, м³/с;

Н - напор, м.

.

Принимая η_пер=1 и η_н=0,6 (для центробежного насоса средней производительности), найдем мощность на валу двигателя:

 (9.8)

Заданным подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х160/49/2, для которого при оптимальных условиях работы м³/с. Насос обеспечен электродвигателем АО2-81-2 и мощностью 40 КВт.

9.2 Расчет вентилятора

Для выбора вентилятора, используемого для отсасывания газов из экстрактора, необходимо определить сопротивление сети, которое представляет собой сумму сопротивлений трубопроводов и абсорберов.

. Примем скорость газа в трубопроводе 15 м/с. Тогда диаметр будет равен:

. Критерий Рейнольдса:

. Примем, что трубы были в эксплуатации и имеют незначительную коррозию. Тогда  мм. Получаем:

 ;

Тогда коэффициент трения равен:

 (9.9)

. Коэффициенты местных сопротивлений:

а) вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ₁ = 0,5;

б) задвижка:  = 0,15;

в) колено: ;

г) выход из трубы: .

Сумма коэффициентов местных сопротивлений:

Σ ξ = м

. Гидравлическое сопротивление:

, (9.10)

где  - гидравлическое сопротивление аппарата, Па;

 (9.11)

Принимаем длину трубопровода 5 м:

 Па

С учетом сопротивления абсорбера АПС, равного 8793,18 Па, а также малого сопротивления полого абсорбера  и сопротивления трубопроводов, принятого равным сопротивлению трубопровода вентилятора полное сопротивление сети составит:

 Па

. Полезная мощность:

 (9.12)

кВт

. мощность электродвигателя:

 (9.13)

Для вентиляторов средней производительности принимают . Тогда

 кВт

Выбираем центробежный вентилятор марки В - Ц12 - 49 - 8 - 01 с производительностью Q = 18 м/с, сопротивлением  Па, с числом оборотов n = 24,15 , снабженного электродвигателем марки 4А 315 S4 с мощностью N = 160 кВт. Для нормальной работы абсорбционной установки, т.е. обеспечения необходимой производительности с учетом мощности вентиляторов их число должно составлять 8.

.3 Расчет диаметров трубопроводов

Рассчитаем диаметры трубопроводов, исходя из уравнения расхода:

, (9.14)

диаметр трубопровода для газа, поступающего в полый абсорбер:

где 15 м/с - скорость газа.

диаметр трубопровода для орошающей жидкости (4-ной H2SiF6):

Выбираем стандартный диаметр мм.

диаметр трубопровода для газовой смеси, поступающей из полого абсорбера в АПС:

диаметр трубопроводов для газов, выбрасываемых в атмосферу:

диаметр трубопровода для 20 %-ной H2SiF6:

Выбираем стандартный диаметр мм.

10. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

.1 Выбор штуцеров

Присоединение трубной арматуры к сосудам и аппаратам, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров, которые могут быть разъемными или неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).

Стальные фланцевые штуцера стандартизированы и представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Основные размеры фланцевых штуцеров стандартизированы: для штуцера оговорен наружный диаметр патрубка , условный диаметр , толщина патрубка , общая высота штуцера .

Основные размеры выбранных фланцевых штуцеров приведены в таблице 10.1

Таблица 10.1. Основные размеры фланцевых соединений

10.2 Расчет обечайки

. Допускаемое напряжение на растяжение материала обечайки:

, (10.1)

где  - коэффициент ( = 0,1);

 - нормативное допускаемое напряжение, МПа (для стали Х17Н13М2Т  = 156 мПа).

 МПа

. Расчет толщины стенки:

, (10.2)

где  - расчетное давление, МПа;

D - внутренний диаметр аппарата, м;

[] - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МПа;

φ - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва и наличие неукрепленных отверстий ();

С - прибавка на коррозию, м.

 - дополнительная прибавка, м.

Толщина стенки для полого абсорбера:

 м.

Толщина стенки для АПС:

 м

11. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

.1 Условия безопасности ведения процесса

Для предотвращения попадания вредных веществ в рабочую зону цеха необходимо:

 соблюдать установленный регламентом режим работы;

 обеспечить бесперебойную работу вентиляционных и аспирационных устройств, а также герметизацию оборудования;

 соблюдать график ППР оборудования и коммуникаций;

 постоянно осуществлять контроль за состоянием воздушной среды на рабочих местах.

Все работники цеха должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты: спецодеждой, защитными очками, респираторами, противогазами.

В производстве экстракционной фосфорной кислоты вредными веществами являются: пыль апатитового концентрата, серная, фосфорная и кремнефтористоводородная кислоты, фосфогипс, фтористые газы. Могут иметь место ожоги паром, а также электрические и механические травмы.

Фосфорная кислота при попадании на открытые участки тела вызывает химические ожоги. Пары фосфорной кислоты раздражают слизистые оболочки. ПДК паров фтористых соединений над фосфорной кислотой - 1 мг/м. Индивидуальные средства защиты: суконная спецодежда, резиновые сапоги и перчатки, каски, очки, противогазы марок Б, БФК.

Кремнефтористоводородная кислота представляет собой агрессивную жидкость, отравление которой приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена в организме и поражению центральной нервной системы. При попадании на кожу вызывает химические ожоги. ПДК в пересчете на F - 0,5 мг/м.

Фтористые газы вызывают разрушение слизистых оболочек, а при тяжелых отравлениях - отек легких. ПДК фтористых газов в пересчете на F - 0,5 мг/м.

Токсикологические характеристики кремнефтористрводородной кислоты H2SiF6 и фтористых соединений HF и SiF4 представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1. Токсикологическая характеристика веществ.

В целях безопасности ведения технологического процесса необходимо соблюдать следующие основные требования:

. Пуск в работу оборудования производить только после проверки отсутствия людей внутри аппарата или около движущихся его частей, предупреждая о пуске световыми или звуковыми сигналами.

. Чистку оборудования производить только в спецодежде при наличии респиратора или противогаза

. Перед ремонтом трубопроводы и оборудование должны быть опорожнены и тщательно промыты водой.

. Фланцевые соединения трубопроводов, соединительные муфты центробежных насосов и вентиляторов должны быть заключены в кожуха.

. Систематически следить за герметичностью оборудования.

. Использовать переносные лампы только при условии питания их током напряжением не выше 36 вольт.

. Все электрооборудование должно быть заземлено.

. Запрещается производить:

чистку и ремонт оборудования на ходу;

подтягивание сальников при работе насоса.

. Все рабочие должны знать инструкцию по:

рабочему месту;

уходу, пуску и эксплуатации обслуживаемого оборудования;

технике безопасности, промышленной санитарии и противопожарной профилактике.

Администрация цеха должна требовать от рабочих точного соблюдения и выполнения инструкций.

. Допуск к самостоятельной работе осуществляется только после стажировки на рабочем месте и сдачи экзамена комиссии. Проверка знаний проводится ежегодно

.2 Основные правила первого пуска цеха в эксплуатацию

Перед пуском оборудования в эксплуатацию необходимо проверить:

. Состояние оборудования, механизмов, КИПиА, запорной арматуры и коммуникаций;

. Отсутствие посторонних предметов в аппаратуре;

. Чистку рабочих мест;

. Герметичность оборудования;

. Отсутствие подсосов на всех вакуум линиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над курсовым проектом была достигнута поставленная цель: рассчитана абсорбционная установка для улавливания фторгазов от экстрактора в производстве ЭФК, для чего первоначально был произведен обзор необходимой литературы, позволивший больше узнать о процессе абсорбции, о видах абсорбционных аппаратов, принципах их действия, на основании чего выбрана и рассмотрена установка, состоящая из полого абсорбера и АПС.

Для выполнения требуемой задачи в первую очередь был осуществлен расчет материального баланса. В полый абсорбер поступает газа и 4 %-ной H2SiF6 276978,25 кг/ч, что соответствует количеству выходящего газа и 20 %-ной H2SiF6. Таким образом, материальный баланс сходится. Для аппарата АПС был рассчитан расход жидкой фазы (0,229 кг/с). Произведен выбор конструкционного материала, стойкого в рабочей среде (сталь Х17Н13М2Т).

Следующий этап включал расчет основных конструктивных размеров аппаратов: полый абсорбер (D = 7,8 м; Н = 12м); АПС (D = 5,5 м; Н = 16,4 м).

Как известно, для осуществления процесса необходимо вспомогательное оборудование, расчет и подбор которого также произведен в курсовой работе: был рассчитан центробежный насос марки Х160/49/2 с двигателем АО2-81-2; вентилятор марки В-Ц12-49-8-01; произведен механический расчет аппаратов на прочность.

Снижение содержания фтора в газах после абсорбции связано с совершенствованием методов щелочной абсорбции, промывкой газов большим количеством воды с получением разбавленных растворов H2SiF6, уменьшением туманообразования за счет подогрева газов перед абсорбцией, разработкой ионитных фильтров для очистки, обладающих низким гидравлическим сопротивлением.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов Р. С. Химическая технология: Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 2000. - Т. 1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химическое технологии. Производство неорганических веществ. - 368 с.

2. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968. - 848 с.

3. Технологический регламент производства ЭФК в условиях ОАО «Аммофос».

4. Краткая химическая энциклопедия. Т.2./ Под ред. кол. Кнунянц И.Л. - М.: Советская энциклопедия, 1967. - 1336 с.

5. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

6. Терещенко Л.Я., Орехов И.И., Лаптев М.Я. Технология неорганических веществ. Производство фосфорной и серной кислот. Пособие по курсовому и дипломному проектированию. - Л.: СЗПИ, 1968. - 158 с.

7. Дохолова А.Н. и др. Производство и применение аммофоса. - М.: Химия, 1977.

8. Позин М.Е. и др. Технология минеральных солей, ч.2. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Л.: Химия, 1970. - 1558 с.

9. Бабкин В.В., Бродский А.А. Фосфатные удобрения России. - М.: Агрохим - принт, 1995. - 464 с.

10.Полоцкий М.Н., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Теория, расчет и проектирование систем автоматизации. - М.: химия, 1982. - 296 с.

11.Общая химическая технология: В 2 т. т.1: Теоретические основы химической технологии. /Под ред. проф. И.П. Мухленова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1977. - 287 с.

12.Расчеты по технологии неорганических веществ. / Под ред. М.Е. Позина. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Химия, 1977. - 496 с.

13.Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по курсовому проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского - М.: Химия, 1983. - 272 с., ил.

14.Краткий справочник физико-химических величин. / Под ред. А.А Равделя и А.М. Пономаревой. - Л.: Химия, 1983. - 232 с.

15.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

16.Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

17.Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. - Калуга: Изд. Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с.

18.Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности». - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Высш. шк., 1980. - 223 с.

19.Соколовский А.А., Яшке Е.В. Технология минеральных удобрений и кислот: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1979. 384 с.

20.Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Учеб. для техн. Мельников Е.Я., Салтанова В.П., Наумова А.М. и др. - М.: Химия, 1983. - 432 с.