Конструктивно-механические расчеты

4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]

Определение числа ступеней концентратора серной кислоты при концентрировании от 70% масс до 91-92% масс H₂SO₄ проводим аналитическим методом. При нагреве серной кислоты до 260-280 ^ОС продукционную 92% H₂SO₄ можно получить в одной ступени. Однако при этом содержание серной кислоты в парах достигает 30-50 г/м³ , что приводит к значительному газовому выбросу. Для уменьшения содержания в парах, серную кислоту концентрируют в 2-3 ступенчатых аппаратах, однако, если при этом пересыщение паров H₂SO₄ во второй ступени превышает критическое значение более, чем в 30 раз: S_кр> =3,3, то происходит образование тумана серной кислоты. Концентрация кислот во второй ступени для работы концентратора в режиме без образования тумана серной кислоты должна составлять 85-90% масс, температура 240 ^ОС.

Аналитическое определение числа ступеней, концентрации и температур H₂SO₄ на ступенях концентратора, работающего без образования тумана, представлено в таблице  .

 

Таблица №18 - Число ступеней, концентрации и температуры серной кислоты на ступенях концентратора.

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ^ОС
на входе	850	230	210	190	175
на выходе	230	210	190	175	160
2. Концентрация H2SO4, %
на входе	88	84	80	75	70
на выходе	92	88	84	80	75
3. Температура H2SO4, ^ОС	220	200	180	165	150
Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	200	56	16	2,2	0,47
на выходе	960	200	56	16	2,2
5. Пересыщение, S		4,8	3,57	3,5	7,3
6. Критическое состояние, Sкр		4,5	6	7,1	12,27
7. Отношение: S: Sкр		1,07	0,6	0,5	0,6

Принимая равными эффективности ступеней вихревой колонны по температуре, массоотдаче в газовой и жидкой фазах для процессов десорбции паров воды и абсорбции паров серной кислоты, задаемся распределением концентрации (x_i) и температур (t_i) серной кислоты.

Таблица №19

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ^ОС
на входе	850	250	210	190	175
на выходе	250	210	190	175	170
2. Концентрация H2SO4, % масс.
на входе	89	85	81	76	70
на выходе	92	89	85	81	76
3. Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	250	56	16	2,2	0,47
на выходе	980	250	56	16	2,2
4. Пересыщение, S	3,8	4,5	3,5	7,3
5. Критическое пересыщение, Sкр	4,3	6	7,1	12,27
6. Отношение: S: Sкр	0,88	0,75	0,49	0,59
7. Брызгоунос на 1 кг подаваемой на ступень кислоты	0,319	0,318	0,317	-	-

 

1. Определяем расходы СК на ступенях вихревой колонны

[L_i, (i=1-5)]

L_i=L_i+1* , кг/час

Количество слабой H₂SO₄, поступающей в колонну (из материального баланса) составляет:

L₆= 7654.9 кг, температура кислоты t₆=150 ^ОС, концентрация C₆=70%, =1,494 т/м³

Количество серной кислоты, поступающей из пятой на четвертую ступень:

L₅= =7654.9*0.7/0.75=7143 кг/ч (4687,5 м³ /ч)

X₅=0,75; t₅=165 ^ОС, =1,524 т/м³

Количество СК, поступающей из четвертой на третью ступень:

L₄= =7143*0.75/0.8=6696.6 кг/ч (4273.49 м³ /ч)

X₄=0,8; t₄=180 ^ОС, =1,567 т/м³

Количество СК, поступающей из третьей на вторую ступень:

L₃= =6696,6*0.8/0,84=6377,7 кг/ч (4059,6 м³ /ч)

X₃=0,84; t₃=200 ^ОС, =1,571 т/м³

Количество СК, поступающей из второй на первую ступень:

L₂= =6377,7*0.84/0,88=6087,8 кг/ч (3848 м³ /ч)

X₂=0,88; t₂=220 ^ОС, =1,582 т/м³

Количество продукционной СК, выходящей из первой ступени:

 

L₁ = =6087,8*0.88/0,92=5823,1 кг/ч (3653,14 м³ /ч)

X₁=0,92; t₁=250 ^ОС, =1,594 т/м³

 

По уравнению и табличным значениям (таблица №19) определяем равновесные концентрации паров серной кислоты на ступенях колонны:

, Па

Рассчитываем значения пересыщения паров H₂SO₄ на ступенях колонны:

S=y_i-1/y_i; i = 2-5

По уравнению [5]

Рассчитываем значения критического пересыщения паров H₂SO₄ на ступенях колонны S_кр-S_кр5

Определяем соотношения S_i/ S_крi на ступенях колонны. При

 S_i/S_крi 1 происходит образование тумана H₂SO₄, а при S_i/S_крi <1 – туман не образуется.

Для ступеней колонны, в которых S_i/S_крi 1 из графоаналитического определения числа ступеней концентратора определяем концентрации и температуры серной кислоты, позволяющие достичь S_i/S_крi <1. Значения концентраций (х_i) и температур (t_i) СК на ступенях колонны в режиме ее работы без образования тумана представлены в таблице 19.

Количество СК, поступающей на ступень из нижележащей ступени в виде брызгоуноса, необходимое для получения концентрации (х_i), при котором соблюдается условие безтуманной работы ступеней: S_i/S_крi <1. определяется по выражению:

1. Для второй ступени:

кг/ч

Для третьей ступени:

кг/ч

Для четвертой ступени:

кг/ч

2. Определяем относительный брызгоунос серной кислоты со ступени:

С первой ступени:

 кг/ч

Со второй ступени:

 кг/ч

С третьей ступени:

 кг/ч

Расход топочных газов, поступающих при t=900 ^ОС на первую ступень составляет G₁=8934 м³ /ч (состав газа после топки).

Гидродинамический расчет

4.2.1. Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]

 

 

1. Односопловое вихревое контактное устройство

2. Вторая ступень контакта фаз

3. Вертикальный канал входа топочных газов

4. Горизонтальный канал

 

1. Площадь отверстия входа топочных газов:

d=0.35 м; S₁=0.785*0.35²=0.096 м²

2. Площадь сечения горизонтального канала входа газов:

S₂=a*b=0.4*0.38=0.152 м²

3. Площадь сечения односоплового вихревого контактного устройства (D_ко=0,7 м)

S₃=0.785*0.7²=0.39 м²

4. Определяем скорость газового потока в первой ступени колонны:

м/сек

м/сек

 

м/сек

 

5. Гидравлическое сопротивление орошаемой первой ступени вихревой колонны определяется по формуле:

 = -5601,32 + 287,77Z₁ +266.7Z₂ + 147.52Z₃ +2128.38Z₄ –7.81Z₁Z₂ - 33.4Z₁Z₃ - 69.37Z₁Z₄ - 72.93Z₂Z₃ - 68.03Z₂Z₄ - 103.58Z₃Z₄ + 3.72Z₁Z₂Z₃ +2.71Z₁Z₂Z₄ + 15.46 Z₁Z₃Z₄ + 31.52 Z₂Z₃Z₄ - 1.5Z₁Z₂Z₃ Z₄,  Па

где Z₁  - W_щ, м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.д, м/м

Z₄ – н/ Д_к.д, м/м

Для первой ступени:

Z₁- W_щ= W₂=16,33м/с

Z₂ – плотность орошения ступени:

м³ /ч, где

S_кол – площадь сечения колонны (Д_вн=1мм)

S_кол=0,785 м²

Z₃=б/Д_ко; б – зазор между контактной обечайкой первой ступени и тарелкой второй ступени

б= 0,21 м

Д_к.о=0,7м; Z₃=б/ Д_к.о=0,21/0,7=0,3м/м

Z₄= н/ Д_к.о;

Н – высота контактной зоны односоплового ВКУ;

Н= 21 м

Z₄ = н/ Д_к.в =2,1/0,7=3м/м

 

Гидравлическое сопротивление первой ступени вихревой колонны равно:

=3302.94 Па.

6. Уравнение, описывающее изменение относительного брызгоуноса жидкости с первой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

E*10²=-71+Z_{1 +} Z_{2 +} 110Z_{3 +} 38 Z₄ -2Z₁Z₃ - 2Z₂Z₃-58Z₃ Z₄+Z₂Z₃ Z₄ кг/кг

Определим значение относительного брызгоуноса с первой ступени при заданных конструктивных и режимных параметрах:

E₁=0,61 кг/кг

 

4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по ходу газа ступеней вихревой колонны [5]

 

1. Тарелка

2. Контактная обечайка

3. Завихритель

4. Вышележащая ступень

 

1. Площадь отверстия проходов газа тарелки

(d=0.4 мм); S₁=0.785*d²=13 м²

2. Площадь сечения прохода газов завихрителя:

S₂=b*h*n = 0,04*0,3*8=0,096 м²

b – ширина щелей, b = 0,04 м

h – высота щелей, h = 0,3 м

n – количество щелей, n = 8 шт

3. Площадь сечения контактной обечайки (Д_ко=0,66 м)

S₃=0,785* Д_ко²=0,785*0,66²=0,34 м²

4. Площадь кольцевого сечения между контактной обечайкой и завихрителем:

S₄= м²

Где Д_зав=0,51 – наружный диаметр завихрителя

5. Площадь свободного сечения колонны:

Д_вн=1,0 м – внутренний диаметр колонны

S₅=0,785* Д_вн²=0,785 м²

6. Рассчитаем скорости газового потока: на второй по ходу газа ступенях колонны

W₁= м/сек

На третьей ступени (а также на последующих ступенях):

W₂= м/сек

W₃= м/сек

W₄= м/сек

W₅= м/сек

 

7. Гидравлическое сопротивление орошаемых второй и последующих ступеней определяется по уравнению:

 = -4232,32 + 584,91Z₁ +62,22Z₂ + 3323,29Z₄ +3372.03Z₅ –7.14Z₁Z₂ – 184,01Z₁Z₄ – 403,7Z₁Z₅ - 72.09Z₂Z₄ - 56.8Z₂Z₅ – 2486,54Z₄Z₅ + 8.75Z₁Z₂Z₄ +7.12Z₁Z₂Z₅ + 145,99Z₁Z₄Z₅ + 76,65Z₂Z₄Z₅ – 8,49Z₁Z₂Z₄ Z₅,  Па

где Z₁  - W₄, м/с=17,3 м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.о, м/м

Z₄ – н/ Д_к.о, м/м

Z₅ – S_2/S₁ м² /м²

 

Для второй ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

Для третьей ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

Для четвертой ступени

Z₂=  м³ /м³ час

Для пятой ступени:

Z₂=  м³ /м³ час

 

Z₃=б/Д_ко=0,19/0,66=0,28 м/м

Z₄=б/Д_ко=0,36/0,66=0,55 м/м

Z₅=S₂/S₁=0.096/0.13=0,74 м/м

Гидравлическое сопротивление второй ступени равно:

Па

третьей ступени:

Па

четвертой ступени

Па

пятой ступени

Па

8. Уравнение, описывающее изменение брызгоуноса с вихревой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

 

E = -2.46 + 0.14Z₁ +0.05Z₂ + 3.44Z₃ +2.08Z₄ +2.09Z₅–0.01Z₁Z₂ – 0.19Z₁Z₃ – 0.11Z₁Z₄ – 0.11Z₁Z₅ – 0.07Z₂Z₃ – 0.05Z₂Z₄ – 0.04Z₂Z₅ – 2.87Z₃Z₄ – 2.91Z₃Z₅ – 1.73Z₄Z₅ + 0.01Z₁Z₂Z₃ +0.01Z₁Z₂Z₅ + 0.15Z₁Z₃Z₄ + 0.14Z₁Z₃Z₅ + 2.37Z₃Z₄Z₅ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₄ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₅ – 0.11Z₁Z₃Z₄ Z₅ + 0.08Z₁Z₄Z₅ + 0.06Z₂Z₃Z₄ + 0.05Z₂Z₃Z₅ + 0.04Z₂Z₄Z₅ - 0.04Z₂Z₃Z₄ Z₅, kJ/kJ

Относительный брызгоунос со второй ступени при принятых значениях (Z₁- Z₅) составляет:

E₂=0,54 кг/кг

Относительный брызгоунос с третьей ступени:

E₃=0,47 кг/кг.

Относительный брызгоунос с четвертой ступени:

E₄=0,44 кг/кг

 

9. Гидравлическое сопротивление вихревой колонны составляет:

= + + + + +2 +2+ , где

-  - гидравлическое сопротивление ступеней вихревой колонны, Па

= 2000 Па - гидравлическое сопротивление брызгоуловительной ступени

=2200 Па - гидравлическое сопротивление абсорбционной ступени

=3302,94+2152,54+2153,21+2155,52+2156,88+2*2000+2*2200=20321,1Па

Рассчитанные значения относительно брызгоуноса жидкости между ступенями колонны (E1-E4) соответствуют режиму работы вихревой колонны без образования тумана серной кислоты.

10.  Расчет линий перетока жидкости

Площадь сечения переточных труб жидкости между ступенями: (Д_тр=0,08 мм) S_пер=0,785*0,08²=0,005024 м²

а) линии перетока жидкости после первой ступени:

Д_тр=0,1 мм; S_пер=0,785*0,1²=0,00785 м²

u_ж= м/с

б) линии перетока жидкости между второй и первой ступенями:

S_пер=0,005 м²

u_ж= м/с

в) линии перетока жидкости между третьей и второй ступенями:

u_ж= м/с

г) линии перетока жидкости между четвертой и третьей ступенями:

u_ж= м/с

д) линии перетока жидкости между пятой и четвертой ступенями:

u_ж= м/с

с) линия подачи слабой (70%) серной кислоты на пятую ступень колонны:

u_ж= м/с

4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6], [7]

1. Расчет толщины обечаек

Расчет производится в соответствии с ГОСТ 14249-80. Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением рассчитываем по формуле:

Условие: , где

P – внутренне давление (0,1 Мпа)

- коэффициент прочности сварного шва продольном направлении, =1

C_k – поправка на коррозию с учетом срока службы аппарата, C_k = 0,001

D – внутренний диаметр, D=1 м

 - допустимое напряжение, =2,2 Н/м²

S= м

 - условие выполняется

Толщина обечайки по расчетам равна 0,025 м

2. Расчет толщины днища:

, где

=0,1 мПа внутреннее давление

- коэффициент прочности днищ, изготовленных из цельной заготовки

 = 2,2мН/м²  - допустимое напряжение

С=0,001

R=1 м – радиус кривизны в вершине днища. Для элептических днищ R=D, где D – внутренний диаметр аппарата, D=1 м

м

Условие:

               

Условие выполняется. Толщина днища равна 0,025 м.

3. Расчет фланцевых соединений

Расчетное растягивающее условие в болтах

, где

Д_п – средний диаметр уплотнения, м

- расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностях в рабочих условиях, необходимых для обеспечения герметичности, =0,00563

-рабочее давление, =0,1 Мпа

Д_п=1070 мм,

Расчетная сила сжатия прокладки прямоугольного сечения определяется по формуле:

, где

в – эффективная ширина прокладки, м

;

к – коэффициент, учитывающий зависимость от материала и конструкции прокладки

к = 2,5 (материал – асбест)

в₀ – действительная ширина прокладки, м

Диаметр болтовой окружности:

Д_б=(1,1-1,2)Д_в^0,933=1,1*1,05^0,933=1,15 мм, где

Д_в – внутренний диаметр фланца, равный наружному диаметру аппарата,м

Д_в = 1050 мм = 1,05м

Расчет диаметра болтов

, где

Д_т=1.098 м – наружный диаметр сварного шва на фланце

число болтов: , где

F_б – площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м²

- допустимое напряжение на растяжение на болтах

Округлим и получаем число болтов 16 шт.

Наружный диаметр фланца

Д_ф=Д_б+(1,8+2,5)d_б

Д_ф=1,15+4,3*0,02=1,24 м

Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях:

Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях (в м² )

Ф=

Вспомогательная величина А:

 - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, =240 /м²

S – толщина обечайки, соединяемой фланцем, м, ,   - коэффициенты, определяемые графическим путем =0,99, =9

Высоту фланца h определяем по формулам

, м; при ,

2,74*10^-4 м²  1,13*0,01125 м²

2,74*10^-4 м² 0,0127

Расчет опор аппарата [10]

Толщина ребра: , где

 

 - нагрузка на одну опору, в мН

к – коэффициент, зависящий от соотношения ; k=0.6, n=4

z- количество ребер на опоре принимаем из конструктивных соображений

L – высота опоры, L=0.2 м

=108000 кгс = 10800кг = 1,08мн = 10,79*10³кГс

Высота ламп: L=L/0.5 = 0.2/0.5=0.4 м

Общая длина сварного шва, L_ш:

L_ш=4(h+ )=4(0.4+0.026)=1.17 м

Прочность сварного шва, , при соблюдении условия:  L_шh_шT_{шс, где}

L_ш  - общая длина сварных швов, м

h_ш – катет свободного шва, м h_ш=0,008м

T_шс – допускаемое напряжение материала шва на срез, нм/ м²

T_шс - =100мн/ м²

1,08/4 = 0,27 мн <0,7*1,74*0,008*100=0,97 мн

0,27 мн < 0,97

Условие прочности выполняется.