7 Розрахунок абсорберу

7.1 Матеріальний розрахунок

Прихід

У абсорбер 1-го ступеня надходить коксовий газ з нагнітача і аміачно-водяні пари з дефлегматору у кількості, кг/год (дивиться таблицю 7).

Таблиця 7.1 – Склад надходячего коксового газу

Найменування	Вміст, кг/год
Сухий коксовий газ	45600
Бензольні вуглеводні	2600
Аміак	706
Сірководень	1158
Двоокис вуглецю	48
Піридинові основи	46
Водяна пара	3616
Разом	53774

У абсорбер надходить циркулюючий розчин зі збірника 1-го ступеня абсорберу. Позначимо цю кількість через G₁.

Таким чином, загальний прихід дорівнює:

53774 + G₁ кг/год

Витрата

З коксового газу із 706 кг/год аміаку поглинається 660 кг/год і залишається в газі 46 кг/год.

Кількість піридинових основ в газі після 1-го ступеня абсорбції збільшується за рахунок десорбції їх з перетікання, що надійшов з 2-го ступеня абсорбції. Кількість десорбуючих піридинових основ в 1-му ступені абсорберу дорівнює 48 кг/год. Таким чином, у вихідному газі буде міститися піридинових основ:

46 +48 = 94 кг/год

Кількість водяної пари, що виходять з газом з 1-го ступеня абсорбції, можна визначити виходячи з того, що за рахунок тепла нейтралізації відбувається нагрів газу до 58 °С, тобто до температури потрапляючого розчину, і випаровування відповідної кількості води. Позначимо цю кількість через :

кг/год,

де Q₁- тепло, внесене коксовим газом, кДж/год;

Q₂ - тепло, внесене амоніачно-водяними парами, кДж/год;

Q_3- тепло реакції нейтралізації, кДж/год;

Q_4-тепло, що відноситься сухим газом, кДж/год;

температура газу на виході з абсорбера, t = 58 °С.

Тепло, що вноситься коксовим газом при 50 °С:

Q₁=15868750 кДж/год

Тепло, що вноситься аміачно-водяними парами з дефлегматора при 95 °С, дорівнює:

Q₂= ((142∙0,508+38∙0,24+48∙0,418+6∙0,246)∙95+696∙(595+0,44∙95))∙4,19=

=1897980 кДж/год

Тепло реакції нейтралізації аміаку:

Q₃ =кДж/год,

де 195675 - тепло реакції нейтралізації, кДж/год сірчаної кислоти.

Тепло, що відноситься сухим коксовим газом при температурі 58 °С:

Q₄=((46∙0,508+1158∙0,298+48∙0,418+94∙0,246+2600∙0,246+45600∙0,7)∙58)∙4,19=

= 8012670 кДж/год.

Тоді:

кг/год.

Загальна кількість газів, що виходять з 1-го ступеня абсорберу в 2-й, наведена в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2 - Загальна кількість газів, що виходять з 1-го ступеня абсорбера в 2-й

Найменування	Витрата по газу
	кг/год	м3/год
Сухий коксовий газ	45600	100000
Бензольні вуглеводні	2600	702
Аміак	46	61
Сірководень	1158	763
Двоокис вуглецю	48	24
Піридинові основи	94	27
Водяна пара	4982	6200
Разом	54528	107777

Кількість циркулюючого розчину, що виходить з 1-го ступеня абсорбера, позначимо G₂ кг/год. Тоді загальна витрата дорівнює:

54528 + G₂,

Дорівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

53774+G₁=51528+G₂;

або G₁=G₂+754

Друге рівняння для визначення G₁ і G₂ отримаємо виходячи зі значень концентрацій сірчаної кислоти на вході і виході з 1-го ступеня абсорбції і кількості сірчаної кислоти, що витрачається, в 1-му ступені.

Приймаючи концентрацію розчину, що поступає, 1,6 % і що виходить 1 %, отримаємо рівняння:

де - кількість кислоти, що витрачається в 1-му ступені абсорбера, кг/год.

Для зв'язування в 1-му ступені абсорберу 660 кг/год аміаку потрібне використати сірчаної кислоти 1902 кг/год . Проте при розкладанні сульфату піридину, що поступив з 2-го ступеня, звільняється сірчаної кислоти 60 кг/год.

Тому:

= 1902 – 60 = 842 кг/год,

Таким чином,

1,6G₁ = G₂ + 184200.

Вирішуючи приведені два рівняння з невідомими G₁ і G₂, отримаємо G₁=305744 кг/год і G₂=304990 кг/год.

Об'єм розчину, що поступає, при щільності 1,24 кг/л буде:

м³/год

Матеріальний баланс 1-го ступеня абсорбції наведений у таблиці 7.3, а тепловий баланс – у таблиці 7.4.

Таблиця 7.3 - Матеріальний баланс 1-го ступеня абсорбції

Прихід	кг/год	Витрата	кг/год
Коксовий газ	52844	Коксовий газ	54528
Аміачно-водяна пара	930	Циркулюючий розчин	304990
Циркулюючий розчин	305744
Разом	359518	Разом	359518

Таблиця 7.4 - Тепловий баланс 1-го ступеня абсорбції

Найменування	кДж/год	Найменування	кДж/год
Тепло коксового газу	15868750	Тепло коксового газу	8012670+(595+ +0,43858)4,19 4982==20963343
Тепло аміачної водяної пари	1897580	Тепло, що втрачається назовні	552000
Тепло нейтралізації	3797654	Тепло циркулю- ючого розчину	3049902,93t= =894536t
Тепло циркулю- ючого розчину	3057442,93 58,9=52011335
Разом	73575719	Разом	21018543+894536t

Дорівнюючи прихід і витрату тепла, отримаємо температуру розчину, що виходить з 1-го ступеня абсорбера, рівну 58,8 °С, тобто приблизно таку ж, як і що поступає.

7.2 Матеріальний і тепловий баланси збірки абсорбера 1-го ступеня

Матеріальний розрахунок

Прихід. У збірку абсорбера 1-го ступеня поступають: циркулюючий розчин з абсорбера, маточний розчин з центрифуги, перетік з 2-го ступеня абсорберу, сірчана кислота, вода для поповнення циклу.

Визначаємо кількість цих потоків :

1. Кількість розчину, що поступає з 1-го ступеня абсорбера:

304950-10655=29433 кг/год.

2. Кількість маточного розчину, що поступає з центрифуги, дорівнює 2953 кг/год.

3. Кількість розчину, що поступає з 2-го ступеня абсорбера (перетікання), дорівнює 1400 кг/год.

4. Кількість кислоти, що поступає, позначимо x₁.

5. Кількість води для поповнення циклу позначимо y₁.

Загальна витрата дорівнює:

298688 + x₁ + y₁.

Витрата. Кількість розчину, що виводиться зі збірки в циркуляцію, дорівнює 305744 кг/год.

Дорівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

x₁ + y₁ = 7056 кг/год.

Для визначення x₁ і y₁ складемо баланс моногідрату сірчаної кислоти (дивиться таблицю 7.5).

Таблиця 7.5 – Баланс моногідрату сірчаної кислоти

Прихід	кг/год
З кислотою при концентрації 92,5 %	0,925·x1
З маточним розчином з центрифуги	106,6
У перетіканні з 2-го абсорбера	168
Утворюється при розкладанні піридинових основ	60
Разом	0,925·x1 +334,6
Витрата	кг/год
У розчині, що йде у випарник	106,6
На реакцію з NH3 в 1-му ступені	1902
Разом	2008,6

Дорівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

0,925·x₁+334,6=2008,6

Звідси кількість розчину кислоти x₁=1674 кг/год, з них: моногідрату

1674·0,925=1548 і води 126 кг/год.

Кількість води, необхідної для поповнення циклу:

y₁ = 7056 – 1674 = 5382 кг/год

Тепловий баланс збірки 1-го ступеня

Прихід

1. Тепло, внесене циркулюючим розчином:

Q₁=294335∙2,93∙58,8=50761132 кДж/год

2. Тепло, внесене маточним розчином при 50 °С:

Q₂=2953∙2,68∙50 = 395938 кДж/год,

де 2,68 - теплоємкість маточного розчину, кДж/(кг∙град).

3. Тепло,внесене перетоком розчину з 2-го ступеня абсорберу:

Q₃=1400∙3,31∙50 =231707 кДж/год,

де 3,31 - теплоємність цього розчину кДж/(кг∙град).

4.Тепло, внесене кислотою:

Q₄=1674∙1,55∙20 = 51904 кДж/год,

де 1,55 - теплоємність сірчаної кислоти, кДж/(кг∙град).

5.Тепло, внесене водою поповнення:

Q₅=5382∙20∙4,19=451012 кДж/год

6. Тепло розведення сірчаної кислоти від 92,5 до 1,6 %.

Тепло розведення, що доводиться на 1 моль H₂SO₄:

кДж/кмоль H₂SO₄;

кДж/кмоль H₂SO₄,

і на 1548 кг моногідрату:

кДж/год.

Загальний прихід тепла:

Q_прих=52891085 кДж/год.

Витрата.

1. Тепло, що втрачається назовні (за практичними даними):

Q₇=55200 кДж/год.

2. Тепло, що відноситься циркулюючим розчином:

Q₈=3057442,93t.

Разом витрата тепла:

55200 + 896747 t.

Прирівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

52891085 = 55200 + 896747t.

Звідси температура розчину, що встановилася t=58° С.

7.3 Розрахунок 2-го ступеня абсорберу

Прихід. У абсорбер 2-го ступеня поступає коксовий газ з абсорбера 1-го ступеня в кількості, наведеній в таблиці 7.6.

Таблиця 7.6 - Склад коксового газу з абсорберу 1-го ступеня

Найменування	Прихід, кг/год
Сухий коксовий газ	45600
Бензольні вуглеводні	2600
Сірководень	1158
Аміак	46
Двуокис вуглецю	48
Піридинові основи	94
Водяна пара	4982
Разом	54528

Циркулюючий розчин зі збірки 2-го ступеня абсорбера. Позначимо цю кількість через G₃.Тоді загальний прихід дорівнює:

54528 + G₃.

Витрата.

Коксовий газ.

Із аміаку в коксовому газі 46 кг/год поглинається 44 кг/год і залишується в газі 2 кг/год.

Кількість піридинових основ, які залишуються після абсорбції, дорівнює 2 кг/год і поглинається піридинових основ:

94 – 2=92 кг/год

Кількість водяних парів, які виходять з газом із 2-го ступені абсорбції G_В визначаємо виходячі з того, що за рахунок тепла нейтралізації і охолодження газу від температури 58°С до 52°С відбувається випарення води.

Велічина G_в може бути визначена по рівнянню:

,

де Q₁ – тепло, внесене коксовим газом, кДж/год;

Q₂ – тепло реакції нейтралізації, кДж/год;

Q₃ – тепло, яке уноситься сухим коксовим газом із абсорберу при

t = 52° С.

Тепло, яке вноситься коксовим газом:

Q₁= 20963343 кДж/год.

Тепло реакції нейтралізації:

кДж/год,

де 193586 - тепло реакції нейтрализації H₂SO_4.

Тепло, яке уноситься сухим коксовим газом:

Q₃=(45600∙0,7+2600∙0,246+1158∙0,238+3∙0,508+43∙0,418+2∙0,246)∙4,19·52=

=7158945 кДж/год

Тоді:

кг/год

Загальна кількість газів, які виходять із 2-ї ступені абсорберу наведене в таблиці 7.7.

Таблиця 7.7 - Загальна кількість газів, які виходять з 2-го ступеня абсорберу

Найменування	кг/год	м3/год
Сухий коксовий газ	45600	100000
Бензольні вуглеводні	2600	702
Аміак	3	4
Сірководень	1158	763
Двоокис вуглецю	48	24
Піридинові основи	2	0,6
Водяна пара	5429	6756
Разом	54840	108249,6

Циркулюючий розчин.

Кількість циркулюючого розчину, що виходить з 2-го ступеня абсорбера, позначимо G₄ кг/год.

Тоді загальна витрата дорівнює 54840+ G₄.

Дорівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

54528+ G₃=54840+ G₄

Або:

G₃= G₄+312

Кількість розчину, абсорбера, що поступає в 2-й ступінь, приймаємо по об’єму рівним кількості розчину, що поступає в 1-й ступінь абсорбції, що забезпечує однакову щільність зрошування.

Оскільки об’єм розчину, що поступає в 1-й ступінь, 247 м³/год, то маса розчину G₃ при щільності 1,2 кг/л буде:

G₃=247 1200=296400 кг/год.

Тоді:

G₄=296400 – 312 = 296088 кг/год.

Матеріальний та тепловий баланси 2-го ступеня абсорбера наведені в таблицях 7.8 і 7.9.

Таблиця 7.8 - Матеріальний баланс 2-го ступеня абсорбера

Прихід	кг/год	Витрата	кг/год
Коксовий газ	54528	Коксовий газ	54840
Циркулюючий розчин	296400	Циркулюючий розчин	296088
Разом	350928	Разом	350928

Таблиця 7.9 - Тепловий баланс 2-го ступеню абсорберу

Прихід	кДж/год	Витрата	кДж/год
Тепло коксового газу	20963343	Тепло коксового газу	21210929
Тепло нейтралізації	247586	Тепло нейтралізації	173475
Тепло циркулюючого	296400522,93= =45205742	Тепло циркулюючого	2960882,93t= =868426t
Разом	66416671	Разом	21384404 +868426t

Прирівнюючи прихід і витрату тепла, отримаємо температуру розчину абсорбера, що виходить з 2-го ступеня, в циркуляцію t=51,9 °С.

7.4 Матеріальний і тепловий баланси збірки 2-го ступеня абсорбера

Матеріальний розрахунок

Прихід. У збірку абсорбера 2-го ступеня поступають: циркуляційний розчин з абсорбера, розчин з піридинової установки, сірчана кислота, вода для поповнення циклу.

Визначимо кількість цих потоків:

1. Кількість розчину, що поступає з піридинової установки, дорівнює 1247,5 кг/год.

2. Кількість кислоти, що поступає x_2.

3. Кількість розчину, що поступає з абсорбера, дорівнює:

296088 – 961 – 1400 =293727 кг/год.

4.Кількість води, що поступає, для поповнення циклу у_2..

Загальний прихід:

294974,5+x_2.+у_2..

Витрата. Кількість розчину, що виходить зі збірки в циркуляцію, дорівнює 296400 кг/год.

Прирівнюючи прихід і витрату, отримуємо:

х₂+у₂=1425,5 кг/год

Для визначення складаємо баланс моногідрату сірчаної кислоти (таблиця 7.10).

Таблиця 7.10- Баланс моногідрату сірчаної кислоти

Прихід	Кількість, кг/год
З кислотою при концентрації 92,5 %	0,925·х2
Витрата	кг/год
Переток розчину у 1 ступінь	168
У піридинову установку	115
На реакцію з NH3, що йдуть з піридинової установки
На реакцію з NH3 в другому ступені	124
На реакцію з піридиновими основами в 2-му ступені абсорбції
Разом	524

Прирівнюючи прихід і витрату, отримаємо:

0,925∙х₂=524,

звідси кількість розчину сірчаної кислоти х₂=566,5 кг/год, з них: моногідрату:

0,925566,5=524 кг/год,

та води:

566,5-524=42,5 кг/год.

Тоді кількість води, необхідна для поповнення циклу:

у₂=1425,5 – 566,5=859 кг/год.

Тепловий баланс збірки 2-го ступеня

Прихід.

1. Тепло, що вноситься циркулюючим розчином:

Q₁=2937273,3152 = 50557819 кДж/год

2. Тепло, що вноситься розчином з піридинової установки:

Q₂=1247,50,537504,19=80662 кДж/год,

де 2,25-теплоємність розчину, кДж/(кгград).

3. Тепло, що вноситься кислотою:

Q₃=566,51,5520 =17565 кДж/год

4. Тепло, що вноситься водою поповнення циклу:

Q₄=859204,19=71984 кДж/год

5.Тепло розбавлення сірчаної кислоти від 92,5 % до 12 %:

кДж/год

де теплота розбавлення від 92,5 % до 12 % на 1 кмоль дорівнює:

;

кДж/кмоль H₂SO_4.

Загальний прихід тепла 51112567 кДж/год.

Витрата:

1. Тепло, що втрачається назовні:

Q₆=173475 кДж/год

2. Тепло, що виноситься розчином:

Q₇=296400∙0,79t∙4,19=981114t

Загальна витрата тепла

Q_вит=173475+981114t

Дорівнюючи прихід і витрату тепла, отримаємо

51112567=173475+981114t,

Звідси температура розчину, що встановилася t= 51,9 °С.

Баланс кислоти і води поповнення приведений в таблиці 7.11.

Таблиця 7.11– Баланс кислоти і води поповнення

Компоненти	Збірка1		Збірка2		Всього		Разом
	H2SO4	H2O	H2SО4	H2O	H2SO4	H2O
Розчин кислоти Вода поповнення циклу	1548 –	126 5382	524 –	42,5 989,5	2072 –	178 6371,5	2250 6371,5
Всього	1548	5508	524	1032	2072	6549,5	8621,5

Матеріальні баланси сульфатної і піридинової установок наведені у таблицях 7.12 та 7.13.

Таблиця 7.12 – Матеріальний баланс сульфатної установки

Прихід	кг/год	Витрата	кг/год
Коксовий газ	52844	Коксовий газ	54840
Аміачно-водяні пари	930	Розчин для піридинової установки	961
Сірчана кислота	2371	Сульфат амонію	3014
Промивна вода	170	Випаровується у випарники	4858
Вода для поповнення циклів	6371,5
Знепіридинений розчин	1247,5
Разом	63673	Разом	63673

Таблиця 7.13 – Матеріальний баланс піридинової установки

Прихід	кг/год	Витрата	кг/год
Розчин з абсорберу	961	Розчин у збірник абсорберу	1247,5
Аміачно-водяні пари з дефлегматору	380	Піридинові основи (водні)	57,5
		Неконденсуючі гази	36
Разом	1341	Разом	1341

7.5 Визначення розмірів абсорберів

Кількість газів і пари, що поступають в абсорбер, наведено в таблиці 7.14.

Таблиця 7.14 – Кількість газів і пари, що поступають в абсорбер

Компоненти	З нагнітача		З дефлегматору
	кг/год	м3/год	кг/год	м3/год
Сухий коксовий газ Бензольні вуглеводні Сірководень Двоокис вуглецю Піридинові основи Аміак Водяна пара	45600 2600 1120 – 40 564 2920	100000 702 738 – 11 743 3643	– – 38 48 6 142 696	– – 25 24 1,7 187 866
Разом	52844	105828	930	1103,7

Об’єм газів, що поступають, за фактичних умов складемо

м³/год,

де 906-тиск перед абсорбером, мм рт.ст.

Приймаємо швидкість газів в абсорбері 4 м/с. Тоді необхідний перетин абсорберу:

м²

і діаметр абсорбера:

м.

Приймаємо діаметр абсорберу 3,2 м.

Об’єм абсорберу визначаємо з умов абсорбції амоніаку по рівнянню:

м³,

де – об’єм газів, що поступають;

К – коефіцієнт абсорбції аміаку сірчаною кислотою в розпорошувальних апаратах, за практичними даними К=5000 1/год; вміст аміаку в газі, що поступає і виходить, г/м³.

Об’єм абсорбера 1-го ступеня дорівнює:

м³,

тоді необхідна висота робочої частини абсорбера:

м.

Приймаємо висоту кожної ступені по 8 м.

Розміри робочої частини абсорбера 2-го ступеня абсорбції залишаються такими ж, як і 1-го ступені,так як

,