Практическая работа №4

Тема: Расчет контактных аппаратов

Цель: Расчет контактного аппарата с промежуточным теплообменом.

Теоретические основы

     В контактных аппаратах с промежуточным теплообменом охлаждение газа между слоями осуществляется в теплообменниках, расположенных либо в самом контактном аппарате, либо вне его, или путем добавления к газу холодного газа или воздуха.

    Расположение промежуточных теплообменников внутри контактного аппарата значительно осложняет его конструкцию, поэтому в высокопроизводительных контактных системах предусматриваются преимущественно контактные аппараты с выносными теплообменниками. Кроме простоты и надежной работы, достоинство таких аппаратов заключается еще в том, что в них легко создаются оптимальные условия для осуществления процесса окисления сернистого ангидрида на катализаторе, а в выносных теплообменниках – оптимальные условия для процесса теплопередачи. Нецелесообразность совмещения этих процессов в одном аппарате проявляется особенно отчетливо с повышением производительности контактных аппаратов. Кроме того, в аппаратах с выносными теплообменниками газ после каждого слоя хорошо перемешивается по пути следования к теплообменникам и внутри них, что имеет большое значение для достижения высокой степени превращения.

Задание

Рассчитать контактный аппарат с промежуточным теплообменом.

Варианты заданий

Порядок выполнения работы

I. Расчет контактного аппарата с промежуточным теплообменом

Исходные данные:

Производительность контактного аппарата (G), т/ч H₂SO₄.

Концентрация, доли единицы

                   SO₂  в газе (α)   -      0,075

                   О₂ в газе (в)      -       0,105

Конечная степень превращения Х   -   0,98

Общее давление Р, ат                      -     1

     Четырехслойный контактный аппарат с промежуточным теплообменом загружен гранулированной контактной массой и работает по следующему режиму:

• Ø Расчет количества контактной массы в аппарате с промежуточным теплообменом.

  Объем газа (при нормальных условиях), поступающего в контактный аппарат, м³/ч

            G× v

  V_газа =   ───────────,                       

                М_НSO× α × Х

где G- производительность контактного аппарата, кг/ч;

       v- мольный объем SO₂  v = 21.89 м³/кмоль (Бесков С.Д. «Технохимические расчеты», с.449);

      М_НSO- молекулярная масса серной кислоты;

      α – концентрация SO₂ в газе, доли единицы;

     Х – конечная степень превращения.

• · Расчет первого слоя.

Для этого первый слой разделяем на 5 участков. Степень превращения х в каждом участке принимаем соответственно

х= 0,14; х= 0,34; х = 0,54; х= 0,66; х= 0,72.

Повышение степени превращения, доли единицы:

∆х = х – х₀ (разность степеней превращения в начале и конце процесса)

∆х= х;

∆х= х- х;

∆х= х- х;

∆х= х- х;

∆х= х - х.

Увеличение температуры газа при адиабатическом окислении SO₂ в SO₃ на каждом из участков находим по уравнению:

t_к = t_н+ λ × (х_к – х_н),

где (х_к – х_н) – разность степеней контактирования в конце и начале процесса;

t_н,  t_к – температура в начале и конце процесса, ⁰С;

λ – величина адиабатического разогрева, определяется по уравнению

λ = 42,1× ,

где α – начальная концентрация сернистого ангидрида, %;

С_р – среднеинтегральная теплоемкость газовой смеси, кДж/(м³× град).

С_р = 1.55 кДж/(м³× град).

Скорость окисления SO₂ характеризуется константой скорости реакции:

k = k₀×e^-E/RT,

где k₀ – коэффициент;

       Е – энергия активации, Дж/моль (кал/моль);

       R –  универсальная газовая постоянная [8,326 Дж/(моль×град) 1,987 кал/(моль×град)];

       Т – абсолютная температура, ⁰К.

Для практических расчетов процесса окисления SO₂ на ванадиевом катализаторе можно принять следующие значения Е и k₀.

Е = 14300кал/моль

k₀ = 2,25×10⁴

е = 2,72

Константу равновесия определяем по уравнению

lg К_р =  - 4,6455

Фиктивное время соприкосновения  находим по уравнению

1 – 0,2× х              α× ∆х

∆t = ────────  ×  ─────────

          k × Р (1 – х)      b - [ ]²

     в -

b = ─────

     1 -

Аналогично находят время соприкосновения для всех участков первого слоя.

• · Расчет второго слоя.

Для расчета второго слоя разделяем его на 4 участка.

Аналогично находим время соприкосновения для всех участков второго слоя.

• · Расчет третьего слоя.

Для расчета третьего слоя разделяем его на три участка и находим время  соприкосновения для всех участков третьего слоя.

• · Расчет четвертого слоя.

Для расчета четвертого слоя разделяем его на три участка и находим время  соприкосновения для всех участков четвертого слоя.

    Результаты расчета времени контакта для всех слоев сводим в таблицу.

Таблица 4.1 – Результаты расчета времени контакта

Объем контактной массы для каждого слоя определяем по уравнению

V_{конт. массы} = с × V_газа × t,

где V_газа - объем газа (при нормальных условиях), поступающего в контактный аппарат, м³/сек;

с -  коэффициент запаса массы;

t - время контакта.

Коэффициент запаса массы с принимают на основе практических данных; для каждого слоя контактной массы он различный. Для аппаратов с промежуточными теплообменниками:

1 слой с₁ =4

2 слой с₂ = 2

3 слой с₃ = 1,3

4 слой с₄ = 1,35

Результаты расчетов сводим в таблицу

Таблица 4.2 – Результаты расчета контактной массы

Рассчитываем объем контактной массы на 1т/сутки H₂SO₄, л:

       V_{конт. массы} × 1000

V = ─────────────

10,24

     С увеличением числа участков на каждом слое общее время контакта t снижается.

     Площадь каждого слоя контактной массы (м²) определяем по уравнению

                                                                    V_газа

F = ─────,

     3600 × w

где V_газа  - объем газа при нормальных условиях в слое, м³/ч;

       w – фиктивная скорость газа при нормальных условиях в слое, м/с.

     Если не учитывать изменение объема газа в результате окисления SO₂ принимаем w = 0,3 м/с.

F₁ = F₂ = F₃ = F₄

   Внутренний диаметр контактного аппарата будет равен, м:

D =

     Высота слоев контактной массы составит, м:

        V                V            V              V

h₁ = ─────;        h₂ = ─────;   h₃ = ─────;    h₄ = ──────.

          F                            F                      F                         F

Н = h₁ + h₂ + h₃ + h₄

Контрольные вопросы:

1. Какой процесс называется контактированием?

2. Что такое степень контактирования?

3. Каким показателем характеризуется скорость реакции окисления?

4. Какой катализатор применяется в производстве контактной серной кислоты?

5. Что представляет собой контактное отделение сернокислотного завода?

6. Какие вы знаете контактные аппараты?