Муромский институт
 Скачать 432.85 Kb.
|
2.10 Классификация контактных устройствПри выборе конструкции контактного устройства учитывают как их гидродинамические и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны при использовании того или иного типа контактных устройств.  При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями: а) производительностью; б) гидравлическим сопротивлением; в) коэффициентом полезного действия; г) диапазоном рабочих нагрузок; д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений; е) материалоемкостью; ж) простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта. Основные принципы классификации тарелок.В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать по характеру диспергирования взаимодействующих фаз, по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку, по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз, , по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость и др. По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов. На тарелках пар (газ), диспергируясь на мелкие пузырьки и струи, с большой скоростью проходит через слой жидкости. Образующаяся при этом газожидкостная система называется пеной. Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются барботажными. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара почти в вертикальном направлении. Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара. При больших скоростях пара дисперсной фазой становится жидкость, а пар — сплошной фазой. Контакт между фазами осуществляется на поверхности капель и струй жидкости, движущихся в межтарельчатом пространстве с большой скоростью. Этот режим называется струйным, а контактные устройства, основанные на этом принципе взаимодействия фаз, — струйными. При струйном режиме контакт между паром (газом) и жидкостью осуществляется в прямотоке. Необходимо отметить, что при реализации чистого прямоточного движения контактирующих фаз, несмотря на значительное повышение производительности аппарата, эффективность такого взаимодействия в пределах отдельного контактного элемента обычно невысока и ограничена условиями достижения равновесия на выходе из области контактной зоны, где осуществляется прямоток фаз. Для повышения общей эффективности взаимодействия контактирующих фаз прибегают к различным способам локализации (компенсации) прямотока. По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провальные. У тарелок со специальными переточными устройствами жидкость перетекает с тарелки на тарелку отдельно от потока пара через специальные каналы (рис.2.17). В зависимости от нагрузки по жидкости и технологического назначения колонны переток жидкости может осуществляться одним, двумя и более потоками (рис.2.17, а —в). При применении тарелок с большим числом потоков следует учитывать, что при этом уменьшается длина пути жидкости на тарелке и, как следствие, снижается эффективность массопередачи. В пределах полотна тарелки течение жидкой фазы можно направить по горизонтальной поверхности или по слегка наклонной в сторону слива как в одном уровне, так и каскадом (рис.2.17, г). Применение каскадных тарелок позволяет уменьшить значение градиента уровня жидкости, что обеспечивает в колоннах большого диаметра более эффективную работу тарелок. Однако в этом случае увеличивается расстояние между тарелками и усложняется конструкция полотна. При низких значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы (рис. 2.17, д) или специальные конструкции переливов с кольцевым движением жидкости на тарелке (рис. 2.17, е). В последнем случае корпус аппарата и полотно тарелки разделяются вертикальной перегородкой на две части, что позволяет вдвое уменьшить длину сливной перегородки и увеличить нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки.  Наиболее сложной и претерпевшей значительные усовершенствования является конструкция самого контактного аппарата.  Рисунок 3 - Контактный аппарат Оствальда: 1 - коллектор аммиачно-воздушной смеси; 2 - платиновая спираль; 3 - смотровое окно; 4 - коллектор нитрозных газов Первым промышленным контактным аппаратом был аппарат Оствальда (рисунок 3), состоящий из двух концентрических труб: внешней чугунной диаметром 100 мм, эмалированной изнутри, и внутренней из никеля диаметром 65 мм. Аммиачно-воздушная смесь поступала в аппарат снизу по внешней трубе и попадала на катализатор, расположенный в верхней части внутренней трубы. Нитрозные газы по внутренней трубе направлялись вниз в коллектор, отдавая тепло поступающей смеси. Катализатор состоял из лент платиновой фольги толщиной 0,01 мм и шириной 20 мм, свернутых вместе в спираль. Одна из лент гладкая, вторая гофрированная с изгибами в 1 мм. Степень конверсии аммиака достигала 90-95 %, в смеси с воздухом содержалось NH3 8 % (об.), производительность аппарата составляла 100 кг азотной кислоты в сутки. Подобная форма катализатора не позволяла повышать производительность аппарата за счет увеличения его размеров. В аппарате Оствальда не обеспечивалась равномерность подачи газовой смеси, так как перед поступлением на катализатор поток газа изменил свое направление на 180° и уже затем поступал на него. Кроме того, конструкция аппарата не позволяла быстро выводить оксиды азота (II) из зоны высоких температур. В последующих конструкциях контактного аппарата был использован катализатор в форме сетки из нитей диаметром 0,06 мм.  Рисунок 4 - Контактный аппарат Андреева: 1 - платиновые сетки; 2 - смотровое окно Первое в России производство азотной кислоты было оснащено контактными аппаратами Андреева, вырабатывавшими 386 кг азотной кислоты в сутки и считавшимися наиболее совершенными в мире. Аппарат цилиндрической формы диаметром 300 мм и высотой 450 мм был изготовлен из чугуна. Смесь газов поступала снизу (рисунок 4). Сетка платинового катализатора располагалась поперек аппарата, посередине его. Применение чугуна для изготовления этого аппарата имело ряд недостатков: протекание побочных реакций, загрязнение платины окалиной. Степень конверсии в нем не превышала 87 %.  Рисунок 5 - Контактный аппарат Фишера: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - изоляция Аппарат Фишера изготовляли из алюминия, его диаметр был равен 1000 мм, высота 2000 мм (рисунок 5). Снизу аппарат заполняли фарфоровыми кольцами Рашига, верхнюю часть футеровали огнеупорным кирпичом. Конструкция аппарата не обеспечивала равномерной подачи аммиачно-воздушной смеси на катализатор, выход оксидов составлял 89-92 % при температуре контактирования 700-720°С. Производительность аппарата по аммиаку 600-700 кг/сут. Частицы огнеупорного кирпича, попадая на катализатор, снижали его активность.  Рисунок 6 - Аппарат Бамаг: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - смотровое окно. Аппарат, предложенный фирмой Бамаг (рисунок 6), состоял из двух усеченных конусов, соединенных широкими основаниями, между которыми помещались катализаторные сетки. Диаметр аппарата в широкой части был равен 1,1 м или 2,0 м. Аммиачно-воздушную смесь подавали в аппарат снизу. Вначале аппарат изготовляли из алюминия, затем его верхнюю, горячую, часть выполняли из нержавеющей стали. Для лучшего перемешивания смеси в нижнюю часть аппарата засыпали кольца Рашига. Основным недостатком этих аппаратов было направление газовой смеси на катализатор снизу, что приводило к вибрации сеток и к увеличению потери платины. Исследования конструкции контактного аппарата показали, что направление газовой смеси сверху вниз стабилизирует работу катализаторных сеток, уменьшает потери дорогостоящего дефицитного платинового катализатора, способствует повышению степени конверсии на 1,0-1,5 % и позволяет применять двухступенчатый катализатор, в котором в качестве второй ступени применяется оксидный неплатиновый катализатор. При подаче газовой смеси в аппарат сверху в нижней его части можно располагать слой изолирующего материала, а также змеевики парового котла и пароперегревателя без опасности загрязнения катализатора пылью огнеупоров и окалиной железа. Это позволяет снизить потери тепла реакции в окружающую среду. Исследование распределения температур по поверхности катализатора показало, что края катализатора примыкающего к стенкам, имеют более низкую температуру, соответственно снижается и степень контактирования, уменьшая общий выход оксида азота (II). В связи с этим большое значение имеет геометрия подводящей части контактного аппарата, она должна представлять собой плавно расходящийся конус с углом при вершине не более 30°.  Рисунок 7 - Аппарат Парсонса: 1 - цилиндрическая платиновая сетка; 2 кварцевое дно; 3 - смотровое окно; 4 - изоляция В США был создан аппарат Парсонса с вертикальным расположением катализаторной сетки, свернутой в виде четырехслойного цилиндра высотой 33 см и диаметром 29 см (рисунок 7). Платиновый цилиндр помещали в металлический кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, что обеспечивало хороший теплообмен с раскаленным катализатором. Производительность такого аппарата составляла до 1 т аммиака в сутки, степень конверсии 95-96 %. Преимущество данного аппарата - большая поверхность катализатора по сравнению с объемом апарата. Недостатком его является неравномерное поступление аммиачно-воздушной смеси на катализатор. Через нижнюю часть сетчатого катализатора проходит больше смеси, чем через верхнюю часть. Испытывался ряд аппаратов различной формы: в виде двух полусфер, конуса и полусферы при направлении потока газов снизу вверх. Особыми преимуществами эти аппараты не обладали даже при проведении процесса до 0,51 МПа, степень конверсии не превышала 90 %.  Рисунок 8 - Аппарат фирмы Дюпон: 1 - платиновые сетки; 2 - колосники; 3 - водяная рубашка При проведении процесса при повышенном давлении получил распространение аппарат фирмы Дюпон (рисунок 8), состоящий из конусов: верхнего - из никеля и нижнего - из жароупорной стали. Нижний корпус был снабжен водяной рубашкой для охлаждения. Катализатор, укладываемый на колосники , выполнен в виде пакета прямоугольных сеток. Сейчас во всем мире проектируют и строят агрегаты производства разбавленной азотной кислоты большой единичной мощности - до 400-600 т/год. Контактные аппараты с плоскими слоями сеток или слоем зернистого материала, располагаемого поперек хода газа, для таких агрегатов должны иметь большой диаметр до 5-7 м. Однако с увеличением диаметра аппарата ухудшается равномерность распределения аммиачно-воздушной смеси по сечению аппарата, увеличивается металлоемкость на единицу производительности, возрастают трудности в уплотнении фланцевых соединений. Аппараты больших диаметров (свыше 4 м) нельзя перевозить по железным дорогам, изготовление их на заводской площадке связано с серьезными трудностями. В связи с этим наиболее перспективным является конвертор с радиальным ходом газовой смеси через катализатор, выполненный в виде цилиндра или конуса. При таком расположении катализатора можно, не изменяя диаметр аппарата, увеличивать его высоту и соответственно производительность. Конструкции аппаратов с цилиндрическим расположением катализатора известны давно (аппараты Парсонса), но с увеличением их производительности от 4,5 кг/ч до 14,3 т/ч аммиака возникали проблемы распределения потоков газовой смеси, теплообмена.  Рисунок 9 - Усовершенствованный аппарат Парсонса: 1 - корпус; 2 - крышки; 3 - коллектор хладоагента; 4 - опорное устройство; 5 - штуцер для вывода нитрозных газов; 6 - катализаторные сетки; 7 - каналы для хладоагента; 8 - каналы для газов Одним из новых аппаратов является усовершенствованный аппарат Парсонса (рисунок 9). Он состоит из корпуса с крышками, штуцеров для ввода аммиачно-воздушной смеси и вывода нитрозных газов. Катализатором являются платиновые сетки, располагаемые вертикально по цилиндрической поверхности и закрепляемые под крышками. Сетки натянуты на керамическое опорное устройство, в котором имеются горизонтальные каналы для подачи аммиачно-воздушной смеси к контактным сеткам и вертикальные каналы для подачи хладоагента. Недостатком такого опорного устройства является распределение газа, поступающего на катализатор, в виде отдельных струй, в результате чего площадь катализатора работает не полностью.  Рисунок 10 - Контактный аппарат с радиальным ходом газа: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - система опорных элементов; 4 - катализатор; 5 - решетка; 6 - глухое днище Предложен аппарат с радиальным ходом газа (рисунок 10), который состоит из корпуса 1 и крышки со штуцером для ввода аммиачно-воздушной смеси. В нижней части корпуса расположен штуцер для ввода нитрозных газов. Катализаторные сетки в виде цилиндра и конуса расположены вертикально. Однако этот аппарат также не обеспечивает равномерного поступления газов на катализатор. Расчетная часть 3.1 Конструктивный расчет контактного аппарата Время конверсии при температуре окисления аммиака 900 ˚С можно определить по уравнению Lg = - 107 * k1 + 7.02 * 10-6 * k3 (4.1) Где k1 = 0,97 – степень конверсии аммиака; Lg = - 107 * 97 + 7,02 – 10-6 * 973 = 1,06 * 10-4 сек Площадь сечения конвертора будет равна S=100*τ*V0*TK*PH\1,1* m * d * PK * 273 (1 – 1.57 * den) Где: τ – время конверсии, сек; V0 – объем аммиачно-воздушой смеси при 0 ˚С; TK – температура конверсии, 900 + 273 = 1197 К; PH – начальное давление, 9,8 * 104 н \ м3; m – количество сеток; d – диаметр проволоки сеток, 0,009 мм; PK – давление газа при конверсии, 73 * 104 н\м; n – число плетений на 1 см2, 1024 штук. V0 = m * V \ 360 Где: m – масса аммиачно-воздушной смеси, кг; V – объем при нормальных условиях. V0 = 84112,75 * 22,4 / 360 = 5233,68 кг \ час S = 100 * 1,06 * 10-4 * 5233,68 * 1173 * 980 \ 1,1 * 18 * 0,09 * 73 * 273 (1* * 1,57 * 0,009 * e1024) = 3,31 м 2 3.2 Расчет времени контактирования (приведен в кинетике процесса окисления диоксида серы) Δ  τ 1 = ∑Δτ =3,188 сек τ 2 = ∑Δτ =6,38 сек Суммарное время контактирования газа в контактном аппарате составляет τ =3,188 + 6,38 = 9,568   м2Расчет диаметра контактного аппарата  Диаметр контактного аппарата составляет 8 м Заключение В ходе курсовой работы была подробно изучена тема использования контактных аппаратов в производстве азотной кислоты. Также были описаны методы получения азотной кислоты, охарактеризованы катализаторы окисления аммиака, выбраны контактные аппараты для производства азотной кислоты, произведен конструктивный расчет контактного аппарата. В настоящее время азотная кислота является одним из исходным продуктом для получения минеральных удобрений. Агрегаты эксплуатируются около 40 лет. В настоящее время среднечасовая производительность ниже проектной - 4,9-5,1 т/ч. Остальные основные показатели агрегатов также хуже проектных норм. Расходные коэффициенты по аммиаку, электроэнергии выше проектных, особенно по электроэнергии (на 10-12%).В работе находятся все 11 агрегатов, несмотря на то, что проектная мощность цеха используется на 50-60%. Список использованных источников 1. Кузнецов, Д.А. Общая химическая технология / Д.А. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1967. - 275 с. 2. Общая химическая технология / под ред. А.Г. Амелина. - М.: Химия, 1977. - 400 с. 3. Бондаренко, А.А. Технология химической промышленности / А.А. Бондаренко. - Киев : Вища школа, 1982.- 152 с. 4. Практикум по общей химической технологии: учебное пособие / под ред. И.П. Мухленова. - М. : Высшая школа, 1979. - 421 с. 5. Мухленов, И.П. Основы химической технологии / И.П. Мухленов, В.Д. Тамбовцева, А.Е. Горштейн. - М.: Высшая школа, 1975. - 344 с. 6. Практикум по химической технологии: учебное пособие / под ред. С.И. Вольфковича. - М, 1968. 7. Кутепов, А.М. Общая химическая технология / А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - М.: ИКЦ Академкнига, 2004.- 528 с. 8. Кондауров, Б.П. Общая химическая технология / Б.П. Кондауров, В.И. Александров, А.В. Артемов. - М.: Академия, 2005. 9. Бесков, В.С. Общая химическая технология : учебник для вузов / В.С. Бесков. - М.: ИКЦ Академкнига, 2005. - 452 с. 10. Кондауров, Б.П. Общая химическая технология / Б.П. Кондауров, В.И. Александров, А.В. Артемов. - М.: Академия, 2005. - 336 с. 11. Общая химическая технология: учебное пособие: в 2 ч / К.В. Брянкин, Н.П. Утробин, В.С. Орехов, Т.П. Дьячкова. - Тамбов: Изд-воТамб. гос. техн. ун-та, 2006. – Ч. 2. – 172 с. 12. Игнатенков, В.И. Примеры и задачи по общей химической технологии / В.И. Игнатенков, В.С. Бесков. - М.: ИКЦ Академкнига, 2005. - 198 с. 13. Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, испр. и дополн. / Под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой - СПб.: «Иван Федоров», 2003. – 240 с. Чертеж - Контактный аппарат Фишера: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - изоляция |