Охлаждение коксового газа в трубчатых холодильниках

Nu=0,023Re0,8Pr

Склад сухого коксового газу: H2=56,7%; CH4=26%; O2=0,8%; CO2=3%; CO=6%; N2=5%; Cm Hn=25H%.

В'язкості компонентів сухого газу (у сантіпуазах), при середній температурі газу :

t=(650+82)/2=360º

Обчислені за спеціальними формулами (див. Коробчанський), дорівнюють:

ZH2О=0,015; ZСН4=0,022; Z02=0,037; ZСО2=0,03;  ZСО=0,03; ZN2=0,032; ZСmHn=0,02;

Тоді в'язкість сухого газу визначається за формулою:

(100·Мс.г.)/Zс.г.=∑(Мі·υі)/Zі;

Де Мс.г. - молекулярна вага сухого газу;

       Zс.г. - в'язкість сухого газу;

       Мі –  молекулярна вага компонентів;

       Zі - в'язкість  компонентов;

       Υі - склад компонентів (в об'ємних %);

Тоді:(100·Мс.г.)/Zс.г. =(56,7·2)/0,015+(26·32)/0,022+(0,8·32)/0,037+(3·44)/0,033+(6·28)/0,03+(5·28)/ 0,032+(2,5·28)/0,02=44733

Молекулярна вага сухого газу:

Мс.г.=22,4γ=22,4·0,48=10,75

Отже, в'язкість сухого газу дорівнює:

Zс.г. =(100· Мс.г.) /44733=(100·10,75)/44733=0,024 сантипуаза;

Визначаємо в'язкість вологого газу. Зміст водяної пари в газі на вході дорівнює:

P'в/P=210/760=0,277 або 27,7% об'ємних;

І на виході:

P"в/P=384,9/760=0,505 або 50,5%

Де P-загальний тиск в газозбірнику;

 

        P'в - парціальний тиск  водяної пари в газі, на вході;

 

        P "в - пружність водяної  пари при 82 º;

Середній вміст водяної пари в газі дорівнює 39,1% і сухого газу 60,9%;

 

   В'язкість водяної  пари при 366 º ZН2О = 0,022 сантіпуаза;

Тоді в'язкість вологого газу визначаємо за формулою:

(100· Мвл.г.)/Zвл.г.= Мс.г.·υс.г/ Zс.г.+МН2О·υН2О/ZН2О   або

(100· Мвл.г.)/Zвл.г.=(10,75·60,9)/0,024+(18·39,1)/0,022=59300;

Молекулярна вага вологого газу:

Мвл.г. =(60,9·10,75+39,1·18)/100=13,59;

Тоді:

Zвл.г.= (100· Мвл.г.)/59300=100·13,59/59300=0,023 сантипуаза;

 

Питома вага вологого газу:

γвл.г=(13,59/22,4)·(273(273+366))=0,26 кг/м³;

Число Рейнольдса:

Re=(1000·υ·D·γвл.г)/Zвл.г

Приймаючи середню швидкість газу в газозбірнику υ = 4,25 м / с, отримаємо:

Re=(1000·4,25·1.3·0,26)/0,023=62500

Число Прандтля:

Pr=(3,6·C·Zвл.г)/ γвл.г

 

Де C -середня теплоємність вологого газу; кДж / кг • град;

Теплоємність сухого газу на вході:

C'с.г.=0,19 кДж/кг·град;

Теплоємність водяної пари на вході:

C'Н2О=0,11 кДж/кг·град;

Вміст водяної пари на вході складає 27,2% об'ємних або вагових:

(27,7·18)/27,7·18+72,3·10,75=39,1%;

І сухого газу-60,9%;

Тоді теплоємність вологого газу на вході  :

C'вл.г=0,19·0,609+0,11·0,391=0,158 кДж/кг·град;

Теплоємність сухого газу на виході:

 

C'с.г.=0,167 кДж/кг·град;

Теплоємність водяної пари на виході:

C"Н2О=0,104 кДж/кг·град;

Вміст водяної пари на виході складає 50,5% об'ємних; вагових:

(50,5·18)/50,5·18+49.5·10,75=63% і сухого газу 37%;

Тоді теплоємність вологого газу на виході:

C"вл.г=0,7·0,037+0,438·0,63=0,13 кДж/кг·град;

І середня теплоємність вологого газу:

C=(0,158+0,13)/2=0.144 кДж/кг·град;

Визначили теплопровідність вологого газу теплопровідності компонентів сухого газу при 366º дорівнюють (в Дж/м·год·град):

λН2О=0,251; λСН4=0,065; λ02=0,0392; λС0=0,0374; λС02=0,0319; λН2=0,036; λСmHn=0,0225;

Теплопровідність сухого коксового газу:

λс.г.=0,251·0,567+0,065·0,26+0,0392·0,008+0,0319·0,03+0,0374·0,06+0,036·0,05+0.0225·0,025=0,039 кДж/м·год·град;

Теплопровідність вологого газу:

λвл.г=0,165·0,609+0,0432·0,391=0,028 кДж/м·год·град;

 Теплопровідність водяної пари при 366º:

λв=0,0103 кДж/м·год·град;

Таким чином:

Pr=3,6·(0,144·0,023)/0,028=0,425

Тоді:

Nu=0,023·625000.8 ·0,4250,4 =112

І

               α1=Nu·( λвл.г/D)=112·(0.0028/1,3)=2,4 кДж/м·год·град;

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від стінки газозбірника навколишньому повітрю визначаємо по рівнянню:

Nu=CRen;

Де С и n беруться в залежності від числа Re;

Приймаємо температуру навколишнього повітря 25 º і швидкість руху 3,5

м ² / сек;

 

   В'язкість повітря  при 25 º дорівнює 16,5 •16,5·10ֿ6  м ² / сек;

тоді:

Re=(υ·D)/υ=(3,5·1,3·106)/16,5=282000

Для Re=282000; С=0,023 і n=0.8

Nu=0,023·2820000,8=527

Так як теплопровідність повітря при 25 º дорівнює 0,005 кДж / м • год • град, то

α2=Nu·(λ/D)=527·(0,005/1,3)=2,027 кДж/м²·год·град;

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від стінки газозбірника в навколишнє середовище визначаємо за формулою:

α3=C·((Тст/100)4-(Тв/100)4/(tcт-tв))= кДж/м²·год·град;

Величина С=1,09 кДж/м²·год·ºК (для шорстких металевих поверхонь). Задаємося температурою зовнішній поверхні газозбірника tcт, рівною 142º

Тоді при температурі повітря=25º

α3=1,09·(((273+142)/100)4-((273+25)/100)4/(142-25))=2,02 кДж/м²·год·град;

Загальний коефіцієнт теплопередачі:

К1=1·(1/24)+0,006/0,12)+1/(2,027+2,02)=1,42 кДж/м²·год·град;

Де товщина відкладень на стінках прийнята рівною 6 мм і їх коефіцієнт теплопровідності λ=0,12 кДж/м·год·град, (термічними опором металевої стінки нехтуємо). Перевіряємо температуру зовнішньої поверхні газозбірника за формулою:

tст=tв +((К1(tг-tв))/(α2+α3);

тоді:

tст=25+(1,42(366-25)/(2,027+2,02)=142º

що збігається з прийнятою раніше.

 Втрата тепла газовою частиною газозбірника буде дорівнювати :

Q'5=0,5·1,42·630(366-25)=244046 кДж/год;

б) Втрата тепла нижньою частиною газозбірника:

Q"5=0,2·F·К2(tвод-tвозд) кДж/год;

Коефіцієнт тепловіддачі від води до внутрішньої поверхні газозбірника:

α1=(1190+21,5·tвод-0,045·t²вод)w0,8 кДж/м²·год·град;

де tвод-середня температура води; дорівнює 76 º С;

w-швидкість руху надсмольною води в газозбірнику;

так як перетин для проходу надсмольною води дорівнює:

 

S=0,155R²(1,3/2)²=0,064 м²;

То швидкість руху води буде дорівнює:

w=W·(4·3600·S)=м/с;

де коефіцієнт 4 введений з огляду на те, що є 1 батарея.

Таким чином:

w=448·(4·3600·0,064)=0,48 м /с;

тоді:

         α1=(1190+21,5·76-0,045·76²)·0,0480,8=340 кДж/м²·год·град;

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від стінки газозбірника до навколишнього повітря (визначений вище):

α2=2,027  кДж/м²·год·град;

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від нижньої частини газозбірника:

           α3=С·((Tст/100)4-(Tвоз/100)4/(tст-tвоз)= кДж/м²·год·град;

Задаємося температурою стінки газозбірника в його нижній частині tст= 68º

       α3=1,09·(((273+68)/100)4-(273+25)/100/(68-25))=1,44 кДж/м²·год·град;

Загальний коефіцієнт теплопередачі від води до повітря буде дорівнювати:

    К2=1·(1/340)+0,006/0,12)+1/(2,027+1,44)=3,003 кДж/м²·год·град;

Перевіряємо температуру нижньої частини газозбірника по формулі:

tст=tвозд +((К2(tвоз-tвоз))/(α2+α3);

                                       tст=25+(3,003(76-25)/(2,027+1,44)=68º

що збігається з прийнятою раніше.

Втрата тепла нижньою частиною газозбірника буде дорівнювати:

Q"5=0,2·630·3,003(76-25)=19297 кДж/год;

 Загальна кількість  тепла, що втрачається газозбірником:

Q5=244046+19297=263343 кДж/год;

Таким чином, загальна витрата тепла дорівнює:

Qрасх=9981553+526G кДж/год;

  Прирівнюючи прихід  і витрати тепла, отримаємо:

12658948=9981553+526G;

Звідси кількість води, що випарувалася в газозбірнику, виходить рівним:

G=5090 кг/рік;

Що становить за обсягом в пароподібному стані:

5090·(22,4/17)=6706 нм³/год;

Загальний обсяг водяної пари на виході:

10882+6706=17588 нм³/год;

На підставі отриманого значення G складаємо зведену таблицю матеріального балансу:

Таблиця 2:

	Надходить у газозбірник:	Надходить у газозбірник:	Виходить з газозбірника:	Виходить з газозбірника:
	кг/год:	нм³/год:	кг/год:	нм³/год:
Газ:
С.к.г.	17489	36435	17489	36435
Вод.пари	8161	10882	32509	40468
Пари смоли	4372	576,12	1748	576
Бенз.вуглевод.	1457	393	1457	393
Сірководень	582	384	582	384
Аміак	437	576	437	576
Разом	33081	49246	54222	78832
Рідина:
Надсмольна вода	73138	―	24327	―
Смола	―	―	2623	―
	73138	―	27387	―
Разом:	106219	―	106219	―

 

 

Парціальний тиск водяної пари на виході з газозбірника буде дорівнювати  :

P=760·(40468/78832)=390

 Що відповідає точці  роси 83 º.

Отже, температура вихідного газу прийнята правильно.

 Перевіряємо швидкість  руху газу в газозбірнику.

Середній обсяг газів в газозбірнику (на вході і виході) при середній температурі 366 º дорівнює:

       V=((49246+78832)/1·(366+273)/273)=128675·2,4=299702 м³/год;

 Перетин для проходу  газу :

Sг=2,985R²=2,985·(13)²=5,04 м²;

Швидкість руху газу в газозбірнику при наявності чотирьох відводів газопроводів від кожної батареї (см.схему газопроводів ):

υ=299702/(5,04·3600·8)=2,06 м/с;

що збігається з прийнятої раніше.

Зведений тепловий баланс газозбірника наведено в таблиці 3:

	Прихід тепла кДж/год	Витрата тепла кДж/год
З с.к.г.	2216730	240299
З парами води	5856294	17292407
З парами смоли	812388	465880
З бенз.вуглевод.	99440	7841
З сірководнем	24589	2672
З аміаком	42607	4300
Разом з газом:	9052048	18013399
З надсмольною водою	3606900	3328110
втрати тепла назовні	―	263343
Разом:	21710996	21710996

 

 

2.2. Розрахунок первинного газового холодильника.

 

Матеріальний розрахунок.

 

  Первинні газові холодильники  встановлюються на газовий потік, що йде від 1 батареї коксової  печі.

 Кількість газів, що надходять в холодильники, становить:

	кг/г	м³/г
с.к.г	17489,52	36435
Водяні пари	32509	40468
Пари смоли	1748	576
Бенз. вуглевод.	1457,46	393,33
Сірководень	582,984	384,08
Аміак	437,283	586,18
Разом:	54223,7	78872

 

 

  Температура газу 82 º  С, тиск 760 мм рт. ст.

 

  Приймаємо, що температура  газу на виході з холодильника  дорівнює 30 º С і тиск 745 мм рт  ст. приймаємо також, що в холодильнику  конденсується вся смола, наявна  в газі.

 Обсяг водяної пари  на виході з холодильників  визначаємо з рівняння:

VВ=Vс.г(p/P­p)

Де Vс.г - обсяг сухого газу на виході з холодильника, м ³ / год

p - пружність водяної  пари при 30 º С, p = 31,8 мм рт ст;  

  P- загальний тиск газу  на виході з холодильника, мм  рт ст;

Vс.г=78872-672-40468=37732 м³/г;

Тоді:

VВ=37732(31,8/745-31,8)=1682,3 м³/г;

І по масі:

(1682,3/22,4)·18=1352 кг/г;

 

  Отже, в холодильнику  конденсується водяної пари в  кількості 32509-1352 = 31157 кг / год .Кількість аміачної води, що йде на переробку, так само:

8744-1352 = 7392 кг / год. Де 8744-кількість вологи шихти і пірогенетичної води, кг / год;  1352 - кількість водяної пари, що уноситься з холодильника газом, кг / год; Різниця між кількістю  водяної пари, що конденсується 31157 кг / год і переробляється води 7392 кг / год, дорівнює 23765 кг / год, йде на поповнення циклу води газозбірників.

 

   Схема матеріальних потоків води показана на рис.

 В аміачної воді, що  йде на переробку, розчиняється  деяка кількість аміаку та сірководню.  Приймаємо наступний склад аміачної води, г / л: аміаку 5, сірководню 2, двоокису вуглецю 2. Тоді кількість цих газів, що розчинилися у воді, буде дорівнювати кг / год: аміаку 7392 • 0,005 = 36,96

Сірководню 7392 • 0,002 = 14,78, двоокису вуглецю 7392 • 0,002 = 14,78.

Рис. Схема матеріальних потоків надсмольної води при первинному охолоджуванні коксового газу.

Матеріальний баланс холодильника наведено в таблиці 4:

	Прихід	Прихід	Витрата	Витрата
	кг/год:	м³/год:	кг/год:	м³/год:
Газ:
С.к.г.	17489	36435	16489,52	36420
Вод.пари	32509	40468	2764	1490
Пари смоли	1748	576	—	—
Бенз.вуглевод.	1457	393	1457,46	393,33
Сірководень	582	384	560	370
Аміак	437	576	420	470
	54223	78872	21690,98	39143,33
Вода	—	—	61279	—
розчинені гази	—	—	195	―
Смола	―	―	3190,3
	54222		86355	—
Разом:	54222	―		―